Lazer Nedir?

Amerika Birleşik Devletleri 1960 yılında dünyanın ilk yakut lazerini başarıyla geliştirdiğinden ve Çin de 1961'de ilk yerli yakut lazerini (Changchun Optik ve hassas makineler, Çin Bilimler Akademisi'nde doğdu) başarıyla geliştirdiğinden, lazer teknolojisi ikinci olarak kabul edilir. 20. yüzyılda kuantum fiziği, radyo teknolojisi, atom enerjisi teknolojisi, yarı iletken teknolojisi gibi. Bilgisayar teknolojisinden sonra bir başka önemli yeni bilimsel ve teknolojik başarı.

Bugün evlerimizde CD ve DVD oynatıcılar için lazerler, ofislerimizde lazer yazıcılar ve alışveriş merkezlerinde barkod tarayıcılarımız var. İnsanlar lazeri miyopi tedavisi için kullanıyor, e-posta gönderiyor ve optik fiber ağ üzerinden videolara göz atıyor. ya da değil, her birimiz her gün lazer kullanıyoruz, ancak kaç kişi lazerin ne olduğunu ve nasıl çalıştığını gerçekten anlıyor?

Lazer, doğada bulunmayan ve uyarılma sonucu yayılan bir ışık türüdür. İyi yönlülük, yüksek parlaklık, iyi tek renklilik ve iyi tutarlılık özelliklerine sahiptir.

Lazerin üretim mekanizması, Einstein'ın 1917'de kara cisim ışıma yasasını açıklarken öne sürdüğü hipoteze kadar izlenebilir, yani ışığın emilmesi ve yayılması üç temel süreçten geçebilir: uyarılmış absorpsiyon, uyarılmış radyasyon ve kendiliğinden emisyon. Hepimizin bildiği gibi, herhangi bir ışık kaynağının lüminesansı, maddedeki parçacıkların hareket durumu ile ilgilidir. Düşük enerji seviyesindeki bir parçacık (atom, molekül veya iyon), uygun bir frekansta dış enerjiyi (ışık) emdiğinde ve karşılık gelen yüksek enerji seviyesine (uyarılmış absorpsiyon) geçmek için heyecanlanır, her zaman daha düşük bir enerji seviyesine geçmeye ve fazla enerjiyi fotonlar şeklinde salmaya çalışır.

Işık, harici fotonların etkisi olmadan kendiliğinden serbest bırakılırsa (spontan emisyon), serbest bırakılan ışık, ışık frekansı, yönü ve hızının tutarsızlığı ile karakterize edilen sıradan ışıktır (elektrik ışıkları, neon ışıkları vb.).

Bununla birlikte, dış fotonların doğrudan etkisi altında yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçiş sırasında fazla enerji fotonlar (uyarılmış radyasyon) şeklinde salınırsa, serbest bırakılan fotonlar, dış fotonlar ile tamamen tutarlıdır. frekans, faz ve yayılma yönü açısından dış ışığın güçlendirildiği anlamına gelir, buna ışık amplifikasyonu denir.

Şekil: lazer oluşturma mekanizması: (solda) uyarılmış absorpsiyon, (orta) kendiliğinden emisyon, (sağda) uyarılmış emisyon

Lazer üretiminin üç koşulu karşılaması gerekir: parçacık sayısının ters çevrilmesi, boşluk geri bildirimi ve eşik koşulunun karşılanması. Uyarılmış absorpsiyon yoluyla, yüksek enerji düzeyindeki parçacıkların sayısı, düşük enerji düzeyindeki parçacıklardan daha fazladır (parçacık sayısı tersine çevrilmesi). Rezonans boşluğu oluşturmak için aktif bölgenin her iki ucundaki fotonları yansıtabilen paralel yansıma yüzeyleri yapmak ve kazancı kayıptan daha büyük, yani aynı anda yeni üretilen fotonların sayısı daha fazla yapmak gerekir. saçılan soğurulan fotonların sayısından daha fazladır. Sadece bu üç koşul karşılandığında lazer üretilebilir.

Lazerin özellikleri

Lazer, sıradan ışığın hiç sahip olmadığı dört özelliğe sahip olduğu için sihirli ışık olarak bilinir.

——Sıradan ışık kaynakları (güneş, akkor lamba veya flüoresan lamba) her yöne ışık yayar ve lazerin ışık yönü, ışınım yönündeki aydınlatmayı on kat arttıran birkaç miliradyandan daha küçük bir katı açıyla sınırlandırılabilir. lazerin yayılma çapı her 200 kilometrede 1 metreden daha azdır, eğer dünyadan 3,8 uzaklığa ulaşırsa×Ay 105km uzaktayken, ışık ışını 2km'den daha az yayılırken, sıradan projektör onlarca metre yayılır binlerce metre uzakta.

1.İyi yönlülük

Lazer kolimasyon, rehberlik ve menzil, iyi yönlülük özelliğini kullanır.

——Lazer, modern zamanların en parlak ışık kaynağıdır. Sadece hidrojen bombası patlaması anındaki güçlü flaş onunla karşılaştırılabilir. Güneşin parlaklığı yaklaşık 1.865×109Cd / m2'dir ve yüksek güçlü bir lazerin çıkış parlaklığı, 7 ~ 14 büyüklük mertebesinden daha yüksek olabilir. güneş ışığınınki.

2. Yüksek parlaklık

Lazerin toplam enerjisi mutlaka büyük olmamakla birlikte, yüksek enerji konsantrasyonu nedeniyle, mikro bir noktada on binlerce santigrat derece hatta milyonlarca santigrat derece yüksek basınç ve yüksek sıcaklık üretmek kolaydır. lazerle delme, kesme, kaynaklama ve lazer cerrahisi bu özelliği kullandığından.

——Işık bir elektromanyetik dalgadır. Işığın rengi dalga boyuna bağlıdır. Sıradan ışık kaynakları tarafından yayılan ışık genellikle çeşitli renklerin bir karışımı olan çeşitli dalga boylarını içerir. Güneş ışığı yedi renkte görünür ışığı içerir: kırmızı, sarı, yeşil , yeşil, mavi ve morun yanı sıra kızılötesi ışık ve ultraviyole ışık gibi görünmez ışık.

3.İyi tek renklilik

Bir lazerin dalga boyu sadece çok dar bir spektral bant veya frekans aralığında yoğunlaşır. Örneğin, He Ne lazerin dalga boyu 632.8 nm'dir ve dalga boyu değişim aralığı 1 / 10000 nm'den azdır. Lazerin iyi monokromatikliği, kimyasal reaksiyonlar gibi bazı bilimsel deneyleri ölçmek ve teşvik etmek için hassas alet için çok uygun bir araçtır.

——Girişim, dalga olgusunun bir özelliğidir. Yüksek yönlülük ve yüksek tek renklilik özelliklerine dayanarak, lazer mükemmel tutarlılığa sahip bir ışık olmaya mahkumdur. Lazerin bu özelliği holografiyi gerçeğe dönüştürür.

4.İyi tutarlılık

lazer tipi

Işık kaynağında, enerji seviyesi parçacık sayısının ters çevrilmesinin gerçekleştirilmesi, ışık amplifikasyonunun öncülüdür, yani lazer üretiminin ön koşuludur. düşük enerji seviyesindeki parçacık sayısı yüksek enerji seviyesine atlar. Bu işleme "uyarma" denir.

Genellikle lazer dediğimiz lazer, ışık kaynağındaki partikülleri uyararak uyarılmış radyasyon geçişi oluşturan, partikül sayısının ters çevrilmesini gerçekleştiren ve daha sonra uyarılmış radyasyon yoluyla ışık amplifikasyonu üreten bir cihazdır. Lazerlerin birçok çeşidi olmasına rağmen görevleri, uyarma ve uyarılmış radyasyon yoluyla lazerler elde edin. Bu nedenle, lazer genellikle üç bölümden oluşur: aktivasyon ortamı (yani, uyarıldıktan sonra parçacık numarası tersine çevrilebilen çalışma malzemesi), uyarma cihazı (yani, parçacığı oluşturabilen enerji). aktivasyon ortamının sayı ters çevrilmesi, pompa kaynağı) ve optik rezonatör (yani, ışını tekrar tekrar titreştirebilen ve birçok kez amplifiye edebilen iki düzlemsel ayna).

Şekil: lazerin çalışma prensibi

Birçok farklı atom türünü birçok farklı şekilde uyarabildiğimiz için (teorik olarak) birçok farklı türde lazer yapabiliriz.

En ünlüleri katı, gaz, sıvı boyalar, yarı iletken ve fiber lazerler olan birçok lazer türü vardır. Katı hal lazer ortamı Yakut çubuğuna veya diğer katı kristal malzemelere benzer ve üzerine sarılmış flaş tüpü pompalar. enerjik atomları.Etkili bir şekilde çalışmak için, katıların, belirli bir doğru frekansa sahip bir lazer üretmek için uygun enerji seviyelerine sahip olmak için bazı atomları safsızlık iyonları ile değiştirme işlemi olan katkılı olması gerekir.Katı hal lazerleri, yüksek güçlü ışınlar üretir, genellikle çok kısa darbeler. Buna karşılık, gaz lazerleri, sürekli parlak ışık üretmek için bir ortam olarak inert gaz (excimer lazerler olarak adlandırılır) veya karbon dioksit (CO2) kullanır. CO2 lazerin güçlü işlevi ve yüksek verimliliği vardır. Genellikle endüstriyel kesme ve kaynak işlemlerinde kullanılır. Sıvı boya lazerleri, ortam olarak organik boya moleküllerinin çözeltisini kullanır. Ana avantajı, katı hal ve gaz lazerlerinden daha geniş bir optik frekans bandı üretmek için kullanılabilmeleri ve hatta farklı frekanslar üretmek için "ayarlanabilmeleri"dir.

Dalga boyuna göre, kapsanan dalga boyu aralığı uzak kızılötesi, kızılötesi, görünür ışık, ultraviyole ve uzak ultraviyole içerir. Son zamanlarda X-ışını lazerleri ve γX-ışını aparatları;

Farklı uyarma modlarına göre, ışık uyarımı (ışık kaynağı veya ultraviyole uyarımı), gaz deşarj uyarımı, kimyasal reaksiyon uyarımı, nükleer reaksiyon uyarımı vb.

Farklı çıkış modlarına göre sürekli, tek darbe, sürekli darbe ve ultra kısa darbe vb. vardır;

Güç çıkışı açısından, sürekli çıkış gücü, mikro watt düzeyi kadar küçüktür ve megawatt düzeyine kadardır. Darbenin enerji çıkışı, mikro Joule'den 100.000 Joule'ye kadar değişebilir ve darbe genişliği, milisaniye ile pikosaniye arasında değişir ve hatta femtosaniye (1/1000 trilyon).

Çeşitli lazerler farklı uygulama gereksinimlerini karşılar. Örneğin, lazer işleme ve bazı askeri lazerler, yüksek güçlü lazer veya yüksek enerjili lazer (sözde yüksek güçlü lazer). Bazıları, bazı ekspres süreçlerin araştırmasına katılmak için darbe süresini mümkün olduğunca kısaltmayı umuyor. Bazıları ayrıca ışığın tek renkliliğini iyileştirmek, çıkış ışığı modunu iyileştirmek, ışık yoğunluğu dağılımını iyileştirmek için yüksek gereksinimler ortaya koydu. ışık noktası ve ayarlanabilir dalga boyu gerektiren bu gereksinimler, lazer araştırmacılarını keşfetmeye devam etmeye teşvik ediyor, böylece lazerin keşif derinliği ve uygulama genişliği eşi görülmemiş şekilde geliştirildi.

Patlama lazer uygulamaları

Sözde lazer teknolojisi, lazer üretmenin çeşitli yöntemlerini keşfetmenin ve geliştirmenin ve lazerin bu özelliklerini insanlığın yararına keşfetmenin ve uygulamanın genel adıdır.

50Yıllar içinde lazer teknolojisi ve uygulamaları hızla gelişti ve fotoelektrik teknolojisi, lazer tıbbı ve foton biyolojisi, lazer işleme teknolojisi, lazer algılama ve ölçüm teknolojisi, lazer gibi bir dizi uygulama teknolojisi alanını oluşturmak için birçok disiplinle birleştirildi. holografik teknoloji, lazer spektral analiz teknolojisi, doğrusal olmayan optik, ultra hızlı lazer bilimi, lazer kimyası, kuantum optiği, lidar, Lazer güdüm, lazer izotop ayrımı, lazer kontrollü nükleer füzyon, lazer silahları vb. Bu çapraz teknolojilerin ve yeni disiplinlerin ortaya çıkışı, geleneksel ve gelişmekte olan endüstrilerin gelişimini büyük ölçüde destekledi.

1.Bilgi alanında lazer uygulaması

Yarı iletken lazer ve fiber amplifikatör, fiber optik iletişimin iki temel teknolojisidir.

Yarı iletken lazer tarafından yayılan lazer sadece iyi monokromatiklik ve tutarlılığa sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda ışık dalgası frekansı mikrodalga frekansından 10000 kat daha yüksektir. Bu nedenle, bilgi iletiminin taşıyıcısı olarak lazer ve bilgi iletim hattı olarak optik fiber ile fiber optik iletişim, yalnızca iyi iletişim kalitesine, güçlü parazit önleme özelliğine ve iyi gizliliğe sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda iletişim kapasitesi de bundan 10000 kat daha yüksektir. mikrodalga iletişim.

Optik depolama için lazer teknolojisinin kullanılması, bilgilerin depolanmasında devrim yarattı. Bir CD ses diskinin kayıt yoğunluğu 10 milyon bit / cm2'ye eşittir ve bundan birkaç büyüklük sırası daha büyük olan 78 dakikalık müzik programlarını kaydedebilir. bir kompakt diskten.

Görüntü: CD veya DVD oynatıcıdaki bir diskin lazeri ve merceği. Sağ alttaki küçük daire bir yarı iletken lazer diyotudur, daha büyük mavi daire ise lazerin pürüzsüz yüzeyinden yansıdıktan sonra ışığı okuyan bir mercektir. optik disk.

Ayrıca lazer yazıcı, lazer faks makinesi, lazer Fotodizgi, lazer geniş ekran renkli TV, fiber optik kablo TV ve atmosferik lazer iletişim yaygın olarak kullanılmaktadır.

2. Holografide lazer uygulaması

Bir dalga fenomeni olarak ışık, dalga boyu (renk ile ilgili), genlik (ışık yoğunluğu ile ilgili) ve faz (dalganın başlangıç noktası ile referans zamanı arasındaki ilişkiyi temsil eden) ile karakterize edilir.

İnsanlar sadece ışığa duyarlı fotoğrafçılık yöntemini kullanarak dalga boyunu ve genliği kaydedebilirler, bu nedenle ne kadar gerçekçi olursa olsun, resme bakmak her zaman gerçek sahneye bakmaktan farklıdır.

Lazer yüksek tutarlılığa sahiptir ve faz dahil olmak üzere girişim dalga uzayının tüm bilgilerini elde edebilir. Bu nedenle, lazer holografisi kullanılarak fotoğrafı çekilen nesnenin tüm bilgileri negatif filme kaydedilir ve fotoğrafı çekilen nesnenin gerçeğe yakın üç boyutlu görüntüsü elde edilebilir. ışık kırınımı yoluyla çoğaltılır.

Hologram, üç boyutlu görüntüleme özelliklerine sahiptir ve tekrar tekrar kaydedilebilir ve her küçük holografik negatif, nesnenin tam üç boyutlu görüntüsünü yeniden üretebilir. Hassas interferometri, tahribatsız testler, holografik fotoelastisite, mikro gerinim analizi ve titreşim analizi gibi bilimsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılabilir.

Bunların arasında, holografik interferometri, gazın yanma sürecini, mekanik parçaların titreşim modunu, petek yapısının yapışma kalitesini ve otomobil lastiklerinin deri altı kusurlarının incelenmesini incelemek için yaygın olarak kullanılmıştır. emtia ve kredi kartları için sahte marka bir sektör oluşturmuştur. Kıymetli sanat eserlerini holografi ile fotoğraflamak, insana kendini yerinde hissettirmekle kalmaz, aynı zamanda sanat eserlerinin onarımı için güvenilir ve gerçekçi bir temel sağlar. Gelişen holografik TV, insanların hayatına da yeni bir keyif katacaktır.

3.Lazerin tıp alanında uygulanması

Lazerin tıpta kullanımı iki kategoriye ayrılır: lazer teşhisi ve lazer tedavisi. Birincisi bilgi taşıyıcısı olarak lazeri, ikincisi enerji taşıyıcısı olarak lazeri alır.

Lazer teşhisi açısından, lazer teşhis için dokuya derinlemesine nüfuz edebilir, doku durumunu doğrudan yansıtabilir ve doktorların teşhisi için yeterli bir temel sağlayabilir.

Lazer tedavisinde lazer teknolojisi etkili bir klinik tedavi aracı ve tıbbi teşhisin geliştirilmesi için anahtar bir teknoloji haline geldi.Lazer cerrahisinde küçük kesi, dokuya çok az veya hiç zarar vermeme ve çok az doku hasarı gibi tıptaki birçok zor sorunu çözüyor. toksik ve yan etkiler. Şu anda, lazerin klinik uygulama alanları arasında miyopi düzeltmesi, retina onarımı, diş çürüğü onarımı, moleküler minimal invaziv cerrahi vb. Şu anda lazer tıbbının mükemmel uygulama araştırması esas olarak aşağıdaki yönlerde yansıtılmaktadır: kanser için fotodinamik tedavi;Kardiyovasküler hastalıkların lazer tedavisi;Excimer lazer keratoplasti;Lazer kozmetoloji;Lazer fiber endoskopi;Lazer laparoskopik cerrahi;Lazer torakoskopik cerrahi;Lazer artroskopik cerrahi;Lazer litotripsi;Lazer cerrahisi;Anastomozda lazer uygulaması; oral ve maksillofasiyal cerrahi ve diş hekimliği;Zayıf lazer tedavisi, vb. Şu anda, lazer tedavisi bir sus temel araştırma, yeni teknoloji geliştirme, yeni ekipman geliştirme ve üretim gibi birçok açıdan kalıcı ve güçlü bir gelişme ivmesi.

Şekil: stomatolojide lazer uygulaması

4. lazer işleme

Lazerin yüksek yoğunluğunu (parlaklığını) kullanarak, odaklanan lazer ışını kaynak, delme, kesme, ısıl işlem, litografi gibi işlenmesi zor olan farklı özelliklere sahip malzemeleri işlemek için malzemeyi kısa sürede eritmek veya buharlaştırmak için yeterli olan 1 ms içinde 100J ışık enerjisi yayabilir. , vb.

Lazer işleme, yüksek hassasiyet, küçük bozulma, temassız ve enerji tasarrufu avantajlarına sahiptir. Uygulama alanları, madencilik makineleri, petrokimya endüstrisi, elektrik enerjisi, demiryolu, otomobil, gemi yapımı, metalurji, tıbbi ekipman, havacılık, takım tezgahı, enerji üretimi, baskı, paketleme, kalıp, ilaç ve diğer dahil olmak üzere neredeyse tüm makine imalat endüstrisini kapsayabilir. Endüstriler. Anahtar parçaların ve hassas ekipmanların aşınması ve korozyonu, yolsuzluğu büyüye dönüştürmek için güçlü bir araç haline gelen lazer kaplama teknolojisi ile onarılabilir ve optimize edilebilir.

5. hassas ölçüm

Hassas ölçüm, iyi lazer monokromatikliği, güçlü tutarlılık ve iyi yönlülük özelliklerini kullanır. Diğer telemetrelerle karşılaştırıldığında, lazer menzil, uzun algılama mesafesi, yüksek hassasiyet, parazit önleme, iyi gizlilik, küçük hacim ve hafiflik avantajlarına sahiptir. telemetre, ölçülen hedef tarafından yansıtılan optik darbeyi gönderir ve ardından iletim ve alım arasındaki zaman aralığını ölçmek için alıcı sisteme geri döner.

Lazerin hem yüksek parlaklığa hem de yüksek tutarlılığa sahip olması, ışığın Doppler etkisinin hız ölçümünde uygulanabilmesini sağlar.Lidar, hedefin konumunu, hızını ve diğer özelliklerini tespit etmek için lazer ışını yayan bir radar sistemidir.Çalışma prensibi açısından lidar ve mikrodalga radar arasında temel bir fark yoktur: algılama sinyalini (lazer ışını) hedefe iletin ve ardından hedeften yansıyan alınan sinyali (hedef yankı) iletilen sinyalle karşılaştırın. Uygun işlemden sonra, uçak, füze ve diğer hedefleri tespit etmek, izlemek ve tanımlamak için hedef mesafe, azimut, irtifa, hız, tutumEven şekli ve diğer parametreler gibi hedefin ilgili bilgileri elde edilebilir. Askeri alanda önemli bir rol oynamaktadır ve çevresel izleme için güçlü bir silah haline gelmiştir.

Buna ek olarak, yerçekimi dalgasının tespiti, orta ve düşük frekans bandındaki yerçekimi dalgasını doğrudan tespit etmek ve çift kara delik ve gök cisimlerinin maksimum kütle oranıyla birleştirilmesiyle üretilen kütleçekimsel dalga radyasyonunu gözlemlemek için lazer interferometrisini de kullanır. diğer kozmik kütleçekimsel dalga radyasyon süreçleri gibi.

Lazer, 20. yüzyılda insanlığın en önemli icatlarından biridir. Uygulaması lazer teknolojisi sanayinin, tarımın, askeriyenin, tıbbın ve hatta toplumun her alanına geniş çapta nüfuz etmiştir. İnsan toplumunun ilerlemesinde giderek daha önemli bir rol oynuyor ve dünyamızı mucizevi bir şekilde değiştiriyor.