Co to jest laser?

Ponieważ Stany Zjednoczone z powodzeniem opracowały pierwszy na świecie laser rubinowy w 1960 roku, a Chiny z powodzeniem opracowały również pierwszy krajowy laser rubinowy (urodzony w Changchun Institute of Optics and Precision Machines, Chinese Academy of Sciences) w 1961, technologia laserowa jest uważana za drugą w XX wieku, po fizyce kwantowej, technologii radiowej, technologii energii atomowej, technologii półprzewodników. Kolejne ważne nowe osiągnięcie naukowe i technologiczne po technologii komputerowej.

Dziś mamy lasery do odtwarzaczy CD i DVD w naszych domach, drukarki laserowe w naszych biurach i skanery kodów kreskowych w centrach handlowych. Ludzie używają lasera do leczenia krótkowzroczności, wysyłają e-maile i przeglądają filmy przez sieć światłowodową. czy nie, każdy z nas używa lasera na co dzień, ale ile osób tak naprawdę rozumie czym jest laser i jak działa?

Laser to rodzaj światła, które nie istnieje w naturze i jest emitowane w wyniku wzbudzenia. Charakteryzuje się dobrą kierunkowością, wysoką jasnością, dobrą monochromatycznością i dobrą spójnością.

Mechanizm generowania lasera wywodzi się z hipotezy wysuniętej przez Einsteina podczas wyjaśniania prawa promieniowania ciała doskonale czarnego w 1917 r., zgodnie z którą absorpcja i emisja światła mogą przechodzić przez trzy podstawowe procesy: absorpcję wymuszoną, promieniowanie wymuszone i emisję spontaniczną. Jak wszyscy wiemy, luminescencja dowolnego rodzaju źródła światła jest związana ze stanem ruchu cząstek w materii. Gdy cząsteczka (atom, cząsteczka lub jon) o niskim poziomie energii pochłania energię zewnętrzną (światło) o odpowiedniej częstotliwości i jest podekscytowany przejściem na odpowiedni wysoki poziom energii (pobudzona absorpcja), zawsze stara się przejść na niższy poziom energii i uwolnić nadmiar energii w postaci fotonów.

Jeśli światło jest uwalniane spontanicznie bez działania fotonów zewnętrznych (emisja spontaniczna), emitowane światło jest światłem zwykłym (takim jak światła elektryczne, neony itp.), które charakteryzuje się niespójnością częstotliwości, kierunku i tempa światła.

Jeśli jednak nadmiar energii zostanie uwolniony w postaci fotonów (promieniowanie stymulowane) podczas przejścia z poziomu wysokoenergetycznego na poziom niskoenergetyczny pod bezpośrednim działaniem fotonów zewnętrznych, uwolnione fotony są całkowicie zgodne z fotonami padającymi z zewnątrz w pod względem częstotliwości, fazy i kierunku propagacji, co oznacza, że światło zewnętrzne zostało wzmocnione, co nazywamy wzmocnieniem światła.

Rysunek: mechanizm generowania lasera: (po lewej) absorpcja stymulowana, (środkowa) emisja spontaniczna, (po prawej) emisja stymulowana

Generowanie lasera musi spełniać trzy warunki: inwersję liczby cząstek, sprzężenie zwrotne wnęki i spełnienie warunku progowego. Dzięki wymuszonej absorpcji liczba cząstek na wysokim poziomie energii jest większa niż na niskim poziomie energii (inwersja liczby cząstek). Konieczne jest również wykonanie równoległych powierzchni odbijających, które mogą odbijać fotony na obu końcach obszaru aktywnego w celu utworzenia wnęki rezonansowej i uczynienie wzmocnienia większym niż strata, czyli liczba nowo generowanych fotonów w tym samym czasie jest większa niż liczba rozproszonych pochłoniętych fotonów. Dopiero po spełnieniu tych trzech warunków można wytworzyć laser.

Charakterystyka lasera

Laser jest znany jako magiczne światło, ponieważ ma cztery cechy, których zwykłe światło w ogóle nie ma.

—— Zwykłe źródła światła (słońce, żarówka lub świetlówka) emitują światło we wszystkich kierunkach, a kierunek świecenia lasera można ograniczyć do kąta bryłowego mniejszego niż kilka miliradianów, co zwiększa oświetlenie w kierunku naświetlania o dziesięć miliony razy. Średnica dyfuzji lasera jest mniejsza niż 1 metr co 200 kilometrów, jeśli znajduje się w odległości 3,8 od Ziemi×Kiedy Księżyc jest oddalony o 105 km, wiązka światła rozprzestrzenia się na mniej niż 2 km, podczas gdy zwykły reflektor rozchodzi się na dziesiątki metrów tysiące metrów dalej.

1. Dobra kierunkowość

Kolimacja laserowa, naprowadzanie i pomiar odległości wykorzystują cechy dobrej kierunkowości.

——Laser jest najjaśniejszym źródłem światła w dzisiejszych czasach. Można z nim porównać tylko silny błysk w momencie wybuchu bomby wodorowej. Jasność słońca wynosi około 1,865×109Cd/m2, a jasność wyjściowa lasera dużej mocy może być o 7 ~ 14 rzędów wielkości wyższa niż światło słoneczne.

2. Wysoka jasność

Chociaż całkowita energia lasera niekoniecznie jest duża, to ze względu na dużą koncentrację energii łatwo jest wytworzyć wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę rzędu dziesiątek tysięcy stopni Celsjusza, a nawet milionów stopni Celsjusza w mikropunkcie. ponieważ wiercenie laserowe, cięcie, spawanie i chirurgia laserowa wykorzystują tę cechę.

——Światło jest falą elektromagnetyczną. Barwa światła zależy od jego długości fali. Światło emitowane przez zwykłe źródła światła ma zwykle różne długości fal, czyli jest mieszanką różnych kolorów. Światło słoneczne obejmuje światło widzialne w siedmiu kolorach: czerwonym, żółtym, zielonym , zielony, niebieski i fioletowy, a także światło niewidzialne, takie jak światło podczerwone i ultrafioletowe.

3. Dobra monochromatyczność

Długość fali lasera jest skoncentrowana tylko w bardzo wąskim paśmie widmowym lub zakresie częstotliwości. Na przykład długość fali lasera He Ne wynosi 632,8 nm, a zakres jego zmienności długości fali jest mniejszy niż 1/10000 nm. Dobra monochromatyczność lasera zapewnia bardzo korzystny środek precyzyjnego instrumentu do pomiaru i stymulowania niektórych eksperymentów naukowych, takich jak reakcje chemiczne.

——Zakłócenia są cechą zjawiska falowego. W oparciu o charakterystykę wysokiej kierunkowości i wysokiej monochromatyczności, laser z pewnością będzie światłem o doskonałej koherencji. Ta cecha lasera sprawia, że holografia staje się rzeczywistością.

4. Dobra spójność

Rodzaj lasera

W źródle światła realizacja inwersji liczby cząstek na poziomie energetycznym jest przesłanką wzmocnienia światła, czyli warunkiem generowania lasera. Aby zrealizować inwersję liczby cząstek, musimy wykorzystać moc światła zewnętrznego, aby uzyskać dużą liczba cząstek na niskim poziomie energetycznym przeskakuje na wysoki poziom energetyczny. Ten proces nazywa się „ekscytacją”.

Laser, który zwykle nazywamy, to urządzenie, które wzbudza cząstki w źródle światła w celu wytworzenia przejścia promieniowania wymuszonego, realizuje odwrócenie liczby cząstek, a następnie generuje wzmocnienie światła poprzez promieniowanie stymulowane. Chociaż istnieje wiele rodzajów laserów, ich zadaniem jest uzyskać lasery poprzez wzbudzenie i promieniowanie stymulowane. Dlatego też laser składa się zwykle z trzech części: ośrodka aktywującego (tj. materiału roboczego, który może spowodować odwrócenie liczby cząstek po wzbudzeniu), urządzenia wzbudzającego (tj. energii, która może spowodować inwersję liczbową czynnika aktywującego, źródło pompy) i rezonator optyczny (tj. dwa płaskie zwierciadła, które mogą powodować wielokrotne oscylacje wiązki i wielokrotne wzmacnianie).

Rysunek: zasada działania lasera

Ponieważ możemy wzbudzać wiele różnych rodzajów atomów na wiele różnych sposobów, możemy (teoretycznie) wyprodukować wiele różnych rodzajów laserów.

Istnieje wiele rodzajów laserów, wśród których najbardziej znane to lasery stałe, gazowe, barwnikowe, półprzewodnikowe i światłowodowe. Medium laserowe na ciele stałym jest podobne do pręta rubinowego lub innych materiałów krystalicznych, a nawinięta na niego lampa błyskowa pompuje jego atomy energetyczne. Aby działać efektywnie, ciała stałe muszą być domieszkowane, co jest procesem zastępowania niektórych atomów jonami zanieczyszczeń, aby mieć odpowiedni poziom energii, aby wytworzyć laser o określonej dokładnej częstotliwości. Lasery półprzewodnikowe wytwarzają wiązki o dużej mocy, zwykle bardzo krótkie impulsy. W przeciwieństwie do tego, lasery gazowe wykorzystują gaz obojętny (tzw. lasery ekscymerowe) lub dwutlenek węgla (CO2) jako medium do wytwarzania ciągłego, jasnego światła. Laser CO2 ma potężną funkcję i wysoką wydajność. Jest często stosowany w cięciu i spawaniu przemysłowym. Ciekłe lasery barwnikowe wykorzystują jako medium roztwór organicznych cząsteczek barwnika. Główną zaletą jest to, że można je wykorzystać do wytwarzania szerszego pasma częstotliwości optycznych niż lasery na ciele stałym i lasery gazowe, a nawet można je „dostroić” do wytwarzania różnych częstotliwości.

W zależności od długości fali, zakres długości fal obejmuje daleką podczerwień, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet i daleki ultrafiolet. Ostatnio lasery rentgenowskie i aparat rentgenowski γ;

W zależności od różnych trybów wzbudzenia istnieje wzbudzenie światła (wzbudzenie źródła światła lub ultrafioletu), wzbudzenie wyładowania gazowego, wzbudzenie reakcji chemicznej, wzbudzenie reakcji jądrowej itp.;

Zgodnie z różnymi trybami wyjściowymi istnieją ciągłe, pojedyncze impulsy, ciągły impuls i ultrakrótki impuls itp.;

Pod względem mocy wyjściowej ciągła moc wyjściowa jest tak mała, jak poziom mikrowatów i do poziomu megawatów. Energia wyjściowa impulsu może wynosić od mikro dżulów do ponad 100 000 dżuli, a szerokość impulsu waha się od milisekund do pikosekund i nawet femtosekundy (1/1000 bilionów).

Różne lasery spełniają różne wymagania aplikacji. Na przykład obróbka laserowa i niektóre lasery wojskowe wymagają lasera o dużej mocy lub lasera o wysokiej energii (tzw. laser o dużej mocy).Niektórzy liczą na maksymalne skrócenie czasu impulsu, aby zaangażować się w badania niektórych procesów ekspresowych. Niektórzy stawiają również wysokie wymagania dotyczące poprawy monochromatyczności światła, poprawy trybu światła wyjściowego, poprawy rozkładu natężenia światła plamki świetlnej i wymagające regulacji długości fali. Wymagania te skłaniają badaczy laserów do kontynuowania badań, dzięki czemu głębokość eksploracji i zakres zastosowań lasera zostały rozwinięte bezprecedensowo.

Dynamiczne aplikacje laserowe

Tak zwana technologia laserowa to ogólna nazwa odkrywania i rozwijania różnych metod generowania lasera oraz odkrywania i stosowania tych cech lasera z korzyścią dla ludzkości.

50Z biegiem lat technologia i zastosowania laserowe szybko się rozwinęły i zostały połączone z wieloma dyscyplinami, tworząc szereg dziedzin technologii zastosowań, takich jak technologia fotoelektryczna, medycyna laserowa i biologia fotonów, technologia obróbki laserowej, technologia wykrywania i pomiaru laserowego, laser technologia holograficzna, technologia laserowej analizy spektralnej, optyka nieliniowa, ultraszybka nauka o laserach, chemia laserowa, optyka kwantowa, lidar, naprowadzanie laserowe, laserowa separacja izotopów, sterowana laserowo fuzja jądrowa, broń laserowa itp. Pojawienie się tych technologii krzyżowych i nowych dyscyplin spowodowało znacznie promował rozwój tradycyjnych i wschodzących gałęzi przemysłu.

1.Zastosowanie lasera w polu informacyjnym

Laser półprzewodnikowy i wzmacniacz światłowodowy to dwie kluczowe technologie komunikacji światłowodowej.

Laser emitowany przez laser półprzewodnikowy ma nie tylko dobrą monochromatyczność i koherencję, ale także częstotliwość fali świetlnej jest 10000 razy większa niż częstotliwość mikrofalowa. Dlatego komunikacja światłowodowa z laserem jako nośnikiem transmisji informacji i światłowodem jako linia transmisji informacji ma nie tylko dobrą jakość komunikacji, silną zdolność przeciwzakłóceniową i dobrą poufność, ale także zdolność komunikacyjną jest 10000 razy wyższa niż w przypadku komunikacja mikrofalowa.

Zastosowanie technologii laserowej do przechowywania optycznego zrewolucjonizowało przechowywanie informacji. Gęstość zapisu płyty audio CD jest równa 10 milionom bitów/cm2 i może nagrać 78 minut programów muzycznych, co jest o kilka rzędów wielkości większą niż ta płyty kompaktowej.

Obraz: laser i soczewka płyty w odtwarzaczu CD lub DVD. Małe kółko w prawym dolnym rogu to półprzewodnikowa dioda laserowa, natomiast większe niebieskie kółko to soczewka, która odczytuje światło po odbiciu lasera od gładkiej powierzchni dysk optyczny.

Ponadto szeroko stosowano drukarkę laserową, faks laserowy, fotoskład laserowy, laserowy telewizor kolorowy z dużym ekranem, telewizję kablową światłowodową i nastrojową komunikację laserową.

2.Zastosowanie lasera w holografii

Światło jako zjawisko falowe charakteryzuje się długością fali (odnoszącą się do koloru), amplitudą (odnoszącą się do natężenia światła) i fazą (odzwierciedlającą zależność między punktem początkowym fali a czasem odniesienia).

Ludzie mogą rejestrować długość fali i amplitudę tylko przy użyciu metody fotografii światłoczułej, więc bez względu na to, jak realistyczne jest to, patrzenie na obraz zawsze różni się od patrzenia na rzeczywistą scenę.

Laser ma wysoką koherencję i może uzyskać wszystkie informacje o przestrzeni fal interferencyjnych, w tym o fazie. Dlatego za pomocą holografii laserowej wszystkie informacje o fotografowanym obiekcie są zapisywane na negatywie, a realistyczny trójwymiarowy obraz fotografowanego obiektu może być odtworzone przez dyfrakcję światła.

Hologram ma cechy obrazowania trójwymiarowego i może być wielokrotnie nagrywany, a każdy mały negatyw holograficzny może odtworzyć pełny trójwymiarowy obraz obiektu. Może być szeroko stosowany w badaniach naukowych, takich jak interferometria precyzyjna, badania nieniszczące, holograficzna fotoelastyczność, analiza mikroodkształceń i analiza drgań.

Wśród nich interferometria holograficzna jest szeroko stosowana do badania procesu spalania gazu, trybu wibracji części mechanicznych, jakości wiązania struktury plastra miodu oraz badania wad podskórnych opon samochodowych. znak podrabiania towarów i kart kredytowych utworzył branżę. Fotografowanie cennych dzieł sztuki za pomocą holografii nie tylko sprawia, że ludzie czują się na miejscu, ale także zapewniają niezawodną i realistyczną podstawę do naprawy dzieł sztuki. Rozwijający się holograficzny telewizor wniesie także nową radość do życia ludzi.

3.Zastosowanie lasera w medycynie

Zastosowanie lasera w medycynie dzieli się na dwie kategorie: diagnostyka laserowa i laseroterapia. Pierwsza przyjmuje laser jako nośnik informacji, a druga laser jako nośnik energii.

W aspekcie diagnostyki laserowej laser może wnikać głęboko w tkankę w celu postawienia diagnozy, bezpośrednio odzwierciedlać stan tkanki i stanowić wystarczającą podstawę dla diagnozy lekarskiej.

W laseroterapii technologia laserowa stała się skutecznym środkiem leczenia klinicznego i kluczową technologią w rozwoju diagnostyki medycznej. Rozwiązuje wiele trudnych problemów w medycynie, takich jak małe nacięcie w chirurgii laserowej, niewielkie lub żadne uszkodzenie tkanek i niewiele toksyczne i skutki uboczne. Obecnie obszary zastosowań klinicznych lasera obejmują korekcję krótkowzroczności, naprawę siatkówki, naprawę próchnicy zębów, molekularną minimalnie inwazyjną chirurgię itp. Obecnie doskonałe badania nad zastosowaniem medycyny laserowej znajdują odzwierciedlenie głównie w następujących aspektach: terapia fotodynamiczna raka;Laserowe leczenie chorób sercowo-naczyniowych;Keratoplastyka laserem ekscymerowym;Laserowa kosmetologia;Laserowa endoskopia włókien;Laparoskopowa chirurgia laserowa;Laserowa chirurgia torakoskopowa;Laserowa chirurgia artroskopowa;Laserowa litotrypsja;Laserowa chirurgia;Zastosowanie lasera w zespoleniach;Zastosowanie lasera w zespoleniach; chirurgia jamy ustnej i szczękowo-twarzowa i stomatologia; słaba laseroterapia itp. Obecnie laseroterapia utrzymuje sus niezmiennego i silnego tempa rozwoju w wielu aspektach, takich jak badania podstawowe, rozwój nowych technologii, rozwój i produkcja nowego sprzętu.

Rysunek: zastosowanie lasera w stomatologii

4.przetwarzanie laserowe

Wykorzystując wysoką intensywność (jasność) lasera, skupiony Wiązka laserowa może emitować energię świetlną 100J w ciągu 1 ms, co wystarcza do stopienia lub odparowania materiału w krótkim czasie, aby móc obrabiać materiały o różnych właściwościach trudnych w obróbce, np. spawanie, wiercenie, cięcie, obróbka cieplna, litografia itp.

Obróbka laserowa ma zalety wysokiej precyzji, niewielkich zniekształceń, bezdotyku i oszczędności energii. Jego obszary zastosowań mogą obejmować prawie cały przemysł produkcji maszyn, w tym maszyny górnicze, przemysł petrochemiczny, energię elektryczną, kolej, motoryzację, przemysł stoczniowy, metalurgię, sprzęt medyczny, lotnictwo, obrabiarki, wytwarzanie energii, drukowanie, opakowania, formy, farmaceutyki i inne przemysł. Zużycie i korozję kluczowych części i precyzyjnego sprzętu można naprawić i zoptymalizować za pomocą technologii napawania laserowego, która stała się potężnym narzędziem do przekształcania korupcji w magię.

5.precyzyjny pomiar

Precyzyjny pomiar wykorzystuje cechy dobrej monochromatyczności lasera, silnej spójności i dobrej kierunkowości.W porównaniu z innymi dalmierzami, dalmierz laserowy ma zalety dużej odległości wykrywania, wysokiej precyzji, odporności na zakłócenia, dobrej poufności, małej objętości i niewielkiej wadze. dalmierz wysyła impuls optyczny, który odbija się od mierzonego celu, a następnie wraca do systemu odbiorczego w celu pomiaru odstępu czasu między nadawaniem a odbiorem.

Laser ma zarówno wysoką jasność, jak i wysoką koherencję, co sprawia, że efekt Dopplera światła można zastosować w pomiarze prędkości. Lidar to system radarowy, który emituje wiązkę laserową w celu wykrywania położenia, prędkości i innych cech celu. Pod względem zasady działania , nie ma zasadniczej różnicy między radarem lidarowym i mikrofalowym: przesyłaj sygnał detekcji (wiązka lasera) do celu, a następnie porównuj odebrany sygnał odbity od celu (echo celu) z sygnałem nadanym. Po odpowiednim przetworzeniu można uzyskać odpowiednie informacje o celu, takie jak odległość do celu, azymut, wysokość, prędkość, nastawienie Nawet kształt i inne parametry, aby wykrywać, śledzić i identyfikować samoloty, pociski i inne cele. Odgrywa ważną rolę na polu wojskowym i stał się potężną bronią do monitorowania środowiska.

Ponadto detekcja fali grawitacyjnej wykorzystuje również interferometrię laserową do bezpośredniego wykrywania fali grawitacyjnej w paśmie średniej i niskiej częstotliwości, a także obserwowania promieniowania fali grawitacyjnej generowanej przez połączenie podwójnych czarnych dziur i ciał niebieskich o maksymalnym stosunku masowym jak inne procesy promieniowania kosmicznej fali grawitacyjnej.

Laser to jeden z najważniejszych wynalazków ludzkości XX wieku. Zastosowanie technologia laserowa został szeroko przeniknięty do wszystkich aspektów przemysłu, rolnictwa, wojska, medycyny, a nawet społeczeństwa. Odgrywa coraz ważniejszą rolę w rozwoju ludzkiego społeczeństwa i w cudowny sposób zmienia nasz świat.