Was ist Laser?

Seit die Vereinigten Staaten 1960 erfolgreich den ersten Rubinlaser der Welt entwickelt haben und China 1961 auch den ersten einheimischen Rubinlaser (geboren am Changchun Institute of Optics and Precision Machinery, Chinese Academy of Sciences) erfolgreich entwickelt hat, gilt die Lasertechnologie als die zweite im 20. Jahrhundert nach Quantenphysik, Funktechnik, Atomenergietechnik, Halbleitertechnik. Eine weitere große neue wissenschaftliche und technologische Errungenschaft nach der Computertechnologie.

Heute haben wir Laser für CD- und DVD-Player in unseren Häusern, Laserdrucker in unseren Büros und Barcode-Scanner in Einkaufszentren. Menschen verwenden Laser, um Kurzsichtigkeit zu behandeln, E-Mails zu senden und Videos über ein Glasfasernetz zu durchsuchen. Ob wir es realisieren oder nicht, jeder von uns verwendet Laser jeden Tag, aber wie viele Menschen verstehen wirklich, was Laser ist und wie er funktioniert?

Laser ist eine Art Licht, das in der Natur nicht vorkommt und aufgrund von Anregung emittiert wird. Es hat die Eigenschaften einer guten Richtwirkung, einer hohen Helligkeit, einer guten Monochromatizität und einer guten Kohärenz.

Der Erzeugungsmechanismus des Lasers lässt sich auf die Hypothese zurückführen, die Einstein bei der Erklärung des Schwarzkörperstrahlungsgesetzes im Jahr 1917 aufgestellt hat, nämlich dass die Absorption und Emission von Licht drei grundlegende Prozesse durchlaufen kann: stimulierte Absorption, stimulierte Strahlung und spontane Emission. Wie wir alle wissen, hängt die Lumineszenz jeder Art von Lichtquelle mit dem Bewegungszustand von Partikeln in der Materie zusammen. Wenn ein Partikel (Atom, Molekül oder Ion) auf einem niedrigen Energieniveau externe Energie (Licht) mit einer geeigneten Frequenz absorbiert und zum Übergang auf das entsprechend hohe Energieniveau angeregt wird (stimulierte Absorption), versucht es immer, auf ein niedrigeres Energieniveau überzugehen und die überschüssige Energie in Form von Photonen freizusetzen.

Wenn Licht ohne Einwirkung externer Photonen spontan freigesetzt wird (spontane Emission), handelt es sich bei dem freigesetzten Licht um gewöhnliches Licht (z. B. elektrisches Licht, Neonlicht usw.), das durch die Inkonsistenz von Lichtfrequenz, -richtung und -geschwindigkeit gekennzeichnet ist.

Wenn jedoch die überschüssige Energie in Form von Photonen (stimulierte Strahlung) während des Übergangs vom Hochenergieniveau zum Niedrigenergieniveau unter direkter Einwirkung externer Photonen freigesetzt wird, stimmen die freigesetzten Photonen vollständig mit den externen einfallenden Photonen überein hinsichtlich Frequenz, Phase und Ausbreitungsrichtung, was bedeutet, dass das externe Licht verstärkt wurde, was als Lichtverstärkung bezeichnet wird.

Abbildung: Mechanismus der Lasererzeugung: (links) stimulierte Absorption, (Mitte) spontane Emission, (rechts) stimulierte Emission

Die Erzeugung des Lasers muss drei Bedingungen erfüllen: Partikelzahlinversion, Resonatorrückkopplung und Erfüllung der Schwellenbedingung. Durch stimulierte Absorption ist die Anzahl der Partikel auf dem hohen Energieniveau größer als die auf dem niedrigen Energieniveau (Partikelzahlinversion). Es ist auch notwendig, parallele Reflexionsflächen herzustellen, die Photonen an beiden Enden des aktiven Bereichs reflektieren können, um einen Resonanzhohlraum zu bilden, und die Verstärkung größer als den Verlust zu machen, d. h. die Anzahl der gleichzeitig neu erzeugten Photonen ist größer als die Anzahl der gestreuten absorbierten Photonen. Nur wenn diese drei Bedingungen erfüllt sind, kann Laser erzeugt werden.

Eigenschaften des Lasers

Laser ist als magisches Licht bekannt, weil er vier Eigenschaften hat, die gewöhnliches Licht überhaupt nicht hat.

——Gewöhnliche Lichtquellen (Sonne, Glühlampe oder Leuchtstofflampe) emittieren Licht in alle Richtungen, und die Lichtrichtung des Lasers kann auf einen Raumwinkel von weniger als einigen Milliradian begrenzt werden, was die Beleuchtung in der Strahlungsrichtung um zehn erhöht Millionen Mal. Der Diffusionsdurchmesser des Lasers beträgt alle 200 Kilometer weniger als 1 Meter, wenn er 3,8 von der Erde entfernt ist × Wenn der Mond 105 km entfernt ist, breitet sich der Lichtstrahl weniger als 2 km aus, während sich der gewöhnliche Suchscheinwerfer über mehrere zehn Meter ausbreitet Tausende Meter entfernt.

1.Gute Richtwirkung

Laserkollimation, Führung und Entfernungsmessung nutzen die Eigenschaft einer guten Richtwirkung.

——Laser ist die hellste Lichtquelle der heutigen Zeit. Nur der starke Blitz im Moment der Wasserstoffbombenexplosion kann damit verglichen werden. Die Helligkeit der Sonne beträgt etwa 1,865 × 109 Cd / m2, und die Ausgangshelligkeit eines Hochleistungslasers kann 7 bis 14 Größenordnungen höher sein als die des Sonnenlichts.

2.Hohe Helligkeit

Obwohl die Gesamtenergie des Lasers nicht unbedingt groß ist, ist es aufgrund der hohen Energiekonzentration einfach, hohen Druck und hohe Temperatur von Zehntausenden Grad Celsius oder sogar Millionen Grad Celsius an einem Mikropunkt zu erzeugen. Praktische Anwendungen wie z B. Laserbohren, Schneiden, Schweißen und Laserchirurgie, machen sich diese Eigenschaft zunutze.

——Licht ist eine elektromagnetische Welle. Die Farbe des Lichts hängt von seiner Wellenlänge ab. Das von gewöhnlichen Lichtquellen emittierte Licht enthält normalerweise verschiedene Wellenlängen, was eine Mischung verschiedener Farben darstellt. Sonnenlicht umfasst sichtbares Licht in sieben Farben: rot, gelb, grün , grün, blau und violett, sowie unsichtbares Licht wie infrarotes Licht und ultraviolettes Licht.

3.Gute Monochromatizität

Die Wellenlänge eines Lasers ist nur in einem sehr schmalen Spektralband oder Frequenzbereich konzentriert. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge eines He-Ne-Lasers 632,8 nm und sein Wellenlängenvariationsbereich weniger als 1 / 10000 nm. Die gute Monochromatizität des Lasers sorgt ein sehr günstiges Mittel für Präzisionsinstrumente, um einige wissenschaftliche Experimente wie chemische Reaktionen zu messen und zu stimulieren.

——Interferenz ist ein Attribut des Wellenphänomens. Basierend auf den Eigenschaften hoher Richtwirkung und hoher Monochromatizität ist Laser zwangsläufig ein Licht mit ausgezeichneter Kohärenz. Diese Eigenschaft des Lasers macht die Holographie Realität.

4. Gute Kohärenz

Art des Lasers

In der Lichtquelle ist die Realisierung der Umkehrung der Teilchenzahl des Energieniveaus die Voraussetzung für die Lichtverstärkung, dh die Voraussetzung für die Lasererzeugung. Um die Umkehrung der Teilchenzahl zu realisieren, müssen wir die Kraft des externen Lichts nutzen, um eine große zu machen Anzahl der Teilchen auf einem niedrigen Energieniveau springen auf ein hohes Energieniveau. Dieser Vorgang wird „Erregung“ genannt.

Der Laser, den wir normalerweise nennen, ist ein Gerät, das die Partikel in der Lichtquelle anregt, um einen stimulierten Strahlungsübergang zu erzeugen, die Umkehrung der Partikelzahl realisiert und dann eine Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlung erzeugt. Obwohl es viele Arten von Lasern gibt, ist ihre Aufgabe es erhalten Laser durch Anregung und stimulierte Strahlung. Daher besteht der Laser normalerweise aus drei Teilen: dem Aktivierungsmedium (dh dem Arbeitsmaterial, das nach der Anregung eine Teilchenzahlumkehr erzeugen kann), dem Anregungsgerät (dh der Energie, die das Teilchen erzeugen kann Zahlenumkehrung des Aktivierungsmediums, der Pumpquelle) und dem optischen Resonator (dh den beiden planaren Spiegeln, die den Strahl wiederholt zum Schwingen bringen und um ein Vielfaches verstärken können).

Abbildung: Arbeitsprinzip des Lasers

Da wir viele verschiedene Arten von Atomen auf viele verschiedene Arten anregen können, können wir (theoretisch) viele verschiedene Arten von Lasern herstellen.

Es gibt viele Arten von Lasern, von denen die bekanntesten Festkörper-, Gas-, Flüssigfarbstoff-, Halbleiter- und Faserlaser sind. Das Festkörperlasermedium ähnelt Rubinstäben oder anderen festen kristallinen Materialien, und die darauf gewickelte Blitzröhre pumpt seine energetischen Atome. Um effektiv zu arbeiten, müssen Festkörper dotiert werden, was ein Prozess ist, bei dem einige Atome durch Verunreinigungsionen ersetzt werden, um geeignete Energieniveaus zu haben, um einen Laser mit einer bestimmten genauen Frequenz zu erzeugen. Festkörperlaser erzeugen Hochleistungsstrahlen, normalerweise sehr kurze Impulse. Im Gegensatz dazu verwenden Gaslaser Edelgas (sogenannte Excimer-Laser) oder Kohlendioxid (CO2) als Medium, um kontinuierlich helles Licht zu erzeugen. CO2-Laser haben eine leistungsstarke Funktion und einen hohen Wirkungsgrad. Es wird häufig beim industriellen Schneiden und Schweißen eingesetzt. Flüssigfarbstofflaser verwenden die Lösung organischer Farbstoffmoleküle als Medium. Der Hauptvorteil besteht darin, dass sie verwendet werden können, um ein breiteres optisches Frequenzband als Festkörper- und Gaslaser zu erzeugen, und sogar „abgestimmt“ werden können, um unterschiedliche Frequenzen zu erzeugen.

Je nach Wellenlänge umfasst der abgedeckte Wellenlängenbereich fernes Infrarot, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett und fernes Ultraviolett. Kürzlich wurden Röntgenlaser und γ-Röntgengeräte;

Je nach Anregungsmodus gibt es Lichtanregung (Lichtquelle oder UV-Anregung), Gasentladungsanregung, Anregung durch chemische Reaktion, Anregung durch Kernreaktion usw.;

Je nach Ausgangsmodus gibt es Dauer-, Einzelimpuls, Dauerimpuls und ultrakurzen Impuls usw.;

In Bezug auf die Ausgangsleistung liegt die kontinuierliche Ausgangsleistung im Mikrowatt- und im Megawattbereich. Die Energieabgabe des Impulses kann von Mikrojoule bis über 100000 Joule reichen, und die Impulsbreite reicht von Millisekunde bis Pikosekunde und sogar Femtosekunde (1/1000 Billion).

Verschiedene Laser erfüllen unterschiedliche Anwendungsanforderungen. Beispielsweise erfordern die Laserbearbeitung und einige Militärlaser Hochleistungslaser oder Hochenergielaser (sog Hochleistungslaser).Einige hoffen, die Impulszeit so weit wie möglich zu verkürzen, um sich an der Erforschung einiger Expressprozesse zu beteiligen. Einige stellen auch hohe Anforderungen an die Verbesserung der Monochromatizität des Lichts, die Verbesserung des Modus des Ausgangslichts und die Verbesserung der Lichtintensitätsverteilung des Lichtflecks und erfordern eine einstellbare Wellenlänge. Diese Anforderungen drängen Laserforscher, weiter zu forschen, so dass die Erkundungstiefe und Anwendungsbreite des Lasers beispiellos entwickelt wurden.

Boomende Laseranwendungen

Die sogenannte Lasertechnologie ist die allgemeine Bezeichnung für die Erforschung und Entwicklung verschiedener Methoden zur Erzeugung von Laser und die Erforschung und Anwendung dieser Eigenschaften des Lasers zum Wohle der Menschheit.

50Im Laufe der Jahre haben sich die Lasertechnologie und -anwendungen rasant entwickelt und wurden mit vielen Disziplinen zu einer Reihe von anwendungstechnischen Feldern kombiniert, wie z holographische Technologie, Laserspektralanalysetechnologie, nichtlineare Optik, ultraschnelle Laserwissenschaft, Laserchemie, Quantenoptik, Lidar, Laserführung, Laserisotopentrennung, lasergesteuerte Kernfusion, Laserwaffen usw. Das Aufkommen dieser Cross-Technologien und neuer Disziplinen hat die Entwicklung traditioneller und aufstrebender Industrien stark gefördert.

1. Anwendung des Lasers im Informationsfeld

Halbleiterlaser und Faserverstärker sind zwei Schlüsseltechnologien der Glasfaserkommunikation.

Der von einem Halbleiterlaser emittierte Laser hat nicht nur eine gute Monochromatizität und Kohärenz, sondern auch die Lichtwellenfrequenz ist 10000-mal höher als die Mikrowellenfrequenz. Daher hat die Glasfaserkommunikation mit Laser als Träger der Informationsübertragung und Glasfaser als Informationsübertragungsleitung nicht nur eine gute Kommunikationsqualität, starke Entstörungsfähigkeit und gute Vertraulichkeit, sondern auch die Kommunikationskapazität ist 10000-mal höher als die von Mikrowellenkommunikation.

Die Verwendung von Lasertechnologie für die optische Speicherung hat die Speicherung von Informationen revolutioniert. Die Aufzeichnungsdichte einer CD-Audio-Disc entspricht 10 Millionen Bit / cm2 und kann 78 Minuten Musikprogramme aufnehmen, was mehrere Größenordnungen darüber liegt einer Compact Disc.

Bild: Laser und Linse einer Disc in einem CD- oder DVD-Player. Der kleine Kreis unten rechts ist eine Halbleiter-Laserdiode, während der größere blaue Kreis eine Linse ist, die Licht liest, nachdem der Laser von der glatten Oberfläche des optische Platte.

Darüber hinaus sind Laserdrucker, Laserfaxgeräte, Laser-Fotosatz, Laser-Großbildschirm-Farbfernsehen, optisches Faserkabelfernsehen und atmosphärische Laserkommunikation weit verbreitet.

2.Anwendung von Laser in der Holographie

Als Wellenphänomen wird Licht durch Wellenlänge (bezogen auf die Farbe), Amplitude (bezogen auf die Intensität des Lichts) und Phase (die das Verhältnis zwischen Wellenbeginn und Referenzzeit darstellt) charakterisiert.

Menschen können die Wellenlänge und Amplitude nur mit der Methode der lichtempfindlichen Fotografie aufzeichnen, so dass das Betrachten des Bildes, egal wie realistisch es ist, immer anders ist als das Betrachten der realen Szene.

Der Laser hat eine hohe Kohärenz und kann alle Informationen des Interferenzwellenraums einschließlich der Phase erhalten. Daher werden bei Verwendung der Laserholographie alle Informationen des fotografierten Objekts auf dem Negativfilm aufgezeichnet, und das lebensechte dreidimensionale Bild des fotografierten Objekts kann sein durch Lichtbeugung reproduziert.

Das Hologramm hat die Eigenschaften einer dreidimensionalen Abbildung und kann wiederholt aufgezeichnet werden, und jedes kleine holografische Negativ kann das vollständige dreidimensionale Bild des Objekts reproduzieren. Es kann in der wissenschaftlichen Forschung wie Präzisionsinterferometrie, zerstörungsfreie Prüfung, holografische Photoelastizität, Mikrodehnungsanalyse und Vibrationsanalyse weit verbreitet eingesetzt werden.

Unter anderem wurde die holografische Interferometrie häufig verwendet, um den Verbrennungsprozess von Gas, den Vibrationsmodus mechanischer Teile, die Verbindungsqualität von Wabenstrukturen und die Untersuchung subkutaner Defekte von Autoreifen zu untersuchen. Darüber hinaus wurde die Verwendung von Holografie als Anti- Die Fälschung von Zeichen für Waren und Kreditkarten hat eine Industrie gebildet. Kostbare Kunstwerke mit Holografie zu fotografieren vermittelt nicht nur das Gefühl, vor Ort zu sein, sondern bietet auch eine zuverlässige und realistische Grundlage für die Reparatur von Kunstwerken. Das sich entwickelnde holografische Fernsehen wird auch eine neue Freude in das Leben der Menschen bringen.

3. Anwendung des Lasers im medizinischen Bereich

Die Anwendung des Lasers in der Medizin wird in zwei Kategorien unterteilt: Laserdiagnose und Lasertherapie. Ersteres nimmt Laser als Informationsträger und letzteres Laser als Energieträger.

Im Hinblick auf die Laserdiagnostik kann der Laser zur Diagnose tief in das Gewebe eindringen, den Gewebezustand direkt widerspiegeln und eine ausreichende Grundlage für die ärztliche Diagnose liefern.

In der Lasertherapie hat sich die Lasertechnologie zu einem wirksamen Mittel der klinischen Behandlung und einer Schlüsseltechnologie für die Entwicklung der medizinischen Diagnose entwickelt. Sie löst viele schwierige Probleme in der Medizin, wie z. B. kleine Schnitte in der Laserchirurgie, geringe oder keine Gewebeschäden und wenige Toxizität und Nebenwirkungen. Zu den klinischen Anwendungsfeldern des Lasers gehören derzeit Myopiekorrektur, Netzhautreparatur, Kariesreparatur, molekulare minimalinvasive Chirurgie usw. Derzeit spiegelt sich die exzellente Anwendungsforschung der Lasermedizin hauptsächlich in folgenden Aspekten wider: photodynamische Therapie bei Krebs;Laserbehandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen;Excimer-Laser-Keratoplastik;Laser-Kosmetik;Laser-Faser-Endoskopie;Laser-laparoskopische Chirurgie;Laser-Thorakoskopie-Chirurgie;Laser-Arthroskopie-Chirurgie;Laser-Lithotripsie;Laser-Chirurgie;Anwendung von Laser bei Anastomose;Anwendung von Laser in Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie und Zahnheilkunde; Schwache Lasertherapie usw. Derzeit hat die Lasertherapie einen Sus aufrechterhalten erhaltene und starke Entwicklungsdynamik in vielen Aspekten, wie z. B. Grundlagenforschung, Entwicklung neuer Technologien, Entwicklung neuer Geräte und Produktion.

Abbildung: Anwendung des Lasers in der Stomatologie

4.Laserbearbeitung

Durch die hohe Intensität (Helligkeit) des Lasers wird fokussiert Laserstrahl kann innerhalb von 1 ms 100 J Lichtenergie emittieren, was ausreicht, um das Material in kurzer Zeit zu schmelzen oder zu verdampfen, um die Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu verarbeiten, die schwer zu verarbeiten sind, wie z. B. Schweißen, Bohren, Schneiden, Wärmebehandlung, Lithographie , etc.

Die Laserbearbeitung hat die Vorteile hoher Präzision, geringer Verzerrung, berührungslos und energiesparend. Seine Anwendungsbereiche können fast die gesamte Maschinenbauindustrie abdecken, einschließlich Bergbaumaschinen, petrochemische Industrie, elektrische Energie, Eisenbahn, Automobil, Schiffbau, Metallurgie, medizinische Ausrüstung, Luftfahrt, Werkzeugmaschinen, Energieerzeugung, Druck, Verpackung, Formenbau, Pharmazie und andere Industrien. Der Verschleiß und die Korrosion von Schlüsselteilen und Präzisionsgeräten können durch die Laserbeschichtungstechnologie repariert und optimiert werden, die zu einem leistungsstarken Werkzeug geworden ist, um Korruption in Magie zu verwandeln.

5.Präzisionsmessung

Die Präzisionsmessung nutzt die Eigenschaften einer guten Laser-Monochromatizität, einer starken Kohärenz und einer guten Richtwirkung. Im Vergleich zu anderen Entfernungsmessern bietet die Laser-Entfernungsmessung die Vorteile einer langen Erfassungsreichweite, einer hohen Präzision, einer Entstörung, einer guten Vertraulichkeit, eines geringen Volumens und eines geringen Gewichts Der Entfernungsmesser sendet einen optischen Impuls aus, der vom gemessenen Ziel reflektiert wird, und kehrt dann zum Empfangssystem zurück, um das Zeitintervall zwischen Übertragung und Empfang zu messen.

Laser hat sowohl eine hohe Helligkeit als auch eine hohe Kohärenz, wodurch der Doppler-Effekt von Licht bei der Geschwindigkeitsmessung angewendet werden kann. Lidar ist ein Radarsystem, das einen Laserstrahl aussendet, um die Position, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften des Ziels zu erfassen. In Bezug auf das Arbeitsprinzip , gibt es keinen grundlegenden Unterschied zwischen Lidar- und Mikrowellenradar: Senden Sie das Detektionssignal (Laserstrahl) zum Ziel und vergleichen Sie dann das vom Ziel reflektierte empfangene Signal (Zielecho) mit dem gesendeten Signal. Nach der richtigen Verarbeitung können die relevanten Informationen des Ziels erhalten werden, wie z. B. Zielentfernung, Azimut, Höhe, Geschwindigkeit, Lage, sogar Form und andere Parameter, um Flugzeuge, Raketen und andere Ziele zu erkennen, zu verfolgen und zu identifizieren. Es spielt eine wichtige Rolle im militärischen Bereich und ist zu einer mächtigen Waffe für die Umweltüberwachung geworden.

Darüber hinaus verwendet die Erkennung von Gravitationswellen auch Laserinterferometrie, um die Gravitationswelle im mittleren und niedrigen Frequenzband direkt zu erkennen und die durch die Verschmelzung von doppelten Schwarzen Löchern und Himmelskörpern mit maximalem Massenverhältnis erzeugte Gravitationswellenstrahlung zu beobachten wie andere kosmische Gravitationswellenstrahlungsprozesse.

Der Laser ist eine der wichtigsten Erfindungen der Menschheit im 20. Jahrhundert. Die Anwendung von Lasertechnologie ist weit in alle Aspekte der Industrie, der Landwirtschaft, des Militärs, der Medizin und sogar der Gesellschaft eingedrungen. Es spielt eine immer wichtigere Rolle im Fortschritt der menschlichen Gesellschaft und verändert auf wundersame Weise unsere Welt.