Wat is laseren?

Sinds de Verenigde Staten in 1960 met succes de eerste robijnlaser ter wereld hebben ontwikkeld en China in 1961 ook met succes de eerste binnenlandse robijnlaser heeft ontwikkeld (geboren in het Changchun Instituut voor Optica en precisiemachines, Chinese Academie van Wetenschappen), wordt lasertechnologie als de tweede in de 20e eeuw, na kwantumfysica, radiotechnologie, atoomenergietechnologie, halfgeleidertechnologie. Nog een belangrijke nieuwe wetenschappelijke en technologische prestatie na computertechnologie.

Tegenwoordig hebben we lasers voor cd- en dvd-spelers in onze huizen, laserprinters in onze kantoren en barcodescanners in winkelcentra. Mensen gebruiken laser om bijziendheid te behandelen, e-mail te verzenden en door video's te bladeren via het glasvezelnetwerk. Of we het ons realiseren of niet, ieder van ons gebruikt laser elke dag, maar hoeveel mensen begrijpen echt wat laser is en hoe het werkt?

Laser is een soort licht dat niet in de natuur voorkomt en wordt uitgezonden door excitatie. Het heeft de kenmerken van goede directiviteit, hoge helderheid, goede monochromaticiteit en goede coherentie.

Het generatiemechanisme van laser kan worden herleid tot de hypothese die Einstein naar voren bracht bij het uitleggen van de stralingswet van het zwarte lichaam in 1917, dat wil zeggen dat de absorptie en emissie van licht drie basisprocessen kan doorlopen: gestimuleerde absorptie, gestimuleerde straling en spontane emissie. Zoals we allemaal weten, is de luminescentie van elke soort lichtbron gerelateerd aan de bewegingstoestand van deeltjes in materie. Wanneer een deeltje (atoom, molecuul of ion) op een laag energieniveau externe energie (licht) absorbeert met een geschikte frequentie en is opgewonden om over te gaan naar het overeenkomstige hoge energieniveau (gestimuleerde absorptie), het probeert altijd over te gaan naar een lager energieniveau en de overtollige energie in de vorm van fotonen vrij te geven.

Als licht spontaan vrijkomt zonder de inwerking van externe fotonen (spontane emissie), is het vrijgekomen licht gewoon licht (zoals elektrisch licht, neonlicht, enz.), dat wordt gekenmerkt door de inconsistentie van lichtfrequentie, -richting en -tempo.

Als de overtollige energie echter vrijkomt in de vorm van fotonen (gestimuleerde straling) tijdens de overgang van hoog energieniveau naar laag energieniveau onder directe inwerking van externe fotonen, zijn de vrijkomende fotonen volledig consistent met de extern invallende fotonen in termen van frequentie, fase en voortplantingsrichting, wat betekent dat het externe licht is versterkt, wat lichtversterking wordt genoemd.

Figuur: lasergeneratiemechanisme: (links) gestimuleerde absorptie, (middelste) spontane emissie, (rechts) gestimuleerde emissie

Het genereren van laser moet aan drie voorwaarden voldoen: deeltjesaantalinversie, holtefeedback en voldoen aan de drempelvoorwaarde. Door gestimuleerde absorptie is het aantal deeltjes op het hoge energieniveau groter dan dat op het lage energieniveau (deeltjesaantalinversie). Het is ook nodig om parallelle reflectieoppervlakken te maken die fotonen aan beide uiteinden van het actieve gebied kunnen reflecteren om een resonantieholte te vormen, en de winst groter te maken dan het verlies, dat wil zeggen dat het aantal nieuw gegenereerde fotonen tegelijkertijd groter is dan het aantal verstrooide geabsorbeerde fotonen. Alleen wanneer aan deze drie voorwaarden is voldaan, kan laser worden geproduceerd.

Kenmerken van laser

Laser staat bekend als magisch licht omdat het vier eigenschappen heeft die gewoon licht helemaal niet heeft.

——Gewone lichtbronnen (zon, gloeilamp of fluorescentielamp) zenden licht uit in alle richtingen, en de lichtrichting van de laser kan worden beperkt tot een ruimtehoek van minder dan enkele milliradialen, waardoor de verlichting in de stralingsrichting met tien toeneemt miljoen keer. De diffusiediameter van de laser is minder dan 1 meter om de 200 kilometer, als deze 3,8 van de aarde verwijderd is × Wanneer de maan 105 km verwijderd is, spreidt de lichtstraal zich minder dan 2 km uit, terwijl het gewone zoeklicht tientallen meters uitspreidt duizenden meters afstand.

1.Goede gerichtheid:

Lasercollimatie, geleiding en bereik gebruiken het kenmerk van goede gerichtheid.

——Laser is de helderste lichtbron in de moderne tijd. Alleen de sterke flits op het moment van de explosie van een waterstofbom kan ermee worden vergeleken. De helderheid van de zon is ongeveer 1.865 × 109 Cd / m2, en de helderheid van de output van een krachtige laser kan 7 ~ 14 orden van grootte hoger zijn dan die van zonlicht.

2.Hoge helderheid

Hoewel de totale energie van laser niet noodzakelijk groot is, is het vanwege de hoge energieconcentratie gemakkelijk om hoge druk en hoge temperaturen van tienduizenden graden Celsius of zelfs miljoenen graden Celsius op een micropunt te produceren. Praktische toepassingen zoals zoals laserboren, snijden, lassen en laserchirurgie maken gebruik van deze eigenschap.

——Licht is een elektromagnetische golf. De kleur van licht hangt af van de golflengte ervan. Het licht dat door gewone lichtbronnen wordt uitgestraald, bevat meestal verschillende golflengten, wat een mengsel is van verschillende kleuren. Zonlicht omvat zichtbaar licht in zeven kleuren: rood, geel, groen , groen, blauw en paars, maar ook onzichtbaar licht zoals infrarood licht en ultraviolet licht.

3.Goede monochromaticiteit

De golflengte van een laser is alleen geconcentreerd in een zeer smalle spectrale band of frequentiebereik. De golflengte van He Ne-laser is bijvoorbeeld 632,8 nm en het golflengtevariatiebereik is minder dan 1/10000 nm. De goede monochromaticiteit van laser biedt een zeer gunstig middel voor precisie-instrument om enkele wetenschappelijke experimenten zoals chemische reacties te meten en te stimuleren.

——Interferentie is een attribuut van golffenomeen. Gebaseerd op de kenmerken van hoge gerichtheid en hoge monochromaticiteit, is laser ongetwijfeld een licht met uitstekende coherentie. Dit kenmerk van laser maakt holografie een realiteit.

4.Goede samenhang

Type laser

In de lichtbron is de realisatie van deeltjesaantalinversie op energieniveau het uitgangspunt van lichtversterking, dat wil zeggen, de voorwaarde voor lasergeneratie. Om de inversie van het deeltjesaantal te realiseren, moeten we de kracht van extern licht gebruiken om een grote aantal deeltjes met een laag energieniveau springt naar een hoog energieniveau. Dit proces wordt "excitatie" genoemd.

De laser die we gewoonlijk noemen, is een apparaat dat de deeltjes in de lichtbron exciteert om een gestimuleerde stralingsovergang te produceren, de inversie van het deeltjesaantal realiseert en vervolgens lichtversterking genereert door middel van gestimuleerde straling. Hoewel er veel soorten lasers zijn, is hun missie om verkrijg lasers door middel van excitatie en gestimuleerde straling. Daarom is de laser meestal samengesteld uit drie delen: het activeringsmedium (dwz het werkmateriaal dat deeltjesaantalinversie kan produceren nadat het is geëxciteerd), het excitatieapparaat (dwz de energie die het deeltje kan maken nummerinversie van het activeringsmedium, de pompbron) en de optische resonator (dwz de twee vlakke spiegels die de bundel herhaaldelijk kunnen laten oscilleren en vele malen versterken).

Figuur: werkingsprincipe van laser

Omdat we veel verschillende soorten atomen op veel verschillende manieren kunnen aanslaan, kunnen we (theoretisch) veel verschillende soorten lasers maken.

Er zijn veel soorten lasers, waaronder de meest bekende vaste, gas-, vloeibare kleurstoffen, halfgeleider- en vezellasers. Het lasermedium in vaste toestand is vergelijkbaar met Ruby-staaf of andere vaste kristallijne materialen, en de flitsbuis die erop is gewikkeld, pompt zijn energetische atomen. Om effectief te werken, moeten vaste stoffen worden gedoteerd, wat een proces is waarbij sommige atomen worden vervangen door onzuivere ionen om geschikte energieniveaus te hebben om een laser te produceren met een bepaalde nauwkeurige frequentie. Solid-state lasers produceren krachtige stralen, meestal zeer korte pulsen. Gaslasers daarentegen gebruiken inert gas (zogenaamde excimerlasers) of koolstofdioxide (CO2) als medium om continu helder licht te produceren. CO2-laser heeft een krachtige functie en een hoog rendement. Het wordt vaak gebruikt bij industrieel snijden en lassen. Vloeibare kleurstoflasers gebruiken de oplossing van organische kleurstofmoleculen als medium. Het belangrijkste voordeel is dat ze kunnen worden gebruikt om een bredere optische frequentieband te produceren dan vastestof- en gaslasers, en zelfs kunnen worden "afgestemd" om verschillende frequenties te produceren.

Afhankelijk van de golflengte omvat het bestreken golflengtebereik ver-infrarood, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet en ver-ultraviolet. Onlangs hebben röntgenlasers en röntgenapparatuur;

Volgens verschillende excitatiemodi zijn er lichtexcitatie (lichtbron of ultraviolette excitatie), gasontladingsexcitatie, chemische reactie-excitatie, nucleaire reactie-excitatie, enz.;

Volgens verschillende uitgangsmodi zijn er continue, enkele puls, continue puls en ultrakorte puls, enz.;

In termen van uitgangsvermogen is het continue uitgangsvermogen zo klein als micro-watt-niveau en tot megawatt-niveau. De energie-output van de puls kan variëren van micro-joule tot meer dan 100000 joule, en de pulsbreedte varieert van milliseconde tot picoseconde en zelfs femtoseconde (1 / 1000 biljoen).

Verschillende lasers voldoen aan verschillende toepassingsvereisten. Laserverwerking en sommige militaire lasers vereisen bijvoorbeeld een krachtige laser of een laser met hoge energie (zogenaamde krachtige laser). Sommigen hopen de pulstijd zo veel mogelijk te verkorten om deel te nemen aan het onderzoek van sommige expressprocessen. Sommigen stellen ook hoge eisen aan het verbeteren van de monochromaticiteit van licht, het verbeteren van de modus van outputlicht, het verbeteren van de lichtintensiteitsverdeling van lichtvlek en die aanpasbare golflengte vereisen. Deze vereisten sporen laseronderzoekers aan om te blijven onderzoeken, zodat de exploratiediepte en de toepassingsbreedte van laser ongekend zijn ontwikkeld.

Booming lasertoepassingen

De zogenaamde lasertechnologie is de algemene naam voor het verkennen en ontwikkelen van verschillende methoden voor het genereren van laser en het verkennen en toepassen van deze kenmerken van laser ten behoeve van de mensheid.

50In de loop der jaren hebben lasertechnologie en -toepassingen zich snel ontwikkeld en zijn ze gecombineerd met vele disciplines om een aantal toepassingstechnologiegebieden te vormen, zoals foto-elektrische technologie, lasergeneeskunde en fotonbiologie, laserverwerkingstechnologie, laserdetectie- en meettechnologie, laser holografische technologie, laserspectrale analysetechnologie, niet-lineaire optica, ultrasnelle laserwetenschap, laserchemie, kwantumoptica, lidar, lasergeleiding, laserisotoopscheiding, lasergestuurde kernfusie, laserwapens, enz. De opkomst van deze kruistechnologieën en nieuwe disciplines heeft sterk bevorderde de ontwikkeling van traditionele en opkomende industrieën.

1. Toepassing van laser in informatieveld:

Halfgeleiderlaser en vezelversterker zijn twee sleuteltechnologieën van optische vezelcommunicatie.

De laser uitgezonden door halfgeleiderlaser heeft niet alleen een goede monochromaticiteit en coherentie, maar ook is de lichtgolffrequentie 10000 keer hoger dan de microgolffrequentie. Daarom heeft de optische vezelcommunicatie met laser als de drager van informatietransmissie en optische vezel als de informatietransmissielijn niet alleen een goede communicatiekwaliteit, een sterk anti-interferentievermogen en een goede vertrouwelijkheid, maar ook is de communicatiecapaciteit 10000 keer hoger dan die van microgolf communicatie.

Het gebruik van lasertechnologie voor optische opslag heeft een revolutie teweeggebracht in de opslag van informatie. De opnamedichtheid van een audio-cd is gelijk aan 10 miljoen bit/cm2 en kan 78 minuten aan muziekprogramma's opnemen, wat meerdere orden van grootte groter is dan dat. van een compact disc.

Afbeelding: laser en lens van een schijf in een cd- of dvd-speler. De kleine cirkel rechtsonder is een halfgeleiderlaserdiode, terwijl de grotere blauwe cirkel een lens is die licht leest nadat de laser is gereflecteerd door het gladde oppervlak van de optische schijf.

Bovendien zijn laserprinters, laserfaxmachines, laser Phototypesetting, laser-tv met groot scherm, optische vezelkabel-tv en atmosferische lasercommunicatie op grote schaal gebruikt.

2. Toepassing van laser in holografie:

Als golffenomeen wordt licht gekenmerkt door golflengte (gerelateerd aan kleur), amplitude (gerelateerd aan de intensiteit van licht) en fase (die de relatie tussen het beginpunt van de golf en de referentietijd vertegenwoordigt).

Mensen kunnen de golflengte en amplitude alleen vastleggen met behulp van de lichtgevoelige fotografiemethode, dus hoe realistisch het ook is, naar de foto kijken is altijd anders dan naar de echte scène.

Laser heeft een hoge coherentie en kan alle informatie van de interferentiegolfruimte inclusief fase verkrijgen. Daarom wordt met behulp van laserholografie alle informatie van het gefotografeerde object op de negatieve film vastgelegd en kan het levensechte driedimensionale beeld van het gefotografeerde object worden gereproduceerd door lichtdiffractie.

Hologram heeft de kenmerken van driedimensionale beeldvorming en kan herhaaldelijk worden opgenomen, en elk klein holografisch negatief kan het volledige driedimensionale beeld van het object reproduceren. Het kan veel worden gebruikt in wetenschappelijk onderzoek, zoals precisie-interferometrie, niet-destructieve testen, holografische foto-elasticiteit, micro-rekanalyse en trillingsanalyse.

Onder hen is holografische interferometrie op grote schaal gebruikt om het verbrandingsproces van gas, de vibratiemodus van mechanische onderdelen, de hechtkwaliteit van de honingraatstructuur en de inspectie van onderhuidse defecten van autobanden te bestuderen. Bovendien is het gebruik van holografie als een anti- valsemunterij voor goederen en creditcards heeft een industrie gevormd. Het fotograferen van kostbare kunstwerken met holografie zorgt er niet alleen voor dat mensen zich ter plekke voelen, maar biedt ook een betrouwbare en realistische basis voor het repareren van kunstwerken. Ook de in ontwikkeling zijnde holografische tv zal een nieuw plezier toevoegen aan het leven van mensen.

3. Toepassing van laser op medisch gebied:

De toepassing van laser in de geneeskunde is onderverdeeld in twee categorieën: laserdiagnose en lasertherapie. De eerste neemt laser als informatiedrager en de laatste neemt laser als energiedrager.

In het aspect van laserdiagnose kan de laser diep in het weefsel doordringen voor diagnose, de weefselconditie direct weerspiegelen en een voldoende basis bieden voor de diagnose van artsen.

Bij lasertherapie is lasertechnologie een effectief middel geworden voor klinische behandeling en een sleuteltechnologie voor de ontwikkeling van medische diagnoses. Het lost veel moeilijke problemen in de geneeskunde op, zoals kleine incisies bij laserchirurgie, weinig of geen schade aan weefsel en weinig toxisch en bijwerkingen. Momenteel omvatten de klinische toepassingsgebieden van laser bijziendheidcorrectie, retinale reparatie, tandbederfreparatie, moleculaire minimaal invasieve chirurgie, enz. Op dit moment wordt het uitstekende toepassingsonderzoek van lasergeneeskunde voornamelijk weerspiegeld in de volgende aspecten: fotodynamische therapie voor kanker;Laserbehandeling van hart- en vaatziekten;Excimerlaserkeratoplastiek;Lasercosmetica;Laservezelendoscopie;Laserlaparoscopische chirurgie;Laserthoracoscopische chirurgie;Artroscopische laserchirurgie;Laserlithotripsie;Laserchirurgie;Toepassing van laser in anastomose;Toepassing van laser in orale en maxillofaciale chirurgie en tandheelkunde; Zwakke lasertherapie, enz. Op dit moment heeft lasertherapie een sus behouden vastgehouden en sterk ontwikkelingsmomentum in vele aspecten, zoals fundamenteel onderzoek, ontwikkeling van nieuwe technologie, ontwikkeling en productie van nieuwe apparatuur.

Figuur: toepassing van laser in de stomatologie

4.laserverwerking

Met behulp van de hoge intensiteit (helderheid) van de laser, de gerichte laserstraal kan binnen 1 ms 100J lichtenergie afgeven, wat voldoende is om het materiaal in korte tijd te smelten of te verdampen, om de materialen met verschillende moeilijk te verwerken eigenschappen te verwerken, zoals lassen, boren, snijden, warmtebehandeling, lithografie , enzovoort.

Laserverwerking heeft de voordelen van hoge precisie, kleine vervorming, contactloos en energiebesparing. De toepassingsgebieden kunnen bijna de hele machinebouwindustrie bestrijken, inclusief mijnbouwmachines, petrochemische industrie, elektrische energie, spoorwegen, auto's, scheepsbouw, metallurgie, medische apparatuur, luchtvaart, werktuigmachines, stroomopwekking, drukwerk, verpakkingen, schimmels, farmaceutica en andere industrieën. De slijtage en corrosie van belangrijke onderdelen en precisieapparatuur kan worden gerepareerd en geoptimaliseerd door lasercladtechnologie, die een krachtig hulpmiddel is geworden om corruptie in magie om te zetten.

5.precisiemeting:

Precisiemeting maakt gebruik van de kenmerken van goede lasermonochromaticiteit, sterke coherentie en goede directiviteit. In vergelijking met andere afstandsmeters heeft laserbereik de voordelen van een lange detectieafstand, hoge precisie, anti-interferentie, goede vertrouwelijkheid, klein volume en lichtgewicht. afstandsmeter zendt optische puls uit, die wordt gereflecteerd door het gemeten doel, en keert vervolgens terug naar het ontvangende systeem om het tijdsinterval tussen verzending en ontvangst te meten.

Laser heeft zowel een hoge helderheid als een hoge coherentie, waardoor het Doppler-effect van licht kan worden toegepast bij snelheidsmeting. Lidar is een radarsysteem dat een laserstraal uitstraalt om de positie, snelheid en andere kenmerken van het doel te detecteren. In termen van werkingsprincipe , is er geen fundamenteel verschil tussen lidar en microgolfradar: verzend het detectiesignaal (laserstraal) naar het doel en vergelijk vervolgens het ontvangen signaal dat door het doel wordt gereflecteerd (doelecho) met het verzonden signaal. Na de juiste verwerking kan de relevante informatie van het doel worden verkregen, zoals doelafstand, azimut, hoogte, snelheid, houding, zelfs vorm en andere parameters, om vliegtuigen, raketten en andere doelen te detecteren, volgen en identificeren. Het speelt een belangrijke rol op militair gebied en is een krachtig wapen geworden voor milieumonitoring.

Bovendien maakt de detectie van zwaartekrachtsgolven ook gebruik van laserinterferometrie om de zwaartekrachtsgolf in de midden- en lage frequentieband direct te detecteren en de zwaartekrachtgolfstraling te observeren die wordt gegenereerd door het samenvoegen van dubbele zwarte gaten en hemellichamen met een maximale massaverhouding, evenals zoals andere kosmische gravitatiegolfstralingsprocessen.

Laser is een van de belangrijkste uitvindingen van de mensheid in de 20e eeuw. De toepassing van lasertechnologie is op grote schaal doorgedrongen in alle aspecten van de industrie, de landbouw, het leger, de geneeskunde en zelfs de samenleving. Het speelt een steeds belangrijkere rol in de vooruitgang van de menselijke samenleving en verandert op wonderbaarlijke wijze onze wereld.