Laser označuje proces a zařízení pro generování kolimovaných, monochromatických, koherentních světelných paprsků prostřednictvím zesílení stimulovaného záření a nezbytné zpětné vazby. V zásadě laserové generování vyžaduje tři prvky: „rezonátor“, „zesilovací médium“ a „čerpací zdroj“.
A. Princip
Pohybový stav atomu lze rozdělit na různé energetické hladiny a když atom přechází z vysoké energetické hladiny na nízkou energetickou hladinu, uvolňuje fotony odpovídající energie (tzv. spontánní záření). Podobně, když foton dopadne na systém energetických hladin a je jím absorbován, způsobí to přechod atomu z nízké energetické hladiny na vysokou energetickou hladinu (tzv. excitovaná absorpce); poté některé z atomů, které přecházejí na vyšší energetické hladiny, přejdou na nižší energetické hladiny a emitují fotony (tzv. stimulované záření). Tyto pohyby se nevyskytují izolovaně, ale často paralelně. Když vytvoříme podmínku, například použitím vhodného média, rezonátoru, dostatečného vnějšího elektrického pole, stimulované záření se zesílí tak, že je více než stimulovaná absorpce, pak obecně dojde k emitování fotonů, což má za následek laserové světlo.
B. Klasifikace
Podle média, které laser vytváří, lze lasery rozdělit na kapalné lasery, plynové lasery a pevné lasery. V současnosti je nejběžnějším polovodičovým laserem druh pevnolátkového laseru.
C. Složení
Většina laserů se skládá ze tří částí: excitačního systému, laserového materiálu a optického rezonátoru. Excitační systémy jsou zařízení, která produkují světelnou, elektrickou nebo chemickou energii. V současné době se jako hlavní stimulační prostředky používají světlo, elektřina nebo chemická reakce. Laserové látky jsou látky, které mohou produkovat laserové světlo, jako jsou rubíny, beryliové sklo, neon, polovodiče, organická barviva atd. Úlohou optické rezonanční regulace je zvýšit jas výstupního laseru, nastavit a zvolit vlnovou délku a směr laseru.
D. Žádost
Laser se široce používá, zejména ve optické komunikaci, laserovém měření vzdálenosti, laserovém řezání, laserových zbraních, laserových diskech a tak dále.
E. Historie
V roce 1958 objevili američtí vědci Xiaoluo a Townes magický jev: když světlo vyzařované vnitřní žárovkou umístili na krystal vzácných zemin, molekuly krystalu začaly vyzařovat jasné, vždy pohromadě silné světlo. Podle tohoto jevu navrhli „princip laseru“, tj. když je látka excitována stejnou energií, jako je vlastní frekvence kmitání jejích molekul, produkuje toto silné světlo, které se nerozbíhá – laser. Nalezli k tomu důležité práce.
Po zveřejnění výsledků výzkumu Sciola a Townese vědci z různých zemí navrhli různá experimentální schémata, ale ta nebyla úspěšná. 15. května 1960 Mayman, vědec z Hughesovy laboratoře v Kalifornii, oznámil, že získal laser s vlnovou délkou 0,6943 mikronu, což byl první laser, jaký kdy lidé získali, a Mayman se tak stal prvním vědcem na světě, který zavedl lasery do praktické oblasti.
7. července 1960 Mayman oznámil zrod prvního laseru na světě. Maymanův plán spočívá ve stimulaci atomů chromu v rubínovém krystalu pomocí vysoce intenzivní zábleskové trubice, čímž vzniká velmi koncentrovaný tenký sloupec červeného světla. Když je vypálen v určitém bodě, může dosáhnout teploty vyšší než povrch Slunce.
Sovětský vědec H.G. Basov vynalezl polovodičový laser v roce 1960. Struktura polovodičového laseru se obvykle skládá z vrstvy P, vrstvy N a aktivní vrstvy, které tvoří dvojitý heteropřechod. Jeho vlastnosti jsou: malá velikost, vysoká účinnost vazby, rychlá rychlost odezvy, vlnová délka a velikost odpovídají velikosti optického vlákna, lze jej přímo modulovat a má dobrou koherenci.
Šest, některé z hlavních směrů použití laseru
F. Laserová komunikace
Používání světla k přenosu informací je dnes velmi běžné. Například lodě používají světla ke komunikaci a semafory používají červenou, žlutou a zelenou. Všechny tyto způsoby přenosu informací pomocí běžného světla však lze omezit pouze na krátké vzdálenosti. Pokud chcete přenášet informace přímo na vzdálená místa pomocí světla, nemůžete použít běžné světlo, ale pouze lasery.
Jak tedy laser přenášíte? Víme, že elektřina může být přenášena po měděných drátech, ale světlo nelze přenášet po běžných kovových drátech. Za tímto účelem vědci vyvinuli vlákno, které dokáže přenášet světlo, nazývané optické vlákno. Optické vlákno je vyrobeno ze speciálních skleněných materiálů, jehož průměr je tenčí než lidský vlas, obvykle 50 až 150 mikronů, a je velmi měkké.
Vnitřní jádro vlákna je ve skutečnosti vyrobeno z průhledného optického skla s vysokým indexem lomu a vnější povlak je vyroben ze skla nebo plastu s nízkým indexem lomu. Taková struktura jednak umožňuje lámání světla podél vnitřního jádra, podobně jako voda proudící ve vodovodním potrubí a přenos elektřiny v drátu, i když tisíce zákrutů a otočení nemají žádný vliv. Na druhou stranu povlak s nízkým indexem lomu zabraňuje úniku světla, stejně jako vodovodní potrubí nepropouští a izolační vrstva drátu nevede elektřinu.
Vznik optického vlákna řeší způsob přenosu světla, ale to neznamená, že s ním lze přenášet jakékoli světlo na velké vzdálenosti. Pouze vysoký jas, čisté barvy a dobrý směrový laser jsou nejideálnějším zdrojem světla pro přenos informací, vstupují z jednoho konce vlákna, téměř bez ztrát a výstup je z druhého konce. Optická komunikace je tedy v podstatě laserová komunikace, která má výhody velké kapacity, vysoké kvality, širokého zdroje materiálů, vysoké důvěrnosti, odolnosti atd. Vědci ji oslavují jako revoluci v oblasti komunikace a je jedním z nejbrilantnějších úspěchů technologické revoluce.
Čas zveřejnění: 29. června 2023