Mikä on Laser?

Koska Yhdysvallat kehitti menestyksekkäästi maailman ensimmäisen rubiinilaserin vuonna 1960 ja Kiina kehitti menestyksekkäästi myös ensimmäisen kotimaisen rubiinilaserin (syntyi Changchunin optiikan ja tarkkuuskoneiden instituutissa, Kiinan tiedeakatemia) vuonna 1961, lasertekniikkaa pidetään toisena 1900-luvulla kvanttifysiikan, radiotekniikan, atomienergiatekniikan ja puolijohdetekniikan jälkeen. Toinen suuri uusi tieteellinen ja teknologinen saavutus tietokonetekniikan jälkeen.

Nykyään meillä on kodeissamme lasereita CD- ja DVD-soittimiin, toimistoissamme lasertulostimia ja ostoskeskuksissa viivakoodiskannereita.Ihmiset käyttävät laseria likinäköisyyden hoitoon, sähköpostien lähettämiseen ja videoiden selaamiseen valokuituverkon kautta. Ymmärrämmekö sen tai ei, jokainen meistä käyttää laseria päivittäin, mutta kuinka moni todella ymmärtää mitä laser on ja miten se toimii?

Laser on eräänlainen valo, jota ei ole luonnossa ja joka säteilee virityksen seurauksena. Sillä on hyvä suuntaavuus, korkea kirkkaus, hyvä yksivärisyys ja hyvä koherenssi.

Laserin syntymekanismi voidaan jäljittää hypoteesiin, jonka Einstein esitti selittessään mustan kappaleen säteilylakia vuonna 1917, eli valon absorptio ja emissio voivat kulkea kolmen perusprosessin kautta: stimuloitu absorptio, stimuloitu säteily ja spontaani emissio. Kuten me kaikki tiedämme, minkä tahansa valonlähteen luminesenssi liittyy aineen hiukkasten liiketilaan. Kun hiukkanen (atomi, molekyyli tai ioni) alhaisella energiatasolla absorboi ulkoista energiaa (valoa) sopivalla taajuudella ja on innostunut siirtymään vastaavalle korkealle energiatasolle (stimuloitu absorptio), se yrittää aina siirtyä alemmalle energiatasolle ja vapauttaa ylimääräistä energiaa fotonien muodossa.

Jos valo vapautuu spontaanisti ilman ulkoisten fotonien vaikutusta (spontaani emissio), vapautuva valo on tavallista valoa (kuten sähkövalot, neonvalot jne.), jolle on ominaista valon taajuuden, suunnan ja vauhdin epäjohdonmukaisuus.

Jos ylimääräinen energia kuitenkin vapautuu fotonien muodossa (stimuloitu säteily) siirryttäessä korkean energian tasolta matalaenergiselle tasolle ulkoisten fotonien suoran vaikutuksen alaisena, vapautuneet fotonit ovat täysin yhdenmukaisia ulkoisten fotonien kanssa. taajuuden, vaiheen ja etenemissuunnan suhteen, mikä tarkoittaa, että ulkoista valoa on vahvistettu, jota kutsutaan valon vahvistukseksi.

Kuva: laserin generointimekanismi: (vasemmalla) stimuloitu absorptio, (keskellä) spontaani emissio, (oikealla) stimuloitu emissio

Laserin generoinnin on täytettävä kolme ehtoa: hiukkasten lukumäärän inversio, kaviteettipalaute ja kynnysehdon täyttyminen. Stimuloidun absorption ansiosta hiukkasten määrä korkealla energiatasolla on enemmän kuin alhaisella energiatasolla (hiukkasten lukumäärän inversio). On myös tarpeen tehdä rinnakkaiset heijastuspinnat, jotka voivat heijastaa fotoneja aktiivisen alueen molemmista päistä muodostamaan resonanssiontelon ja tehdä vahvistuksesta suurempi kuin häviö, eli uusien fotonien määrä samanaikaisesti on suurempi. kuin sironneiden absorboituneiden fotonien lukumäärä.Laser voidaan tuottaa vain, kun nämä kolme ehtoa täyttyvät.

Laserin ominaisuudet

Laser tunnetaan maagisena valona, koska sillä on neljä ominaisuutta, joita tavallisella valolla ei ole ollenkaan.

——Tavalliset valonlähteet (aurinko, hehkulamppu tai loistelamppu) lähettävät valoa kaikkiin suuntiin, ja laserin valon suunta voidaan rajoittaa alle muutaman milliradiaanin avaruuskulmaan, mikä lisää valaistusta säteilyn suunnassa kymmenellä miljoonaa kertaa.Laserin diffuusiohalkaisija on alle 1 metri 200 kilometriä kohden, jos se on 3,8 etäisyydellä maasta×Kun kuu on 105 km:n päässä, valonsäde leviää alle 2 km, kun tavallinen valonheitin leviää kymmeniä metrejä tuhansien metrien päässä.

1. Hyvä suuntaavuus

Laserkollimaatio, ohjaus ja etäisyysmittaus käyttävät hyvän suuntaavuuden ominaisuutta.

——Laser on nykyajan kirkkain valonlähde. Siihen voidaan verrata vain voimakasta välähdystä vetypommin räjähdyksen hetkellä. Auringon kirkkaus on noin 1,865 × 109 Cd / m2, ja suuritehoisen laserin ulostulokirkkaus voi olla 7 ~ 14 suuruusluokkaa suurempi kuin että auringonvalo.

2.Suuri kirkkaus

Vaikka laserin kokonaisenergia ei välttämättä ole suuri, on korkean energiapitoisuuden vuoksi helppo tuottaa korkeaa painetta ja korkeaa, kymmenien tuhansien Celsius-asteiden tai jopa miljoonien Celsius-asteiden lämpötilaa mikropisteessä. laserporauksessa, -leikkauksessa, hitsauksessa ja laserkirurgiassa hyödynnetään tätä ominaisuutta.

——Valo on sähkömagneettinen aalto.Valon väri riippuu sen aallonpituudesta.Tavallisten valonlähteiden lähettämässä valossa on yleensä eri aallonpituuksia, mikä on eri värien sekoitus.Auringonvalo sisältää näkyvää valoa seitsemässä värissä: punainen, keltainen, vihreä , vihreä, sininen ja violetti sekä näkymätön valo, kuten infrapunavalo ja ultraviolettivalo.

3. Hyvä yksivärisyys

Laserin aallonpituus keskittyy vain hyvin kapealle spektrikaistalle tai taajuusalueelle. Esimerkiksi He Ne -laserin aallonpituus on 632,8 nm ja sen aallonpituuden vaihtelualue on alle 1 / 10 000 nm. Laserin hyvä monokromaattisuus tarjoaa erittäin suotuisa keino tarkkuusinstrumentille joidenkin tieteellisten kokeiden, kuten kemiallisten reaktioiden, mittaamiseen ja stimuloimiseen.

—— Häiriö on aaltoilmiön ominaisuus. Korkean suuntaavuuden ja korkean monokromaattisuuden ominaisuuksien perusteella laser on väistämättä valo, jolla on erinomainen koherenssi. Tämä laserin ominaisuus tekee holografiasta todellisuutta.

4. Hyvä johdonmukaisuus

Laserin tyyppi

Valonlähteessä energiatason hiukkasluvun inversion toteutuminen on valovahvistuksen lähtökohta, eli laserituotannon edellytys. Toteuttaaksemme hiukkasluvun inversion, meidän on käytettävä ulkoisen valon voimaa suuren valon aikaansaamiseksi. hiukkasten määrä alhaisella energiatasolla hyppää korkealle energiatasolle. Tätä prosessia kutsutaan "viritykseksi".

Laser, jota yleensä kutsumme, on laite, joka virittää valonlähteen hiukkaset tuottamaan stimuloitua säteilysiirtymää, toteuttaa hiukkasten lukumäärän käänteisyyden ja tuottaa sitten valon vahvistusta stimuloidun säteilyn avulla. Vaikka lasereita on monenlaisia, niiden tehtävänä on saada lasereita virityksen ja stimuloidun säteilyn avulla. Siksi laser koostuu yleensä kolmesta osasta: aktivointiväliaine (eli työmateriaali, joka voi aiheuttaa hiukkasluvun inversion virityksen jälkeen), virityslaitteesta (eli energiasta, joka voi tehdä hiukkasen aktivointiväliaineen, pumppulähteen numeroinversio) ja optinen resonaattori (eli kaksi tasopeiliä, jotka voivat saada säteen värähtelemään toistuvasti ja vahvistumaan monta kertaa).

Kuva: laserin toimintaperiaate

Koska voimme virittää monia erilaisia atomeja monin eri tavoin, voimme (teoreettisesti) valmistaa monenlaisia lasereita.

Lasereita on monenlaisia, joista tunnetuimpia ovat kiinteä-, kaasu-, nestemäiset väri-, puolijohde- ja kuitulaserit. Kiinteäjohdelaser-väliaine on samanlainen kuin Ruby-sauva tai muut kiinteät kiteiset materiaalit, ja siihen kierretty salamaputki pumppaa. sen energeettiset atomit. Toimiakseen tehokkaasti kiinteiden aineiden on oltava seostettuja, mikä on prosessi, jossa jotkut atomit korvataan epäpuhtausioneilla, jotta niillä on sopiva energiataso laserin tuottamiseksi tietyllä taajuudella. Kiinteän olomuodon laserit tuottavat suuritehoisia säteitä, yleensä hyvin lyhyitä pulsseja. Sitä vastoin kaasulaserit käyttävät inerttiä kaasua (ns. eksimeerilaserit) tai hiilidioksidia (CO2) väliaineena jatkuvan kirkkaan valon tuottamiseksi.CO2-laserilla on tehokas toiminta ja korkea hyötysuhde. Sitä käytetään usein teollisessa leikkauksessa ja hitsauksessa. Nestemäiset väriainelaserit käyttävät orgaanisten väriainemolekyylien liuosta väliaineena. Suurin etu on, että niillä voidaan tuottaa leveämpää optista taajuuskaistaa kuin solid-state- ja kaasulasereilla, ja niitä voidaan jopa "virittää" tuottamaan erilaisia taajuuksia.

Aallonpituuden mukaan katettu aallonpituusalue sisältää kauko-infrapuna-, infrapuna-, näkyvän valon, ultravioletti- ja kauko-ultravioletin. Viime aikoina röntgenlaserit ja γ-röntgenlaitteet;

Erilaisten viritysmuotojen mukaan on olemassa valoviritys (valolähde- tai ultraviolettiviritys), kaasupurkausviritys, kemiallisen reaktion viritys, ydinreaktion viritys jne.;

Eri lähtötilojen mukaan on jatkuva, yksipulssi, jatkuva pulssi ja ultralyhyt pulssi jne.;

Lähtöteholla mitattuna jatkuva lähtöteho on niin pieni kuin mikrowattitaso ja jopa megawattitaso. Pulssin energiateho voi vaihdella mikrojoulesta yli 100 000 jouleen, ja pulssin leveys vaihtelee millisekunnista pikosekuntiin ja jopa femtosekuntia (1/1000 biljoonaa).

Erilaiset laserit täyttävät erilaiset sovellusvaatimukset. Esimerkiksi laserkäsittely ja jotkut sotilaslaserit vaativat suuritehoista laseria tai korkean energian laseria (ns. suuritehoinen laser).Jotkut toivovat lyhentääkseen pulssiaikaa mahdollisimman paljon osallistuakseen joidenkin pikaprosessien tutkimukseen. Jotkut asettavat myös korkeat vaatimukset valon monokromaattisuuden parantamiseksi, valon ulostulotavan parantamiseksi ja valon intensiteetin jakautumisen parantamiseksi. valopisteen ja vaativat säädettävän aallonpituuden.Nämä vaatimukset pakottavat lasertutkijat jatkamaan tutkimusta, jotta laserin tutkimussyvyys ja sovellusleveys ovat kehittyneet ennennäkemättömällä tavalla.

Kukoistavat lasersovellukset

Ns. laserteknologia on yleinen nimitys erilaisten laserintuotantomenetelmien tutkimiselle ja kehittämiselle sekä näiden laserin ominaisuuksien tutkimiselle ja soveltamiselle ihmiskunnan hyödyksi.

50 Vuosien varrella lasertekniikka ja -sovellukset ovat kehittyneet nopeasti, ja niitä on yhdistetty moniin tieteenaloihin muodostaen useita sovellusteknologian aloja, kuten valosähkötekniikka, laserlääketiede ja fotonibiologia, laserkäsittelytekniikka, laserilmaisu- ja -mittaustekniikka, laser holografinen tekniikka, laserspektrianalyysitekniikka, epälineaarinen optiikka, ultranopea lasertiede, laserkemia, kvanttioptiikka, lidar, laserohjaus, laser-isotooppierotus, laserohjattu ydinfuusio, laseraseet jne. Näiden ristikkäisten teknologioiden ja uusien tieteenalojen syntyminen on edisti suuresti perinteisten ja nousevien teollisuudenalojen kehitystä.

1. Laserin käyttö tietokentässä

Puolijohdelaser ja kuituvahvistin ovat kaksi avainteknologiaa valokuituviestinnässä.

Puolijohdelaserin lähettämällä laserilla ei ole vain hyvä monokromaattisuus ja koherenssi, vaan myös valoaallon taajuus on 10 000 kertaa suurempi kuin mikroaaltotaajuus. Siksi optisella kuituviestinnällä laserilla tiedonsiirron kantajana ja optisella kuidulla tiedonsiirtolinjana ei ole vain hyvä viestintälaatu, vahva häiriöntorjuntakyky ja hyvä luottamuksellisuus, vaan myös viestintäkapasiteetti on 10 000 kertaa suurempi kuin mikroaaltoviestintä.

Lasertekniikan käyttö optisessa tallennuksessa on mullistanut tiedon tallennuksen. CD-äänilevyn tallennustiheys vastaa 10 miljoonaa bittiä / cm2, ja sillä voidaan tallentaa 78 minuuttia musiikkiohjelmia, mikä on useita suuruusluokkia suurempi. CD-levyltä.

Kuva: CD- tai DVD-soittimen levyn laser ja linssi. Oikeassa alakulmassa oleva pieni ympyrä on puolijohdelaserdiodi, kun taas suurempi sininen ympyrä on linssi, joka lukee valoa sen jälkeen, kun laser on heijastunut soittimen sileältä pinnalta. optinen levy.

Lisäksi lasertulostin, laserfaksi, laservalokuvaus, lasersuuren näytön väritelevisio, optinen kuitukaapelitelevisio ja ilmakehän laserviestintä ovat olleet laajasti käytössä.

2. Laserin käyttö holografiassa

Aaltoilmiönä valolle on tunnusomaista aallonpituus (suhteessa väriin), amplitudi (suhteessa valon voimakkuuteen) ja vaihe (jotka edustavat aallon alkupisteen ja vertailuajan välistä suhdetta).

Ihmiset voivat tallentaa aallonpituuden ja amplitudin vain käyttämällä valoherkkää valokuvausmenetelmää, joten riippumatta siitä, kuinka realistista se on, kuvan katsominen eroaa aina todellisen kohtauksen katsomisesta.

Laserilla on korkea koherenssi ja se voi saada kaiken tiedon interferenssiaaltoavaruudesta, mukaan lukien vaiheen. Siksi laserholografiaa käyttämällä kaikki kuvatun kohteen tiedot tallennetaan negatiivifilmille ja todenmukainen kolmiulotteinen kuva valokuvatusta kohteesta voidaan saada toistetaan valon diffraktiolla.

Hologrammilla on kolmiulotteisen kuvantamisen ominaisuuksia ja se voidaan tallentaa toistuvasti, ja jokainen pieni holografinen negatiivi voi toistaa kohteen täydellisen kolmiulotteisen kuvan. Sitä voidaan käyttää laajasti tieteellisessä tutkimuksessa, kuten tarkkuusinterferometriassa, hajoamattomassa testauksessa, holografisessa fotoelastisuudessa, mikrovenymäanalyysissä ja värähtelyanalyysissä.

Niistä holografista interferometriaa on käytetty laajalti kaasun palamisprosessin, mekaanisten osien värähtelytilan, hunajakennorakenteen kiinnittymislaadun ja autonrenkaiden ihonalaisten vikojen tarkastuksessa. Lisäksi holografian käyttö anti- hyödykkeiden ja luottokorttien väärennösmerkki on muodostanut teollisuuden. Arvokkaiden taideteosten kuvaaminen holografialla ei vain saa ihmiset tuntemaan oloaan paikan päällä, vaan se tarjoaa myös luotettavan ja realistisen pohjan taideteosten korjaukselle. Kehittyvät holografiset televisiot tuovat myös uutta nautintoa ihmisten elämään.

3. Laserin käyttö lääketieteen alalla

Laserin käyttö lääketieteessä on jaettu kahteen luokkaan: laserdiagnostiikka ja laserhoito. Edellinen käyttää laseria tiedonvälittäjänä ja jälkimmäinen laseria energian välittäjänä.

Laserdiagnoosin näkökulmasta laser voi tunkeutua syvälle kudokseen diagnoosia varten, heijastaa suoraan kudoksen tilaa ja tarjota riittävän perustan lääkäreiden diagnoosille.

Laserterapiassa laserteknologiasta on tullut tehokas kliinisen hoidon väline ja avainteknologia lääketieteellisen diagnoosin kehittämisessä. Se ratkaisee monia vaikeita lääketieteen ongelmia, kuten laserkirurgian pieni viilto, vähän tai ei ollenkaan kudosvaurioita ja vähän myrkylliset ja sivuvaikutukset.Tällä hetkellä laserin kliinisiä sovellusalueita ovat likinäköisyyskorjaus, verkkokalvon korjaus, hampaiden reikiintymisen korjaus, molekyylivähittäin invasiivinen kirurgia jne. Tällä hetkellä laserlääketieteen erinomainen sovellustutkimus heijastuu pääasiassa seuraavista näkökohdista: Syövän fotodynaaminen hoito;Sydän- ja verisuonitautien laserhoito;Excimer-laserkeratoplastia;Laserkosmetologia;Laserkuituendoskopia;Laserlaparoskooppinen leikkaus;Laser-torakoskooppinen leikkaus;Laserartroskooppinen leikkaus;Laserlitotripsia;Laserkirurgia;Laserin käyttö anastomoosissa;Laserin käyttö suu- ja leukakirurgia ja hammaslääketiede;Heikko laserhoito jne. Tällä hetkellä laserhoito on pysynyt hyvänä jatkuva ja vahva kehitysvauhti monissa asioissa, kuten perustutkimuksessa, uuden teknologian kehittämisessä, uusien laitteiden kehittämisessä ja tuotannossa.

Kuva: laserin käyttö stomatologiassa

4. laserkäsittely

Laserin korkeaa intensiteettiä (kirkkautta) käyttämällä tarkennettu Laser-säde voi säteillä 100J valoenergiaa 1 ms:ssa, mikä riittää sulattamaan tai höyrystämään materiaalin lyhyessä ajassa, jotta voidaan käsitellä erilaisia materiaaleja, joilla on erilaiset ominaisuudet ja joita on vaikea käsitellä, kuten hitsaus, poraus, leikkaus, lämpökäsittely, litografia , jne.

Laserkäsittelyn etuna on korkea tarkkuus, pieni särö, kosketukseton ja energiansäästö. Sen sovellusalat voivat kattaa melkein koko koneiden valmistusteollisuuden, mukaan lukien kaivoskoneet, petrokemian teollisuus, sähkövoima, rautatie, auto, laivanrakennus, metallurgia, lääketieteelliset laitteet, ilmailu, työstökoneet, sähköntuotanto, painatus, pakkaaminen, muotit, lääketeollisuus ja muut teollisuudessa. Keskeisten osien ja tarkkuuslaitteiden kulumista ja korroosiota voidaan korjata ja optimoida laserpinnoitustekniikalla, josta on tullut tehokas työkalu korruption taikuuden muuttamiseksi.

5. tarkkuusmittaus

Tarkkuusmittauksessa hyödynnetään laserin hyvän monokromaattisuuden, vahvan koherenssin ja hyvän suuntaavuuden ominaisuuksia. Muihin etäisyysmittareihin verrattuna laseretäisyyden etuna on pitkä tunnistusetäisyys, korkea tarkkuus, häiriön esto, hyvä luottamuksellisuus, pieni tilavuus ja kevyt paino. etäisyysmittari lähettää optisen pulssin, joka heijastuu mitattuun kohteeseen, ja palaa sitten vastaanottavaan järjestelmään mittaamaan lähetyksen ja vastaanoton välistä aikaväliä.

Laserilla on sekä korkea kirkkaus että korkea koherenssi, minkä ansiosta valon Doppler-ilmiötä voidaan soveltaa nopeusmittauksiin.Lidar on tutkajärjestelmä, joka lähettää lasersädettä kohteen sijainnin, nopeuden ja muiden ominaisuuksien havaitsemiseen. Toimintaperiaatteella , lidar- ja mikroaaltotutkan välillä ei ole perustavaa laatua olevaa eroa: lähetä tunnistussignaali (lasersäde) kohteeseen ja vertaa sitten vastaanotettua signaalia, joka heijastuu kohteesta (kohdekaiku) lähetettyyn signaaliin. Asianmukaisen käsittelyn jälkeen voidaan saada tarvittavat tiedot kohteesta, kuten kohteen etäisyys, atsimuutti, korkeus, nopeus, asenne Tasainen muoto ja muut parametrit, jotta voidaan havaita, seurata ja tunnistaa lentokoneita, ohjuksia ja muita kohteita. Sillä on tärkeä rooli sotilaallisella alalla ja siitä on tullut tehokas ase ympäristön seurannassa.

Lisäksi gravitaatioaallon ilmaisussa käytetään laserinterferometriaa myös gravitaatioaallon suoraan havaitsemiseen keski- ja matalataajuuksilla sekä kaksoismustien aukkojen ja taivaankappaleiden yhteensulautumisesta syntyvän gravitaatioaallon säteilyn tarkkailuun maksimimassasuhteella. kuten muutkin kosmiset gravitaatioaallon säteilyprosessit.

Laser on yksi ihmiskunnan tärkeimmistä keksinnöistä 1900-luvulla. Sovellus lasertekniikkaa on laajalti tunkeutunut teollisuuden, maatalouden, armeijan, lääketieteen ja jopa yhteiskunnan kaikilla osa-alueilla. Sillä on yhä tärkeämpi rooli ihmisyhteiskunnan kehityksessä ja se muuttaa ihmeellisesti maailmaamme.