2015 ialah Tahun Antarabangsa Cahaya dan Teknologi Berasaskan Cahaya (IYL2015), yang juga merupakan tahun Lembaga Eksekutif UNESCO menandatangani keputusan untuk menetapkan 16 Mei setiap tahun sebagai "Hari Cahaya Antarabangsa". Sebab memilih 16 Mei adalah...
Pada 2015, Tahun Antarabangsa Cahaya dan Teknologi Berasaskan Cahaya (IYL2015), Lembaga Eksekutif UNESCO menandatangani keputusan untuk menetapkan 16 Mei setiap tahun sebagai Hari Cahaya Antarabangsa.
16 Mei dipilih kerana pada 16 Mei 1960, ahli fizik Amerika Meyman mencipta pancaran laser pertama dalam sejarah manusia.
Meyman dan laser delima.
Jadi apa sebenarnya laser? Dan mengapa ia sangat penting?
Untuk menjawab dua soalan ini, kita perlu memahami sebab dan akibat kerja Meyman.
Mengapa objek mengeluarkan cahaya?
Pada tahun 1912, ahli fizik masih taksub dengan rupa atom, asas dunia.
Pada tahun ini, tiga kertas kerja oleh ahli fizik Denmark Bohr telah diterbitkan, di mana Bohr menggunakan teori kuantum pada model atom Rutherford dan mencadangkan model Bohr yang terkenal.
Model Bohr dapat menjelaskan fenomena yang tidak dapat dijelaskan oleh model lain pada masa itu, dan meramalkan beberapa keputusan yang boleh disahkan oleh eksperimen kemudian, jadi ia diterima umum oleh komuniti saintifik selepas itu.
Model Bohr ialah model planet, yang bermaksud elektron bercas negatif bergerak mengelilingi nukleus bercas positif seperti planet.
Kehalusan model Bohr ialah orbit elektron ini tidak dipilih secara rawak, tetapi hanya untuk beberapa nilai tertentu.
Model atom hidrogen Bohr.
Orbital elektron paling dalam dipanggil keadaan dasar, orbital di lapisan luar dipanggil keadaan teruja pertama, lapisan luar adalah keadaan teruja kedua, dan seterusnya.
Kita dapat perhatikan bahawa tenaga elektron bagi orbital yang berbeza ini adalah berbeza, jadi kita boleh "meratakan" orbital ini, dan kita mendapat beberapa tahap tenaga. Tahap tenaga sinaran spontan.
Kerana pemuliharaan tenaga, elektron ingin melompat dari tahap tenaga rendah ke tahap tenaga tinggi, anda perlu menyerap tenaga yang sepadan dari dunia luar, proses ini kita panggil penyerapan dirangsang. Begitu juga elektron dari aras tenaga tinggi untuk jatuh ke aras tenaga rendah, pastinya juga akan mengeluarkan tenaga yang sepadan, terbukti proses ini akan mengeluarkan foton, iaitu elektron akan bercahaya, maka proses ini dipanggil. sinaran spontan.
Prinsip pendaran sumber cahaya biasa dalam kehidupan kita ialah sinaran spontan.
Lampu pendarfluor.
Membuat ringan "berkelakuan"
Terdapat beberapa masalah dengan cahaya yang dihasilkan oleh sinaran spontan: terdapat banyak tahap tenaga dalam atom, dan foton ini mungkin dihasilkan oleh sinaran spontan pada tahap tenaga pertama, atau oleh sinaran spontan pada tahap tenaga ketiga ......
Ini membawa kepada tenaga yang berbeza bagi foton ini, dan tenaga foton tunggal menentukan frekuensi cahaya, iaitu, frekuensi cahaya yang dihasilkan oleh sinaran spontan adalah rawak.
Perkara lain ialah masa sinaran spontan untuk menghasilkan foton, serta arah gerakan foton juga tidak berada di bawah kawalan kita, yang akan membawa kepada sinaran spontan untuk menghasilkan cahaya, fasanya juga rawak.
Kekerapan dan fasa yang dinyatakan di sini adalah semua sifat cahaya sebagai gelombang elektromagnet. Kekerapan boleh difahami sebagai kelajuan getaran gelombang cahaya, yang juga menentukan warna cahaya yang kita lihat; fasa boleh difahami sebagai kedudukan penghantaran gelombang cahaya.
Cahaya sebagai gelombang elektromagnet.
Pendek kata, cahaya yang dihasilkan oleh sumber cahaya biasa adalah seperti sekumpulan orang yang memenuhi kereta bawah tanah, mereka tua dan muda, lelaki dan perempuan, memakai warna yang berbeza untuk menaiki kereta api bawah tanah, dan mereka tidak berjalan dengan pantas, ada yang sudah mendapat. dalam kereta api, sementara ada yang masih menyemak tiket.
Ini membawa kepada sumber cahaya biasa, walaupun dalam kehidupan pencahayaan telah cukup untuk digunakan, tetapi dalam bidang penyelidikan saintifik, terutamanya kajian sifat cahaya, kuasa tempur adalah benar-benar umum.
Akhirnya, pada tahun 1917, satu lagi cara untuk cahaya muncul, iaitu, Einstein mencadangkan teori radiasi yang dirangsang.
Sinaran yang dirangsang.
Teori sinaran teruja adalah untuk mengatakan, sekarang andaikan bahawa keadaan teruja pertama pada elektron, apabila foton terkena, dan tenaga foton ini betul-betul sama dengan keadaan teruja pertama dan jurang antara keadaan dasar, maka kali ini, yang pertama keadaan teruja pada elektron akan "tergoda" untuk melengkapkan kes sinaran spontan, memancarkan Foton "sama" dilepaskan.
Kerana kewujudan "foton tergoda" ini, kami memanggil proses ini sinaran teruja.
Sekiranya terdapat elektron bertenaga tinggi yang mencukupi, proses ini akan berterusan, akhirnya membentuk sekumpulan besar foton "tergoda", kita akan memanggil proses ini sebagai proses penguatan cahaya, perkara yang paling penting ialah fasa dan kekerapan foton ini betul-betul sama. Seperti tentera yang kemas dan rapi, dan di atas "memerah kereta bawah tanah" radiasi spontan adalah sama sekali berbeza.
Berapa banyak langkah yang diperlukan untuk membina laser?
Langkah pertama ialah penyongsangan nombor zarah.
Dengan teori sinaran teruja, orang ramai tertanya-tanya bagaimana menggunakan teori ini untuk membina sumber cahaya yang boleh mengeluarkan cahaya yang kemas dan kemas.
Sesetengah pembaca mungkin berkata, "Mengapa tidak hanya mengambil cahaya dan menyinarinya? Apa yang sukar mengenainya?
Pembaca yang mempunyai keraguan seperti itu harus memberi perhatian kepada perkataan "cukup" yang disebutkan tadi, dan jangan lupa fenomena penyerapan teruja kita.
Jika tidak terdapat elektron yang mencukupi pada tahap tenaga tinggi, bilangan sinaran teruja adalah kurang daripada bilangan penyerapan teruja, apabila pancaran cahaya melanda, tidak akan dipancarkan penguatan cahaya, tetapi akan menjadi penyerapan teruja elektron keadaan dasar, mengakibatkan dalam kerugian ringan.
Malah, dalam kes semula jadi, bilangan elektron keadaan dasar adalah jauh lebih besar daripada bilangan elektron teruja, pada suhu bilik, sebagai contoh, sistem dua tenaga (iaitu, hanya keadaan dasar dan keadaan teruja pertama bagi sistem tenaga) bilangan elektron keadaan dasar adalah kira-kira 10 daripada 170 kali ganda bilangan elektron teruja!
Jadi untuk menggunakan prinsip sinaran teruja untuk mencipta sumber cahaya, masalah pertama yang perlu diselesaikan adalah untuk menjadikan bilangan zarah pada tahap tenaga yang lebih tinggi lebih besar daripada bilangan zarah pada tahap tenaga yang lebih rendah, iaitu, untuk mencapai nombor zarah penyongsangan.
Bagaimana untuk mencapai pembalikan nombor zarah?
Idea asas adalah untuk mengepam zarah dari keadaan tanah ke keadaan tenaga tinggi, sama seperti pam.
Ini lebih mudah diucapkan daripada dilakukan.
Zarah mengepam air.
Langkah kedua ialah membina pendahulu.
Pada tahun 1951, ahli fizik Amerika Towns memikirkan bagaimana untuk mencapai penyongsangan nombor zarah dalam molekul ammonia.
Molekul ammonia adalah sistem dua tenaga, dan mustahil untuk mencapai penyongsangan nombor zarah dalam keadaan biasa, kerana kebarangkalian penyerapan teruja dan sinaran teruja adalah sama, dan juga kehadiran sinaran spontan, yang membawa kepada fakta bahawa bilangan zarah pada aras tenaga yang lebih tinggi mestilah kurang daripada bilangan zarah dalam keadaan asas.
Pendekatan Towns adalah bijak, kerana dia menggunakan medan magnet untuk membezakan antara keadaan dasar dan molekul ammonia keadaan teruja, memilih molekul ammonia keadaan teruja untuk diletakkan dalam rongga resonan gelombang mikro, di mana pembalikan nombor zarah dicapai.
Tiga tahun kemudian, menggunakan idea ini, Towns membina "MASER" pertama. Apa itu MASER?
MASER dipanggil Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang diterjemahkan kepada "amplifikasi gelombang mikro oleh sinaran yang dirangsang". Laser LASER dipanggil Penguatan cahaya oleh Pembebasan Terstimulasi Sinaran, yang diterjemahkan kepada "penguatan cahaya oleh sinaran yang dirangsang".
Kami menyebut di atas bahawa cahaya ialah gelombang elektromagnet, dan gelombang mikro ialah gelombang elektromagnet yang lain.
Gelombang elektromagnet boleh dikelaskan mengikut kekerapannya, dengan gelombang mikro antara 300 MHz hingga 300 GHz, dan cahaya boleh dilihat antara 3.9 hingga 7.5 kali 10 hingga 14 kuasa Hz.
Dari nama kita dapat melihat perbezaan antara MASER dan LAZER, terutamanya dalam perbezaan dalam jalur operasi, MASER hanya satu langkah dari LASER.
Bandar dan MASER pertama.
Langkah ketiga ialah melengkapkan tiga komponen utama laser.
Pengenalan MASER menyelesaikan masalah penyongsangan nombor zarah. Dalam masa tiga tahun sahaja, teknologi ini telah berkembang pesat, dan pada ketika ini semua orang mahu tergesa-gesa dan melangkah lebih jauh dengan menukar penguat gelombang mikro ini kepada penguat optik dan mencipta sumber cahaya impian itu, laser.
Setakat ini kami telah dapat meringkaskan secara samar-samar komposisi laser tiga komponen utama:
Yang pertama ialah keperluan untuk mencapai penyongsangan nombor zarah bahan, seperti molekul ammonia, kami memanggil medium keuntungan; yang kedua ialah kaedah mengepam yang sesuai, kami panggil ia mengepam; ketiga adalah Bandar yang disebut di atas dengan rongga resonan, adapun peranan rongga resonan kita akan bercakap kemudian.
Pada tahun 1958, Towns dan Shorro bekerjasama dalam kertas teori yang meramalkan kebolehlaksanaan laser buat kali pertama dari sudut pandangan teori. Pada ketika ini, segala-galanya sudah sedia untuk Pekan, kecuali angin!
Pada 16 Mei 1960, Meyman mengambil jalan yang berbeza dan pertama kali membina laser pertama dalam sejarah manusia.
Kisah bagaimana Meyman sampai ke sana dahulu adalah kisah yang menarik dengan banyak liku-liku. Tetapi mari kita fokus di sini pada laser delimanya.
Gambarajah skematik laser delima.
Laser ini dengan jelas menunjukkan tiga komponen utama laser, kita juga boleh memperkenalkannya secara bergilir.
Perolehan sederhana:
Medium keuntungan yang dipilih oleh Meyman ialah delima, iaitu aluminium trioksida berdop kromium.
Skema sistem tiga tenaga.
Media keuntungan ini ialah sistem tiga tenaga, dan sistem tiga tenaga ini untuk mencapai penyongsangan nombor zarah adalah lebih mudah daripada sistem dua peringkat sebelumnya. Terdapat beberapa ciri khas sistem tiga peringkat delima, dan kita boleh memahami cara ia mencapai penyongsangan nombor zarah melalui proses pengepamannya.
Pertama, zarah keadaan tanah diangkut terus ke aras tenaga E3 dengan pengujaan yang sesuai, dan terdapat proses lonjakan bebas sinaran antara aras tenaga E3 dan E2, yang bermaksud bahawa zarah pada E3 akan cepat berlari ke E2 melalui perlanggaran. , dan tenaga yang dikurangkan menjadi tenaga gerakan haba dan bukannya pendaran.
Di samping itu, keadaan E2 adalah sub-stabil, iaitu zarah yang jatuh pada tahap tenaga E3 boleh kekal pada tahap tenaga E2 untuk masa yang lama. Ini bersamaan dengan menggunakan tahap tenaga E3 sebagai peralihan untuk mengangkut zarah dari keadaan dasar ke E2, dan biarkan proses itu berjalan, bilangan zarah dalam E2 akan melebihi bilangan zarah dalam keadaan dasar, mencapai nombor zarah penyongsangan.
Malah, kecekapan laser delima adalah sangat rendah, hanya 0.1 peratus , yang dihadkan oleh medium perolehan, kerana sistem tiga tenaga memerlukan tenaga yang sangat tinggi untuk mengepam zarah keadaan tanah ke keadaan tenaga tinggi. Di samping itu, panjang gelombang laser ini ialah 694.3 nm, yang juga ditentukan oleh medium keuntungan.
Dengan perkembangan laser, jenis medium perolehan secara beransur-ansur meningkat, termasuk gas, pepejal, cecair, gentian, semikonduktor, dan lain-lain, seperti penunjuk laser yang biasa digunakan dalam bilik darjah ialah laser semikonduktor.
Pendek kata, tidak kira medium perolehan yang mana, ia perlu mempunyai kaedah yang boleh mencapai penyongsangan nombor zarah.
Mengepam:
Lampu pam laser delima pertama.
Ciri paling jelas laser Meynman ialah sumber pamnya adalah lampu xenon lingkaran, bentuk lingkaran memastikan bar delima diletakkan di antara lampu. Selain itu lampu ini masih menggunakan cahaya berdenyut untuk mengepam, bermakna cahaya yang dipancarkannya tidak berterusan, tetapi dalam letupan. Ini adalah reka bentuk Meynman yang paling penting, supaya cahaya pengepaman tenaga tinggi yang berterusan tidak merosakkan kristal.
Rongga resonans:
Gambarajah skematik rongga resonans.
Di dua hujung bar delima, Meyman meletakkan dua cermin dan menggali lubang kecil di sebelah kanan supaya cahaya dari sinaran teruja boleh bergerak ke sana ke mari melalui medium perolehan untuk "memancing" lebih banyak foton, dan selepas mencapai intensiti tertentu, cahaya laser akan dipancarkan melalui lubang kecil.
Apakah kegunaan laser?
Mayman mengadakan sidang akhbar selepas penciptaan laser, di mana seorang wartawan bertanya soalan ini, Mayman memberi 5 cadangan: 1:
1. ia digunakan untuk menguatkan cahaya, sebagai contoh, apabila membuat laser kuasa tinggi, mereka menggunakan penguat optik untuk menguatkan cahaya yang lebih lemah;
2. boleh menggunakan laser untuk mengkaji perkara;
3. menggunakan pancaran laser berkuasa tinggi untuk komunikasi angkasa lepas;
4. digunakan untuk menambah bilangan saluran untuk komunikasi (inilah yang kemudiannya muncul sebagai komunikasi gentian optik);
5. untuk memfokuskan rasuk untuk menghasilkan keamatan cahaya ultra tinggi untuk memotong atau mengimpal bahan dalam industri, atau untuk melakukan pembedahan dalam bidang perubatan, dsb.
Kita harus mengagumi semangat saintifik Mehman, dan semua cadangan yang dikemukakannya kemudiannya dipenuhi.
Ingat ciri-ciri foton yang dihasilkan oleh sinaran teruja?
Mereka mempunyai frekuensi dan fasa yang sama, dan laser pada dasarnya adalah penguatan cahaya daripada sinaran teruja, jadi dua ciri laser yang paling penting ialah monokromatik yang baik dan tenaga tinggi. Kedua-dua ciri ini menentukan penggunaan laser, dan ini adalah dua arah pembangunan laser.
Monokromatik yang baik bermakna spektrum laser sangat sempit dan boleh menunjukkan ciri-ciri cahaya sebagai gelombang dengan mudah, dan kemudiannya kita boleh menggunakannya untuk merekod maklumat fasa.
Sebagai contoh, teknologi foto holografik yang dicipta oleh ahli fizik British Dennis Gerber pada tahun 1947 pada asasnya adalah penggunaan fasa cahaya untuk merekodkan rangkaian penuh maklumat mengenai objek, supaya menghasilkan kesan fotografi tiga dimensi.
Gambar holografik boleh merakam bukan sahaja maklumat hadapan tetapi juga maklumat sisi.
Hanya selepas penciptaan laser teknologi ini tersedia dan dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1971.
Tenaga tinggi difahami dengan baik, kita boleh menggunakan laser untuk membakar CD, untuk membolehkan pelakuran nuklear, memotong bahan, dll. Bukan sahaja kita boleh menjana laser tenaga tinggi berterusan, tetapi kita juga boleh mendapatkan laser tenaga tinggi dengan nadi yang sangat pendek tempoh melalui teknik filem berkunci dan amplifikasi kicauan.
Gambar rajah penjanaan nadi dengan teknologi penguncian filem.
Laser femtosaat kini tersedia secara meluas, dan tempoh nadi tunggal hanya mengikut urutan femtosaat (tolak 15 saat daripada 10).
Dengan laser ini, kami boleh menghantar pukulan yang tepat kepada bahan tanpa menyebabkan banyak kerosakan, seperti pembedahan pembaikan rabun, mengubah permukaan bahan, meningkatkan sifat antiseptiknya, dsb.
