2015. je Međunarodna godina svjetla i tehnologija temeljenih na svjetlu (IYL2015), a to je ujedno i godina kada je Izvršni odbor UNESCO-a potpisao odluku da se 16. svibnja svake godine proglašava "Međunarodnim danom svjetlosti". Razlog odabira 16. svibnja je...
U 2015. godini, Međunarodnoj godini svjetlosti i tehnologija temeljenih na svjetlosti (IYL2015), Izvršni odbor UNESCO-a potpisao je odluku da se 16. svibnja svake godine proglašava Međunarodnim danom svjetlosti.
16. svibnja odabran je jer je 16. svibnja 1960. godine američki fizičar Meyman stvorio prvu lasersku zraku u povijesti čovječanstva.
Meyman i rubinski laser.
Što je zapravo laser? I zašto je to toliko važno?
Da bismo odgovorili na ova dva pitanja, moramo razumjeti uzroke i posljedice Meymanova rada.
Zašto predmeti emitiraju svjetlost?
Godine 1912. fizičari su još uvijek bili opsjednuti time kako izgleda atom, temelj svijeta.
Ove godine objavljena su tri rada danskog fizičara Bohra u kojima je Bohr primijenio kvantnu teoriju na Rutherfordov model atoma i predložio poznati Bohrov model.
Bohrov model uspio je objasniti pojave koje se tada nisu mogle objasniti drugim modelima, te je predvidio neke rezultate koji su kasnije mogli biti potvrđeni eksperimentima, pa je kasnije bio općeprihvaćen u znanstvenoj zajednici.
Bohrov model je planetarni model, što znači da se negativno nabijeni elektroni kreću oko pozitivno nabijene jezgre poput planeta.
Suptilnost Bohrovog modela je u tome što orbite ovih elektrona nisu odabrane nasumično, već samo na neke određene vrijednosti.
Bohrov model atoma vodika.
Najdublja elektronska orbitala naziva se osnovno stanje, orbitala u vanjskom sloju naziva se prvo pobuđeno stanje, vanjski sloj je drugo pobuđeno stanje, i tako dalje.
Možemo primijetiti da su energije elektrona ovih različitih orbitala različite, tako da možemo "spljoštiti" te orbitale, i dobiti ćemo neke energetske razine. Razine energije spontanog zračenja.
Zbog očuvanja energije, elektroni žele skočiti s niskih razina energije na visoke razine energije, morate apsorbirati odgovarajuću energiju iz vanjskog svijeta, ovaj proces nazivamo stimuliranom apsorpcijom. Slično, elektron s visoke energetske razine da padne na nisku energetsku razinu, sigurno će također osloboditi odgovarajuću energiju, dokazano je da će taj proces emitirati foton, odnosno elektron će biti svjetleći, pa se taj proces naziva spontano zračenje.
Princip luminiscencije uobičajenih izvora svjetlosti u našem životu je spontano zračenje.
Fluorescentne svjetiljke.
Ponašanje svjetla
Postoje neki problemi sa svjetlom proizvedenim spontanim zračenjem: postoji mnogo energetskih razina u atomima, a ti fotoni mogu biti proizvedeni spontanim zračenjem na prvoj energetskoj razini, ili spontanim zračenjem na trećoj energetskoj razini ......
To dovodi do različitih energija tih fotona, a energija pojedinog fotona određuje frekvenciju svjetlosti, odnosno frekvencija svjetlosti proizvedene spontanim zračenjem je slučajna.
Još jedna stvar je da vrijeme spontanog zračenja za proizvodnju fotona, kao i smjer kretanja fotona također nije pod našom kontrolom, što će dovesti do spontanog zračenja za proizvodnju svjetlosti, faza je također nasumična.
Frekvencija i faza koje se ovdje spominju su sva svojstva svjetlosti kao elektromagnetskog vala. Frekvencija se može shvatiti kao brzina vibracije svjetlosnog vala, koja također određuje boju svjetlosti koju vidimo; faza se može shvatiti kao položaj prijenosa svjetlosnog vala.
Svjetlost kao elektromagnetski val.
Ukratko, svjetlost koju generiraju obični izvori svjetlosti je poput gomile ljudi koji se gužvaju u podzemnoj željeznici, stari su i mladi, muškarci i žene, nose različite boje da bi se vozili podzemnom željeznicom i ne hodaju tako brzo, neki su već dobili u vlaku, dok neki još pregledavaju karte.
To je dovelo do običnih izvora svjetlosti, iako je u životu rasvjete bilo dovoljno za korištenje, ali u području znanstvenih istraživanja, posebno proučavanja prirode svjetlosti, borbena moć je stvarno opća.
Konačno, 1917. godine pojavio se još jedan put do svjetlosti, odnosno Einstein je predložio teoriju stimuliranog zračenja.
Stimulirano zračenje.
Teorija pobuđenog zračenja znači reći, sada pretpostaviti da je prvo pobuđeno stanje na elektronu, kada je foton pogodio, a energija tog fotona točno jednaka prvom pobuđenom stanju i jazu između osnovnog stanja, onda ovaj put, prvo pobuđeno stanje na elektronu bit će u "iskušenju" da dovrši slučaj spontanog zračenja, emitirajući "identični" foton se oslobađa.
Zbog postojanja ovog "iskušanog fotona", ovaj proces nazivamo pobuđenim zračenjem.
Ako ima dovoljno visokoenergetskih elektrona, ovaj proces će se nastaviti, na kraju formirajući veliku grupu "zavedenih" fotona, ovaj proces ćemo nazvati proces pojačanja svjetlosti, najvažnije je da je faza i frekvencija tih fotona točno isti. Kao uredna i uredna vojska, i gore navedeno "stisnite podzemnu" spontano zračenje potpuno je drugačije.
Koliko je koraka potrebno za izradu lasera?
Prvi korak je inverzija broja čestica.
Uz teoriju pobuđenog zračenja, ljudi se pitaju kako upotrijebiti ovu teoriju za izgradnju izvora svjetlosti koji može emitirati urednu i urednu svjetlost.
Neki čitatelji mogu reći: "Zašto jednostavno ne uzmete svjetlo i prosvijetlite ga? Što je tako teško u vezi s tim?
Čitatelji koji imaju takve sumnje trebali bi obratiti pozornost na ranije spomenutu riječ "dovoljno" i ne zaboraviti naš fenomen uzbuđene apsorpcije.
Ako nema dovoljno elektrona na visokim energetskim razinama, broj pobuđenog zračenja je manji od broja pobuđene apsorpcije, kada snop svjetlosti udari, neće biti emitirano svjetlosno pojačanje, već će biti osnovno stanje pobuđene apsorpcije elektrona, što rezultira u gubitku svjetlosti.
Zapravo, u prirodnom slučaju, broj elektrona u osnovnom stanju mnogo je veći od broja pobuđenih elektrona, na sobnoj temperaturi, na primjer, dvoenergijski sustav (to jest, samo osnovno stanje i prvo pobuđeno stanje energetski sustav) broj elektrona u osnovnom stanju je oko 10 od 170 puta broj pobuđenih elektrona!
Dakle, da bismo upotrijebili princip pobuđenog zračenja za stvaranje izvora svjetlosti, prvi problem koji treba riješiti je povećati broj čestica na višim razinama energije od broja čestica na nižim razinama energije, to jest postići broj čestica inverzija.
Kako postići preokret broja čestica?
Osnovna ideja je pumpati čestice iz osnovnog stanja u stanje visoke energije, baš kao pumpa.
Ovo je lakše reći nego učiniti.
Čestice koje pumpaju vodu.
Drugi korak je izgradnja prethodnika.
Godine 1951. američki fizičar Towns smislio je kako postići inverziju broja čestica u molekuli amonijaka.
Molekula amonijaka je dvoenergetski sustav, te je u normalnim okolnostima nemoguće postići inverziju broja čestica, jer su vjerojatnost pobuđene apsorpcije i pobuđenog zračenja iste, a također i prisutnost spontanog zračenja, što dovodi do činjenice da broj čestica na višim energetskim razinama mora biti manji od broja čestica u osnovnom stanju.
Townsov pristup bio je genijalan, jer je koristio magnetsko polje za razlikovanje između osnovnog i pobuđenog stanja molekula amonijaka, izdvajajući pobuđene molekule amonijaka koje su bile smještene u mikrovalnu rezonantnu šupljinu, u kojoj je postignuto okretanje broja čestica.
Tri godine kasnije, koristeći ovu ideju, Towns je napravio prvi "MASER". Što je MASER?
MASER se naziva Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što u prijevodu znači "pojačanje mikrovalova stimuliranim zračenjem". Laser LASER se naziva pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, što u prijevodu znači "pojačanje svjetlosti stimuliranim zračenjem".
Gore smo spomenuli da je svjetlost elektromagnetski val, a mikrovalna pećnica drugi elektromagnetski val.
Elektromagnetski valovi mogu se klasificirati prema njihovoj frekvenciji, s mikrovalovima u rasponu od 300 MHz do 300 GHz, a vidljiva svjetlost u rasponu od 3,9 do 7,5 puta 10 na 14. potenciju Hz.
Iz naziva možemo vidjeti razliku između MASER-a i LAZER-a, uglavnom u razlici u radnim opsegima, MASER je samo jedan korak od LASER-a.
Gradovi i prvi MASER.
Treći korak je dovršiti tri glavne komponente lasera.
Uvođenje MASER-a riješilo je problem inverzije broja čestica. U samo tri godine ova je tehnologija napredovala velikim koracima i u ovom trenutku svi žele požuriti i napraviti korak dalje pretvarajući ovo mikrovalno pojačalo u optičko pojačalo i stvarajući taj izvor svjetlosti iz snova, laser.
Do sada smo bili u mogućnosti nejasno sažeti sastav lasera od tri glavne komponente:
Prva je potreba za postizanjem inverzije broja čestica tvari, poput molekula amonijaka, koje nazivamo sredstvom za dobivanje; druga je odgovarajuća metoda crpljenja, zovemo je pumpanje; treći je gore spomenuti Towns s rezonantnom šupljinom, o ulozi rezonantne šupljine ćemo govoriti kasnije.
Godine 1958. Towns i Shorro surađivali su na teoretskom radu koji je prvi put s teorijske točke gledišta predvidio izvedivost lasera. U ovom trenutku, sve je bilo spremno za Towns, osim vjetra!
16. svibnja 1960. Meyman je krenuo drugim putem i prvi je napravio prvi laser u ljudskoj povijesti.
Priča o tome kako je Meyman prvi stigao tamo je fascinantna priča s mnogo obrata. Ali usredotočimo se ovdje na njegov rubinski laser.
Shematski dijagram rubin lasera.
Ovaj laser vrlo jasno pokazuje tri glavne komponente lasera, možemo ih predstaviti redom.
Srednje pojačanje:
Sredstvo pojačanja koje je izabrao Meyman je rubin, a to je aluminijev trioksid dopiran kromom.
Shema troenergetskog sustava.
Ovaj medij pojačanja je sustav s tri energije, a ovaj sustav s tri energije za postizanje inverzije broja čestica mnogo je jednostavniji od prethodnog sustava s dvije razine. Postoje neke posebne značajke trorazinskog sustava rubina i možemo razumjeti kako postiže inverziju broja čestica svojim procesom pumpanja.
Prvo, čestice u osnovnom stanju transportiraju se izravno na energetsku razinu E3 odgovarajućom pobudom, a postoji proces skoka bez zračenja između energetskih razina E3 i E2, što znači da će čestice na E3 brzo trčati na E2 sudarima , a smanjena energija postaje energija toplinskog gibanja umjesto luminiscencije.
Osim toga, stanje E2 je substabilno, odnosno čestice koje padnu na energetsku razinu E3 mogu dugo ostati na energetskoj razini E2. Ovo je ekvivalentno korištenju razine energije E3 kao prijelaza za prijenos čestica iz osnovnog stanja u E2, i pustite da se proces nastavi, broj čestica u E2 premašit će broj čestica u osnovnom stanju, postižući broj čestica inverzija.
Zapravo, učinkovitost rubinskog lasera je vrlo niska, samo 0,1 posto, što je ograničeno medijem pojačanja, jer sustav s tri energije zahtijeva vrlo veliku energiju za pumpanje čestica osnovnog stanja u visokoenergetsko stanje. Osim toga, valna duljina ovog lasera je 694,3 nm, što je također određeno medijem pojačanja.
S razvojem lasera, vrste medija za pojačanje postupno su se povećavale, uključujući plin, krutinu, tekućinu, vlakna, poluvodiče itd., kao što je laserski pokazivač koji se obično koristi u učionici je poluvodički laser.
Ukratko, bez obzira koji medij pojačanja, on mora imati metodu koja može postići inverziju broja čestica.
Pumpanje:
Lampa pumpe prvog rubinskog lasera.
Najočitija značajka Meynmanovog lasera je da je njegov izvor pumpe spiralna ksenonska lampa, spiralni oblik osigurava da se rubinska šipka nalazi između lampi. Osim toga, ova lampa još uvijek koristi pulsirajuće svjetlo za pumpanje, što znači da svjetlo koje emitira nije kontinuirano, već u naletima. Ovo je najvažniji Meynmanov dizajn, tako da kontinuirano visokoenergetsko pumpajuće svjetlo ne oštećuje kristal.
Rezonantna šupljina:
Shematski prikaz rezonantne šupljine.
Na dva kraja rubinske trake, Meyman je postavio dva zrcala i iskopao malu rupu na desnoj strani kako bi svjetlost pobuđenog zračenja mogla putovati naprijed-nazad kroz medij za pojačanje kako bi "namamila" više fotona, a nakon što dosegne određenog intenziteta, lasersko svjetlo bi se emitiralo kroz malu rupu.
Čemu služi laser?
Mayman je održao konferenciju za novinare nakon izuma lasera, na kojoj je novinar postavio ovo pitanje, Mayman je dao 5 prijedloga: 1:
1. koristi se za pojačavanje svjetlosti, npr. kod izrade lasera velike snage koriste optička pojačala za pojačavanje slabije svjetlosti;
2. može koristiti lasere za proučavanje materije;
3. koristiti laserske zrake velike snage za svemirske komunikacije;
4. koristi se za povećanje broja kanala za komunikaciju (to je ono što je kasnije nastalo kao komunikacija optičkim vlaknima);
5. za fokusiranje snopa za proizvodnju ultra-visokog intenziteta svjetlosti za rezanje ili zavarivanje materijala u industriji, ili za izvođenje kirurgije u medicini, itd.
Moramo se diviti Mehmanovom oštrom znanstvenom osjećaju, a svi ovi prijedlozi koje je dao kasnije su ispunjeni.
Sjećate li se karakteristika fotona proizvedenih pobuđenim zračenjem?
Imaju istu frekvenciju i fazu, a laser je u biti pojačanje svjetlosti iz pobuđenog zračenja, pa su dvije najvažnije karakteristike lasera dobra monokromatičnost i velika energija. Ove dvije karakteristike određuju namjene lasera, a to su dva pravca razvoja lasera.
Dobra monokromatičnost znači da je laserski spektar vrlo uzak i lako može prikazati karakteristike svjetlosti kao vala, a zatim ga možemo koristiti za snimanje informacija o fazi.
Na primjer, holografska fototehnologija koju je izumio britanski fizičar Dennis Gerber 1947. u biti je korištenje faze svjetlosti za snimanje cijelog niza informacija o objektu, kako bi se proizveo učinak trodimenzionalne fotografije.
Holografske fotografije mogu zabilježiti ne samo frontalne informacije, već i bočne informacije.
Tek nakon izuma lasera ova je tehnologija postala dostupna i nagrađena je Nobelovom nagradom za fiziku 1971. godine.
Visoka energija je dobro poznata, možemo koristiti lasere za snimanje CD-ova, omogućiti nuklearnu fuziju, rezati materijale itd. Ne samo da možemo generirati kontinuirane visokoenergetske lasere, već također možemo dobiti visokoenergetske lasere s vrlo kratkim pulsom trajanja tehnikom zaključanog filma i chirp pojačanjem.
Dijagram generiranja impulsa tehnologijom zaključavanja filma.
Femtosekundni laseri sada su široko dostupni, a trajanje jednog impulsa je samo reda veličine femtosekundi (minus 15 sekundi od 10).
Ovim laserom možemo zadavati precizne udarce tvari bez nanošenja velike štete, kao što je operacija popravka kratkovidnosti, mijenjanje površine tvari, poboljšanje njezinih antiseptičkih svojstava itd.
