¿Qué es el láser?

Dado que Estados Unidos desarrolló con éxito el primer láser de rubí del mundo en 1960 y China también desarrolló con éxito el primer láser de rubí doméstico (nacido en el Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Changchun, Academia de Ciencias de China) en 1961, la tecnología láser se considera la segunda en el siglo XX, siguiendo la física cuántica, la tecnología de radio, la tecnología de energía atómica, la tecnología de semiconductores. Otro importante nuevo logro científico y tecnológico después de la tecnología informática.

Hoy en día, tenemos láseres para reproductores de CD y DVD en nuestros hogares, impresoras láser en nuestras oficinas y lectores de códigos de barras en los centros comerciales. La gente usa el láser para tratar la miopía, enviar correos electrónicos y ver videos a través de la red de fibra óptica. o no, cada uno de nosotros usa el láser todos los días, pero ¿cuántas personas realmente entienden qué es el láser y cómo funciona?

El láser es un tipo de luz que no existe en la naturaleza y se emite debido a la excitación. Tiene las características de buena directividad, alto brillo, buena monocromaticidad y buena coherencia.

El mecanismo de generación del láser se remonta a la hipótesis planteada por Einstein al explicar la ley de radiación del cuerpo negro en 1917, es decir, la absorción y emisión de luz puede pasar por tres procesos básicos: absorción estimulada, radiación estimulada y emisión espontánea. Como todos sabemos, la luminiscencia de cualquier tipo de fuente de luz está relacionada con el estado de movimiento de las partículas en la materia. Cuando una partícula (átomo, molécula o ion) a un nivel de energía bajo absorbe energía externa (luz) a una frecuencia apropiada y está excitado para hacer la transición al nivel de energía alto correspondiente (absorción estimulada), siempre intenta hacer la transición a un nivel de energía más bajo y liberar el exceso de energía en forma de fotones.

Si la luz se libera espontáneamente sin la acción de fotones externos (emisión espontánea), la luz liberada es luz ordinaria (como luces eléctricas, luces de neón, etc.), que se caracteriza por la inconsistencia de la frecuencia, la dirección y el ritmo de la luz.

Sin embargo, si el exceso de energía se libera en forma de fotones (radiación estimulada) durante la transición del nivel de alta energía al nivel de baja energía bajo la acción directa de fotones externos, los fotones liberados son completamente consistentes con los fotones externos incidentes en términos de frecuencia, fase y dirección de propagación, lo que significa que la luz externa se ha fortalecido, lo que se denomina amplificación de luz.

Figura: mecanismo de generación de láser: (izquierda) absorción estimulada, (medio) emisión espontánea, (derecha) emisión estimulada

La generación de láser debe cumplir tres condiciones: inversión del número de partículas, retroalimentación de la cavidad y cumplimiento de la condición de umbral. A través de la absorción estimulada, el número de partículas en el nivel de energía alto es mayor que en el nivel de energía bajo (inversión del número de partículas). También es necesario hacer superficies de reflexión paralelas que puedan reflejar fotones en ambos extremos de la región activa para formar una cavidad resonante, y hacer que la ganancia sea mayor que la pérdida, es decir, el número de fotones recién generados al mismo tiempo sea mayor. que el número de fotones absorbidos dispersados. Solo cuando se cumplen estas tres condiciones se puede producir láser.

Características del láser

El láser se conoce como luz mágica porque tiene cuatro características que la luz ordinaria no tiene en absoluto.

——Las fuentes de luz ordinarias (sol, lámpara incandescente o lámpara fluorescente) emiten luz en todas las direcciones, y la dirección luminosa del láser se puede limitar a un ángulo sólido de menos de unos pocos miliradianes, lo que aumenta la iluminación en la dirección de irradiación en diez millones de veces. El diámetro de difusión del láser es inferior a 1 metro cada 200 kilómetros, si alcanza 3,8 de distancia de la tierra × Cuando la luna está a 105 km de distancia, el haz de luz se propaga menos de 2 km, mientras que el reflector ordinario se propaga decenas de metros miles de metros de distancia.

1.buena directividad

La colimación láser, la guía y el rango utilizan la característica de buena directividad.

——El láser es la fuente de luz más brillante de los tiempos modernos. Solo se puede comparar el fuerte destello en el momento de la explosión de la bomba de hidrógeno. El brillo del sol es de aproximadamente 1.865 × 109Cd / m2, y el brillo de salida de un láser de alta potencia puede ser de 7 ~ 14 órdenes de magnitud más alto que el de la luz del sol.

2. Alto brillo

Aunque la energía total del láser no es necesariamente grande, debido a la alta concentración de energía, es fácil producir alta presión y alta temperatura de decenas de miles de grados Celsius o incluso millones de grados Celsius en un micropunto. Aplicaciones prácticas tales ya que la perforación con láser, el corte, la soldadura y la cirugía con láser hacen uso de esta característica.

——La luz es una onda electromagnética. El color de la luz depende de su longitud de onda. La luz emitida por fuentes de luz ordinarias generalmente contiene varias longitudes de onda, que es una mezcla de varios colores. La luz solar incluye luz visible en siete colores: rojo, amarillo, verde , verde, azul y violeta, así como luz invisible como la luz infrarroja y la luz ultravioleta.

3.Buena monocromaticidad

La longitud de onda de un láser solo se concentra en una banda espectral o rango de frecuencia muy estrecho. Por ejemplo, la longitud de onda del láser He Ne es de 632,8 nm y su rango de variación de longitud de onda es inferior a 1/10000 nm. La buena monocromaticidad del láser proporciona un medio muy favorable para que el instrumento de precisión mida y estimule algunos experimentos científicos como las reacciones químicas.

——La interferencia es un atributo del fenómeno de las ondas. Basado en las características de alta directividad y alta monocromaticidad, el láser seguramente será una luz con excelente coherencia. Esta característica del láser hace que la holografía sea una realidad.

4.Buena coherencia

tipo de láser

En la fuente de luz, la realización de la inversión del número de partículas del nivel de energía es la premisa de la amplificación de la luz, es decir, el requisito previo para la generación de láser. Para realizar la inversión del número de partículas, necesitamos usar el poder de la luz externa para hacer un gran cantidad de partículas en un nivel de energía bajo salta a un nivel de energía alto. Este proceso se llama "excitación".

El láser que solemos llamar es un dispositivo que excita las partículas en la fuente de luz para producir una transición de radiación estimulada, realiza la inversión del número de partículas y luego genera amplificación de luz a través de la radiación estimulada. Aunque hay muchos tipos de láseres, su misión es obtener láseres a través de la excitación y la radiación estimulada. Por lo tanto, el láser generalmente se compone de tres partes: el medio de activación (es decir, el material de trabajo que puede producir la inversión del número de partículas después de ser excitado), el dispositivo de excitación (es decir, la energía que puede hacer que la partícula inversión numérica del medio de activación, la fuente de bombeo) y el resonador óptico (es decir, los dos espejos planos que pueden hacer que el haz oscile repetidamente y se amplifique muchas veces).

Figura: principio de funcionamiento del láser.

Dado que podemos excitar muchos tipos diferentes de átomos de muchas maneras diferentes, podemos (teóricamente) hacer muchos tipos diferentes de láseres.

Hay muchos tipos de láseres, entre los cuales los más famosos son los láseres sólidos, gaseosos, de tintes líquidos, semiconductores y de fibra. El medio láser de estado sólido es similar a la varilla de rubí u otros materiales cristalinos sólidos, y el tubo de sus átomos energéticos. Para que funcionen de manera efectiva, los sólidos deben estar dopados, que es un proceso de reemplazo de algunos átomos con iones de impurezas para tener niveles de energía apropiados para producir un láser con cierta frecuencia precisa. Los láseres de estado sólido producen haces de alta potencia, generalmente pulsos muy cortos. En contraste, los láseres de gas usan gas inerte (los llamados láseres excimer) o dióxido de carbono (CO2) como medio para producir luz brillante continua. El láser de CO2 tiene una función poderosa y alta eficiencia. A menudo se usa en soldadura y corte industrial. Los láseres de colorante líquido utilizan la solución de moléculas de colorante orgánico como medio. La principal ventaja es que se pueden utilizar para producir una banda de frecuencia óptica más amplia que los láseres de gas y de estado sólido, e incluso se pueden "sintonizar" para producir diferentes frecuencias.

Según la longitud de onda, el rango de longitud de onda cubierto incluye infrarrojo lejano, infrarrojo, luz visible, ultravioleta y ultravioleta lejano. Recientemente, láseres de rayos X y aparatos de rayos X;

De acuerdo con los diferentes modos de excitación, hay excitación de luz (fuente de luz o excitación ultravioleta), excitación de descarga de gas, excitación de reacción química, excitación de reacción nuclear, etc.

De acuerdo con los diferentes modos de salida, hay continuo, pulso único, pulso continuo y pulso ultracorto, etc.

En términos de potencia de salida, la potencia de salida continua es tan pequeña como el nivel de microvatios y hasta el nivel de megavatios. La salida de energía del pulso puede variar desde microjulios hasta más de 100000 julios, y el ancho del pulso varía de milisegundos a picosegundos y incluso femtosegundo (1/1000 billones).

Varios láseres cumplen diferentes requisitos de aplicación. Por ejemplo, el procesamiento láser y algunos láseres militares requieren láser de alta potencia o láser de alta energía (los llamados láser de alta potencia).Algunos esperan acortar el tiempo de pulso tanto como sea posible para participar en la investigación de algunos procesos rápidos.Algunos también presentan altos requisitos para mejorar la monocromaticidad de la luz, mejorar el modo de salida de la luz, mejorar la distribución de la intensidad de la luz de punto de luz y que requieren una longitud de onda ajustable. Estos requisitos instan a los investigadores de láser a continuar explorando, de modo que la profundidad de exploración y la amplitud de aplicación del láser se hayan desarrollado sin precedentes.

Aplicaciones láser en auge

La llamada tecnología láser es el nombre general de la exploración y el desarrollo de varios métodos para generar láser y la exploración y aplicación de estas características del láser en beneficio de la humanidad.

50A lo largo de los años, la tecnología láser y sus aplicaciones se han desarrollado rápidamente y se han combinado con muchas disciplinas para formar una serie de campos tecnológicos de aplicación, como la tecnología fotoeléctrica, la medicina láser y la biología fotónica, la tecnología de procesamiento láser, la tecnología de medición y detección láser, la tecnología láser tecnología holográfica, tecnología de análisis espectral láser, óptica no lineal, ciencia láser ultrarrápida, química láser, óptica cuántica, lidar, guía láser, separación de isótopos láser, fusión nuclear controlada por láser, armas láser, etc. El surgimiento de estas tecnologías cruzadas y nuevas disciplinas ha promovió en gran medida el desarrollo de las industrias tradicionales y emergentes.

1.Aplicación de láser en campo de información.

El láser semiconductor y el amplificador de fibra son dos tecnologías clave de la comunicación por fibra óptica.

El láser emitido por el láser semiconductor no solo tiene buena monocromaticidad y coherencia, sino que también la frecuencia de la onda de luz es 10000 veces mayor que la frecuencia de microondas. Por lo tanto, la comunicación de fibra óptica con láser como portador de transmisión de información y fibra óptica como línea de transmisión de información no solo tiene una buena calidad de comunicación, una fuerte capacidad antiinterferencias y una buena confidencialidad, sino que también la capacidad de comunicación es 10000 veces mayor que la de comunicación por microondas.

El uso de la tecnología láser para el almacenamiento óptico ha revolucionado el almacenamiento de información. La densidad de grabación de un disco de audio CD es equivalente a 10 millones de bits/cm2 y puede grabar 78 minutos de programas musicales, que es varios órdenes de magnitud mayor que eso. de un disco compacto.

Imagen: láser y lente de un disco en un reproductor de CD o DVD. El círculo pequeño en la parte inferior derecha es un diodo láser semiconductor, mientras que el círculo azul más grande es una lente que lee la luz después de que el láser se refleja en la superficie lisa del disco óptico.

Además, la impresora láser, la máquina de fax láser, la fotocomposición láser, la televisión en color con pantalla grande láser, la televisión por cable de fibra óptica y la comunicación láser atmosférica han sido ampliamente utilizadas.

2.Aplicación de láser en holografía

Como fenómeno ondulatorio, la luz se caracteriza por la longitud de onda (relacionada con el color), la amplitud (relacionada con la intensidad de la luz) y la fase (que representa la relación entre el punto de inicio de la onda y el tiempo de referencia).

Las personas solo pueden registrar la longitud de onda y la amplitud utilizando el método de fotografía fotosensible, por lo que no importa cuán realista sea, mirar la imagen siempre es diferente de mirar la escena real.

El láser tiene una alta coherencia y puede obtener toda la información del espacio de ondas de interferencia, incluida la fase. Por lo tanto, al utilizar la holografía láser, toda la información del objeto fotografiado se registra en la película negativa y la imagen tridimensional realista del objeto fotografiado puede ser reproducida por difracción de la luz.

El holograma tiene las características de las imágenes tridimensionales y puede grabarse repetidamente, y cada pequeño negativo holográfico puede reproducir la imagen tridimensional completa del objeto. Puede ser ampliamente utilizado en la investigación científica, como la interferometría de precisión, las pruebas no destructivas, la fotoelasticidad holográfica, el análisis de microdeformación y el análisis de vibraciones.

Entre ellos, la interferometría holográfica se ha utilizado ampliamente para estudiar el proceso de combustión del gas, el modo de vibración de las piezas mecánicas, la calidad de unión de la estructura alveolar y la inspección de los defectos subcutáneos de los neumáticos de los automóviles. Además, el uso de la holografía como anti- la falsificación de marcas para mercancías y tarjetas de crédito ha formado una industria. Fotografiar valiosas obras de arte con holografía no solo hace que las personas se sientan en el lugar, sino que también brinda una base confiable y realista para la reparación de obras de arte. El televisor holográfico en desarrollo también agregará un nuevo disfrute a la vida de las personas.

3.Aplicación de láser en el campo médico.

La aplicación del láser en medicina se divide en dos categorías: diagnóstico láser y terapia láser. El primero toma el láser como portador de información y el segundo toma el láser como portador de energía.

En el aspecto del diagnóstico con láser, el láser puede penetrar profundamente en el tejido para el diagnóstico, reflejar directamente la condición del tejido y proporcionar una base suficiente para el diagnóstico de los médicos.

En la terapia con láser, la tecnología láser se ha convertido en un medio efectivo de tratamiento clínico y una tecnología clave para el desarrollo de diagnósticos médicos. Resuelve muchos problemas difíciles en medicina, como una pequeña incisión en la cirugía con láser, poco o ningún daño al tejido y pocos tóxicos y efectos secundarios. En la actualidad, los campos de aplicación clínica del láser incluyen la corrección de la miopía, la reparación de la retina, la reparación de la caries dental, la cirugía mínimamente invasiva molecular, etc. En la actualidad, la excelente investigación de aplicaciones de la medicina láser se refleja principalmente en los siguientes aspectos: terapia fotodinámica para el cáncer; tratamiento con láser de enfermedades cardiovasculares; queratoplastia con láser excimer; cosmetología con láser; endoscopia con fibra láser; cirugía laparoscópica con láser; cirugía toracoscópica con láser; cirugía artroscópica con láser; litotricia con láser; cirugía con láser; aplicación de láser en anastomosis; aplicación de láser en cirugía oral y maxilofacial y odontología; Terapia láser débil, etc. En la actualidad, la terapia láser ha mantenido un sus impulso de desarrollo sostenido y fuerte en muchos aspectos, como la investigación básica, el desarrollo de nuevas tecnologías, el desarrollo y la producción de nuevos equipos.

Figura: aplicación del láser en estomatología

procesamiento 4.laser

Usando la alta intensidad (brillo) del láser, el enfoque rayo laser puede emitir 100J de energía luminosa en 1 ms, que es suficiente para derretir o vaporizar el material en poco tiempo, para procesar los materiales con diferentes características que son difíciles de procesar, como soldadura, taladrado, corte, tratamiento térmico, litografía , etc

El procesamiento láser tiene las ventajas de alta precisión, pequeña distorsión, sin contacto y ahorro de energía. Sus campos de aplicación pueden cubrir casi toda la industria de fabricación de maquinaria, incluida la maquinaria minera, la industria petroquímica, la energía eléctrica, el ferrocarril, el automóvil, la construcción naval, la metalurgia, el equipo médico, la aviación, la máquina herramienta, la generación de energía, la impresión, el embalaje, el molde, la industria farmacéutica y otros. industrias. El desgaste y la corrosión de las piezas clave y los equipos de precisión se pueden reparar y optimizar mediante la tecnología de revestimiento láser, que se ha convertido en una poderosa herramienta para convertir la corrupción en magia.

5. Medición de precisión

La medición de precisión hace uso de las características de buena monocromaticidad láser, fuerte coherencia y buena directividad. En comparación con otros telémetros, el rango láser tiene las ventajas de una larga distancia de detección, alta precisión, antiinterferencias, buena confidencialidad, pequeño volumen y peso ligero. telémetro envía un pulso óptico, que se refleja en el objetivo medido, y luego regresa al sistema de recepción para medir el intervalo de tiempo entre la transmisión y la recepción.

El láser tiene un alto brillo y una alta coherencia, lo que hace que el efecto Doppler de la luz se pueda aplicar en la medición de la velocidad. Lidar es un sistema de radar que emite un rayo láser para detectar la posición, la velocidad y otras características del objetivo. En términos de principio de funcionamiento , no hay una diferencia fundamental entre lidar y radar de microondas: transmite la señal de detección (rayo láser) al objetivo y luego compara la señal recibida reflejada desde el objetivo (eco del objetivo) con la señal transmitida. Después del procesamiento adecuado, se puede obtener la información relevante del objetivo, como la distancia del objetivo, el acimut, la altitud, la velocidad, la forma de la actitud y otros parámetros, para detectar, rastrear e identificar aeronaves, misiles y otros objetivos. Juega un papel importante en el campo militar y se ha convertido en un arma poderosa para el monitoreo ambiental.

Además, la detección de ondas gravitacionales también utiliza interferometría láser para detectar directamente la onda gravitacional en la banda de frecuencia media y baja, y observar la radiación de onda gravitatoria generada por la fusión de agujeros negros dobles y cuerpos celestes con una relación de masa máxima, así como como otros procesos de radiación de ondas gravitacionales cósmicas.

El láser es uno de los inventos más importantes de la humanidad en el siglo XX. La aplicación de tecnología láser ha sido ampliamente penetrado en todos los aspectos de la industria, la agricultura, el ejército, la medicina e incluso la sociedad. Está jugando un papel cada vez más importante en el progreso de la sociedad humana y está cambiando milagrosamente nuestro mundo.