Laser označuje proces a zariadenie na generovanie kolimovaných, monochromatických, koherentných svetelných lúčov prostredníctvom zosilnenia stimulovaného žiarenia a potrebnej spätnej väzby. V podstate laserové generovanie vyžaduje tri prvky: „rezonátor“, „zosilňovacie médium“ a „čerpací zdroj“.
A. Princíp
Pohybový stav atómu možno rozdeliť na rôzne energetické hladiny a keď atóm prechádza z vysokej energetickej hladiny na nízku energetickú hladinu, uvoľňuje fotóny zodpovedajúcej energie (tzv. spontánne žiarenie). Podobne, keď fotón dopadne na systém energetických hladín a je ním absorbovaný, spôsobí to prechod atómu z nízkej energetickej hladiny na vysokú energetickú hladinu (tzv. excitovaná absorpcia); potom niektoré z atómov, ktoré prechádzajú na vyššie energetické hladiny, prejdú na nižšie energetické hladiny a emitujú fotóny (tzv. stimulované žiarenie). Tieto pohyby sa nevyskytujú izolovane, ale často paralelne. Keď vytvoríme podmienku, napríklad použitím vhodného média, rezonátora, dostatočného vonkajšieho elektrického poľa, stimulované žiarenie sa zosilní tak, že je viac ako stimulovaná absorpcia, potom vo všeobecnosti budú emitované fotóny, čoho výsledkom bude laserové svetlo.
B. Klasifikácia
Podľa média, ktoré produkuje laser, možno laser rozdeliť na kvapalný laser, plynový laser a tuhý laser. V súčasnosti je najbežnejším polovodičovým laserom druh tuhého laseru.
C. Zloženie
Väčšina laserov sa skladá z troch častí: excitačného systému, laserového materiálu a optického rezonátora. Excitačné systémy sú zariadenia, ktoré produkujú svetlo, elektrickú alebo chemickú energiu. V súčasnosti sa ako hlavné stimulačné prostriedky používajú svetlo, elektrina alebo chemická reakcia. Laserové látky sú látky, ktoré dokážu produkovať laserové svetlo, ako sú rubíny, berýliové sklo, neónový plyn, polovodiče, organické farbivá atď. Úlohou optickej rezonančnej regulácie je zvýšiť jas výstupného laseru, nastaviť a zvoliť vlnovú dĺžku a smer laseru.
D. Žiadosť
Laser sa široko používa, najmä vo optickej komunikácii, laserovom meraní vzdialenosti, laserovom rezaní, laserových zbraniach, laserových diskoch atď.
E. História
V roku 1958 americkí vedci Xiaoluo a Townes objavili magický jav: keď umiestnili svetlo vyžarované vnútornou žiarovkou na kryštál vzácnych zemín, molekuly kryštálu začali vyžarovať jasné, vždy spolu silné svetlo. Podľa tohto javu navrhli „princíp laseru“, to znamená, že keď je látka excitovaná rovnakou energiou, ako je prirodzená frekvencia kmitov jej molekúl, vytvorí sa silné svetlo, ktoré sa nerozbieha – laser. Na túto tému našli dôležité práce.
Po zverejnení výsledkov výskumu Sciola a Townesa vedci z rôznych krajín navrhli rôzne experimentálne schémy, ale tie neboli úspešné. 15. mája 1960 Mayman, vedec z Hughesovho laboratória v Kalifornii, oznámil, že získal laser s vlnovou dĺžkou 0,6943 mikrónu, čo bol prvý laser, aký kedy ľudia získali, a Mayman sa tak stal prvým vedcom na svete, ktorý zaviedol lasery do praktickej oblasti.
7. júla 1960 Mayman oznámil zrod prvého laseru na svete. Maymanov plán spočíva v použití vysokointenzívnej zábleskovej trubice na stimuláciu atómov chrómu v rubínovom kryštáli, čím sa vytvorí veľmi koncentrovaný tenký stĺpec červeného svetla. Keď sa vystrelí v určitom bode, môže dosiahnuť teplotu vyššiu ako povrch Slnka.
Sovietsky vedec H.G. Basov vynašiel polovodičový laser v roku 1960. Štruktúra polovodičového laseru sa zvyčajne skladá z vrstvy P, vrstvy N a aktívnej vrstvy, ktoré tvoria dvojitú heteroprechodnosť. Jeho vlastnosti sú: malá veľkosť, vysoká účinnosť väzby, rýchla rýchlosť odozvy, vlnová dĺžka a veľkosť zodpovedajú veľkosti optického vlákna, možnosť priamej modulácie a dobrá koherencia.
Šesť, niektoré z hlavných aplikačných smerov laseru
F. Laserová komunikácia
Používanie svetla na prenos informácií je dnes veľmi bežné. Napríklad lode používajú svetlá na komunikáciu a semafory používajú červenú, žltú a zelenú. Všetky tieto spôsoby prenosu informácií pomocou bežného svetla však môžu byť obmedzené len na krátke vzdialenosti. Ak chcete prenášať informácie priamo na vzdialené miesta pomocou svetla, nemôžete použiť bežné svetlo, ale iba lasery.
Ako teda doručíte laser? Vieme, že elektrina sa dá prenášať po medených drôtoch, ale svetlo sa nedá prenášať po bežných kovových drôtoch. Vedci preto vyvinuli vlákno, ktoré dokáže prenášať svetlo, nazývané optické vlákno. Optické vlákno je vyrobené zo špeciálnych sklenených materiálov, ktorých priemer je tenší ako ľudský vlas, zvyčajne 50 až 150 mikrónov, a je veľmi mäkké.
V skutočnosti je vnútorné jadro vlákna vyrobené z priehľadného optického skla s vysokým indexom lomu a vonkajší povlak je vyrobený zo skla alebo plastu s nízkym indexom lomu. Takáto štruktúra na jednej strane spôsobuje, že svetlo sa láme pozdĺž vnútorného jadra, podobne ako voda prúdiaca vo vodovodnom potrubí, a elektrina sa prenáša dopredu v drôte, aj keď tisíce zákrutov a otáčok nemajú žiadny vplyv. Na druhej strane, povlak s nízkym indexom lomu môže zabrániť úniku svetla, rovnako ako vodovodné potrubie nepresakuje a izolačná vrstva drôtu nevedie elektrinu.
Vznik optického vlákna rieši spôsob prenosu svetla, ale to neznamená, že s ním je možné prenášať akékoľvek svetlo na veľké vzdialenosti. Iba vysoký jas, čisté farby a dobrý smerový laser sú najideálnejším zdrojom svetla na prenos informácií, pričom vstupujú z jedného konca vlákna, takmer žiadne straty a výstupy sú z druhého konca. Preto je optická komunikácia v podstate laserovou komunikáciou, ktorá má výhody veľkej kapacity, vysokej kvality, širokého zdroja materiálov, vysokej dôvernosti, odolnosti atď. Vedci ju oslavujú ako revolúciu v oblasti komunikácie a je jedným z najbrilantnejších úspechov technologickej revolúcie.
Čas uverejnenia: 29. júna 2023