Laserul se referă la procesul și instrumentul de generare a fasciculelor de lumină colimate, monocromatice și coerente prin amplificarea radiației stimulate și feedback-ul necesar. Practic, generarea laserului necesită trei elemente: un „rezonator”, un „mediu de amplificare” și o „sursă de pompare”.
A. Principiu
Starea de mișcare a unui atom poate fi împărțită în diferite niveluri de energie, iar atunci când atomul trece de la un nivel de energie ridicat la un nivel de energie scăzut, acesta eliberează fotoni de energie corespunzătoare (așa-numita radiație spontană). În mod similar, atunci când un foton incide asupra unui sistem de niveluri de energie și este absorbit de acesta, acesta va determina atomul să treacă de la un nivel de energie scăzut la un nivel de energie ridicat (așa-numita absorbție excitată); apoi, unii dintre atomii care trec la niveluri de energie superioare vor trece la niveluri de energie mai scăzute și vor emite fotoni (așa-numita radiație stimulată). Aceste mișcări nu apar izolat, ci adesea în paralel. Atunci când creăm o condiție, cum ar fi utilizarea mediului adecvat, a rezonatorului, a unui câmp electric extern suficient, radiația stimulată este amplificată astfel încât, mai mult decât absorbția stimulată, atunci, în general, vor fi emiși fotoni, rezultând lumină laser.
B. Clasificare
În funcție de mediul care produce laserul, acesta poate fi împărțit în laser lichid, laser gazos și laser solid. În prezent, cel mai comun laser semiconductor este un tip de laser în stare solidă.
C. Compoziție
Majoritatea laserelor sunt compuse din trei părți: sistemul de excitație, materialul laser și rezonatorul optic. Sistemele de excitație sunt dispozitive care produc energie luminoasă, electrică sau chimică. În prezent, principalele mijloace de stimulare utilizate sunt lumina, electricitatea sau reacția chimică. Substanțele laser sunt substanțe care pot produce lumină laser, cum ar fi rubinele, sticla de beriliu, gazul neon, semiconductorii, coloranții organici etc. Rolul controlului rezonanței optice este de a spori luminozitatea laserului de ieșire, de a regla și selecta lungimea de undă și direcția laserului.
D. Aplicație
Laserul este utilizat pe scară largă, în principal în comunicațiile cu fibră optică, telemetria cu laser, tăierea cu laser, armele laser, discul laser și așa mai departe.
E. Istorie
În 1958, oamenii de știință americani Xiaoluo și Townes au descoperit un fenomen magic: atunci când au plasat lumina emisă de becul intern pe un cristal de pământ rar, moleculele cristalului vor emite o lumină strălucitoare, mereu puternică. Conform acestui fenomen, ei au propus „principiul laserului”, adică atunci când substanța este excitată de aceeași energie ca și frecvența naturală de oscilație a moleculelor sale, va produce această lumină puternică care nu diverge – laser. Au găsit lucrări importante în acest sens.
După publicarea rezultatelor cercetărilor lui Sciolo și Townes, oameni de știință din diverse țări au propus diverse scheme experimentale, dar acestea nu au avut succes. Pe 15 mai 1960, Mayman, un om de știință de la Laboratorul Hughes din California, a anunțat că a obținut un laser cu o lungime de undă de 0,6943 microni, acesta fiind primul laser obținut vreodată de oameni, iar Mayman a devenit astfel primul om de știință din lume care a introdus laserele în domeniul practic.
Pe 7 iulie 1960, Mayman a anunțat nașterea primului laser din lume. Schema lui Mayman era de a utiliza un tub flash de mare intensitate pentru a stimula atomii de crom dintr-un cristal de rubin, producând astfel o coloană subțire de lumină roșie foarte concentrată, care, atunci când este emisă într-un anumit punct, poate atinge o temperatură mai mare decât suprafața soarelui.
Omul de știință sovietic H.G. Basov a inventat laserul semiconductor în 1960. Structura laserului semiconductor este de obicei compusă dintr-un strat P, un strat N și un strat activ, care formează o heterojoncțiune dublă. Caracteristicile sale sunt: dimensiuni reduse, eficiență ridicată de cuplare, viteză de răspuns rapidă, lungime de undă și dimensiune care se potrivesc cu dimensiunea fibrei optice, poate fi modulată direct, coerență bună.
Șase, câteva dintre principalele direcții de aplicare ale laserului
F. Comunicare cu laser
Utilizarea luminii pentru transmiterea informațiilor este foarte răspândită astăzi. De exemplu, navele folosesc lumini pentru a comunica, iar semafoarele folosesc roșu, galben și verde. Însă toate aceste modalități de transmitere a informațiilor folosind lumina obișnuită pot fi limitate doar la distanțe scurte. Dacă doriți să transmiteți informații direct către locuri îndepărtate prin lumină, nu puteți utiliza lumina obișnuită, ci doar lasere.
Deci, cum se transmite laserul? Știm că electricitatea poate fi transportată prin fire de cupru, dar lumina nu poate fi transportată prin fire metalice obișnuite. În acest scop, oamenii de știință au dezvoltat un filament care poate transmite lumina, numit fibră optică. Fibra optică este fabricată din materiale speciale de sticlă, diametrul fiind mai subțire decât cel al firului de păr uman, de obicei de 50 până la 150 de microni, și foarte moale.
De fapt, miezul interior al fibrei este realizat dintr-o sticlă optică transparentă cu indice de refracție ridicat, iar învelișul exterior este fabricat din sticlă sau plastic cu indice de refracție scăzut. O astfel de structură, pe de o parte, poate face ca lumina să se refracte de-a lungul miezului interior, la fel cum apa curge înainte în conducta de apă, iar electricitatea se transmite înainte în fir, chiar dacă mii de răsuciri și întoarceri nu au niciun efect. Pe de altă parte, învelișul cu indice de refracție scăzut poate împiedica scurgerea luminii, la fel cum conducta de apă nu se infiltrează și stratul izolator al firului nu conduce electricitatea.
Apariția fibrei optice rezolvă problema modului de transmitere a luminii, dar asta nu înseamnă că, prin intermediul ei, orice lumină poate fi transmisă la distanțe foarte mari. Doar luminozitatea ridicată, culoarea pură și laserul direcțional bun reprezintă sursa de lumină ideală pentru transmiterea informațiilor, aceasta fiind introdusă de la un capăt al fibrei, aproape fără pierderi și ieșită de la celălalt capăt. Prin urmare, comunicarea optică este în esență o comunicare laser, care are avantajele capacității mari, calității înalte, sursei largi de materiale, confidențialității ridicate, durabilității etc. și este aclamată de oamenii de știință ca o revoluție în domeniul comunicării și reprezintă una dintre cele mai strălucite realizări ale revoluției tehnologice.
Data publicării: 29 iunie 2023