El 2015 és l'Any Internacional de la Llum i les Tecnologies basades en la Llum (IYL2015), que també és l'any en què el Consell Executiu de la UNESCO va signar la decisió d'establir el 16 de maig de cada any com el "Dia Internacional de la Llum". El motiu per triar el 16 de maig és...
El 2015, Any Internacional de la Llum i les Tecnologies Basades en la Llum (IYL2015), el Consell Executiu de la UNESCO va signar la decisió de designar el 16 de maig de cada any com el Dia Internacional de la Llum.
El 16 de maig va ser escollit perquè el 16 de maig de 1960, el físic nord-americà Meyman va crear el primer raig làser de la història de la humanitat.
Meyman i el làser robí.
Aleshores, què és exactament un làser? I per què és tan important?
Per respondre aquestes dues preguntes, hem d'entendre les causes i les conseqüències de l'obra de Meyman.
Per què els objectes emeten llum?
L'any 1912, els físics encara estaven obsessionats amb com era l'àtom, la fundació del món.
Aquest any es van publicar tres articles del físic danès Bohr, en els quals Bohr aplicava la teoria quàntica al model de l'àtom de Rutherford i proposava el famós model de Bohr.
El model de Bohr va ser capaç d'explicar fenòmens que no podien ser explicats per altres models en aquell moment, i va predir alguns resultats que es podrien confirmar amb experiments posteriors, de manera que va ser acceptat generalment per la comunitat científica després.
El model de Bohr és un model planetari, el que significa que els electrons carregats negativament es mouen al voltant d'un nucli carregat positivament com un planeta.
La subtilesa del model de Bohr és que les òrbites d'aquests electrons no es trien a l'atzar, sinó només a uns valors definits.
Model de Bohr de l'àtom d'hidrogen.
L'orbital d'electrons més intern s'anomena estat fonamental, l'orbital de la capa exterior s'anomena primer estat excitat, la capa exterior és el segon estat excitat, i així successivament.
Podem notar que les energies d'electrons d'aquests diferents orbitals són diferents, de manera que podem "aplanar" aquests orbitals, i obtenim alguns nivells d'energia. Nivells d'energia de radiació espontània.
A causa de la conservació de l'energia, els electrons volen saltar de nivells d'energia baixos a nivells d'energia alts, cal absorbir l'energia corresponent del món exterior, aquest procés l'anomenem absorció estimulada. De la mateixa manera, l'electró del nivell d'energia alt per caure al nivell d'energia baix, sens dubte també alliberarà l'energia corresponent, està demostrat que aquest procés emetrà un fotó, és a dir, l'electró serà lluminós, així que aquest procés s'anomena radiació espontània.
El principi de luminescència de les fonts de llum habituals a la nostra vida és la radiació espontània.
Làmpades fluorescents.
Fer "comportar" la llum
Hi ha alguns problemes amb la llum produïda per radiació espontània: hi ha molts nivells d'energia en els àtoms, i aquests fotons es poden produir per radiació espontània al primer nivell d'energia, o per radiació espontània al tercer nivell d'energia ......
Això condueix a diferents energies d'aquests fotons, i l'energia d'un sol fotó determina la freqüència de la llum, és a dir, la freqüència de la llum produïda per la radiació espontània és aleatòria.
Un altre punt és que el moment de la radiació espontània per produir fotons, així com la direcció del moviment dels fotons tampoc està sota el nostre control, la qual cosa conduirà a la radiació espontània per produir llum, la fase també és aleatòria.
La freqüència i la fase esmentades aquí són propietats de la llum com a ona electromagnètica. La freqüència es pot entendre com la velocitat de vibració de l'ona de llum, que també determina el color de la llum que veiem; La fase es pot entendre com la posició de la transmissió de l'ona de llum.
La llum com una ona electromagnètica.
En resum, la llum generada per fonts de llum ordinàries és com una colla de gent que s'amuntega al metro, són grans i joves, homes i dones, amb colors diferents per agafar el metro, i no caminen tan ràpid, alguns ja ho tenen. al tren, mentre alguns encara revisen els bitllets.
Això va conduir a fonts de llum ordinàries, tot i que en la vida de la il·luminació ha estat suficient per utilitzar-la, però en el camp de la investigació científica, especialment l'estudi de la naturalesa de la llum, el poder de combat és realment general.
Finalment, l'any 1917, va sorgir una altra manera de la llum, és a dir, Einstein va proposar la teoria de la radiació estimulada.
Radiació estimulada.
La teoria de la radiació excitada és dir, ara suposem que el primer estat excitat en un electró, quan un fotó colpeja, i l'energia d'aquest fotó és exactament igual al primer estat excitat i la bretxa entre l'estat fonamental, llavors aquesta vegada, el primer estat excitat a l'electró es veurà "temptat" per completar el cas de radiació espontània, emetent un El fotó "idèntic" s'allibera.
A causa de l'existència d'aquest "fotó temptat", anomenem aquest procés radiació excitada.
Si hi ha prou electrons d'alta energia, aquest procés continuarà, formant finalment un gran grup de fotons "seduïts", anomenarem aquest procés procés d'amplificació de la llum, el més important és que la fase i la freqüència d'aquests fotons sigui exactament la mateix. Com un exèrcit net i endreçat, i la radiació espontània anterior "prémer el metro" és completament diferent.
Quants passos cal per construir un làser?
El primer pas és la inversió del nombre de partícules.
Amb la teoria de la radiació excitada, la gent es pregunta com utilitzar aquesta teoria per construir una font de llum que pugui emetre una llum neta i ordenada.
Alguns lectors poden dir: "Per què no només agafar la llum i fer-la brillar? Què hi ha de tan difícil?
Els lectors que tinguin aquests dubtes haurien de parar atenció a la paraula "prou" esmentada anteriorment i no oblidar el nostre fenomen d'absorció excitada.
Si no hi ha prou electrons a nivells d'energia elevats, el nombre de radiació excitada és menor que el nombre d'absorció excitada, quan un feix de llum colpeja, no s'emetrà una amplificació de llum, sinó que serà l'absorció excitada d'electrons de l'estat fonamental, resultant en pèrdua de llum.
De fet, en el cas natural, el nombre d'electrons d'estat fonamental és molt més gran que el nombre d'electrons excitats, a temperatura ambient, per exemple, un sistema de dues energies (és a dir, només l'estat fonamental i el primer estat excitat de el sistema energètic) el nombre d'electrons de l'estat fonamental és aproximadament 10 de 170 vegades el nombre d'electrons excitats!
Així, per utilitzar el principi de la radiació excitada per crear una font de llum, el primer problema a resoldre és fer que el nombre de partícules a nivells d'energia més alts sigui més gran que el nombre de partícules a nivells d'energia més baixos, és a dir, aconseguir el nombre de partícules. inversió.
Com aconseguir la inversió del nombre de partícules?
La idea bàsica és bombejar les partícules de l'estat fonamental a l'estat d'alta energia, igual que una bomba.
Això és més fàcil de dir que de fer.
Partícules de bombeig d'aigua.
El segon pas és construir un predecessor.
El 1951, el físic nord-americà Towns va pensar com aconseguir la inversió del nombre de partícules en la molècula d'amoníac.
La molècula d'amoníac és un sistema de dues energies, i és impossible aconseguir la inversió del nombre de partícules en circumstàncies normals, ja que la probabilitat d'absorció excitada i radiació excitada és la mateixa, i també la presència de radiació espontània, la qual cosa condueix al fet que el nombre de partícules a nivells d'energia més alts ha de ser menor que el nombre de partícules en l'estat fonamental.
L'enfocament de Towns va ser enginyós, ja que va utilitzar un camp magnètic per distingir entre l'estat fonamental i les molècules d'amoníac en estat excitat, destacant les molècules d'amoníac en estat excitat que s'havien de col·locar en una cavitat ressonant de microones, en la qual es va aconseguir la inversió del nombre de partícules.
Tres anys més tard, amb aquesta idea, Towns va construir el primer "MASER". Què és MASER?
MASER s'anomena amplificació de microones per emissió estimulada de radiació, que es tradueix en "amplificació de microones per radiació estimulada". Làser LÀSER s'anomena amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació, que es tradueix en "amplificació de la llum per radiació estimulada".
Hem esmentat anteriorment que la llum és una ona electromagnètica i el microones és una altra ona electromagnètica.
Les ones electromagnètiques es poden classificar segons la seva freqüència, amb microones que oscil·len entre 300 MHz i 300 GHz, i la llum visible que oscil·la entre 3,9 i 7,5 vegades 10 a la 14a potència Hz.
Pel nom podem veure la diferència entre MASER i LAZER, principalment en la diferència de bandes operatives, MASER està a només un pas de LASER.
Pobles i el primer MASER.
El tercer pas és completar els tres components principals del làser.
La introducció de MASER va resoldre el problema d'inversió del nombre de partícules. En només tres anys, aquesta tecnologia ha avançat a passos de gegant i, en aquest punt, tothom vol afanyar-se i fer un pas més enllà convertint aquest amplificador de microones en un amplificador òptic i creant aquella font de llum de somni, el làser.
Fins ara hem estat capaços de resumir vagament la composició del làser tres components principals:
La primera és la necessitat d'aconseguir la inversió del nombre de partícules de la substància, com les molècules d'amoníac, que anomenem medi de guany; el segon és el mètode de bombeig adequat, l'anomenem bombeig; en tercer lloc són els esmentats Pobles amb cavitat ressonant, ja que pel que fa al paper de la cavitat ressonant parlarem més endavant.
El 1958, Towns i Shorro van col·laborar en un article teòric que va predir per primera vegada la viabilitat dels làsers des d'un punt de vista teòric. En aquest punt, tot estava preparat per a Towns, excepte el vent!
El 16 de maig de 1960, Meyman va prendre un camí diferent i va ser el primer a construir el primer làser de la història de la humanitat.
La història de com Meyman va arribar-hi primer és una història fascinant amb molts girs i voltes. Però centrem-nos aquí en el seu làser robí.
El diagrama esquemàtic del làser rubí.
Aquest làser mostra molt clarament els tres components principals del làser, també podem introduir-los al seu torn.
Guany mitjà:
El medi de guany escollit per Meyman és el robí, que és triòxid d'alumini dopat amb crom.
Esquema del sistema de tres energies.
Aquest mitjà de guany és un sistema de tres energies, i aquest sistema de tres energies per aconseguir la inversió del nombre de partícules és molt més senzill que el sistema de dos nivells anterior. Hi ha algunes característiques especials del sistema de tres nivells de rubí i podem entendre com aconsegueix la inversió del nombre de partícules mitjançant el seu procés de bombeig.
En primer lloc, les partícules d'estat fonamental es transporten directament al nivell d'energia E3 mitjançant una excitació adequada, i hi ha un procés de salt lliure de radiació entre els nivells d'energia E3 i E2, el que significa que les partícules de l'E3 s'executaran ràpidament a E2 per col·lisions. , i l'energia reduïda es converteix en energia de moviment tèrmica en lloc de luminescència.
A més, l'estat E2 és subestable, és a dir, les partícules que cauen al nivell d'energia E3 poden romandre al nivell d'energia E2 durant molt de temps. Això equival a utilitzar el nivell d'energia E3 com a transició per transportar les partícules de l'estat fonamental a E2, i deixar que el procés continuï, el nombre de partícules a E2 superarà el nombre de partícules a l'estat fonamental, aconseguint el nombre de partícules. inversió.
De fet, l'eficiència del làser robí és molt baixa, només un 0,1 per cent, que està limitada pel mitjà de guany, perquè el sistema de tres energies requereix una energia molt alta per bombar les partícules d'estat fonamental cap al estat d'alta energia. A més, la longitud d'ona d'aquest làser és de 694,3 nm, que també està determinada pel medi de guany.
Amb el desenvolupament del làser, els tipus de mitjà de guany van augmentar gradualment, incloent gas, sòlid, líquid, fibra, semiconductor, etc., com ara el punter làser que s'utilitza habitualment a l'aula és un làser semiconductor.
En resum, independentment del mitjà de guany, ha de tenir un mètode que pugui aconseguir la inversió del nombre de partícules.
Bombeig:
La làmpada bomba del primer làser robí.
La característica més òbvia del làser de Meynman és que la seva font de bomba és una làmpada de xenó en espiral, la forma espiral garanteix que la barra de robí es col·loqui entre les làmpades. A més, aquesta làmpada encara utilitza llum polsada per al bombeig, la qual cosa significa que la llum que emet no és contínua, sinó en ràfegues. Aquest és el disseny més important de Meynman, de manera que la llum de bombeig d'alta energia contínua no danyi el cristall.
Cavitat ressonant:
Esquema de la cavitat ressonant.
Als dos extrems de la barra de robí, Meyman va col·locar dos miralls i va cavar un petit forat al costat dret perquè la llum de la radiació excitada pogués viatjar d'anada i tornada a través del medi de guany per "atreure" més fotons, i després d'arribar a un certa intensitat, la llum làser s'emetria a través del petit forat.
Per a què serveix el làser?
Mayman va fer una conferència de premsa després de la invenció del làser, en què un periodista va fer aquesta pregunta, Mayman va donar 5 suggeriments: 1:
1. s'utilitza per amplificar la llum, per exemple, quan es fan làsers d'alta potència, utilitzen amplificadors òptics per amplificar la llum més feble;
2. pot utilitzar làsers per estudiar la matèria;
3. utilitzar raigs làser d'alta potència per a comunicacions espacials;
4. s'utilitza per augmentar el nombre de canals de comunicació (és el que després va sorgir com a comunicació de fibra òptica);
5. enfocar el feix per produir una intensitat lumínica ultra alta per tallar o soldar materials a la indústria, o per realitzar cirurgia en medicina, etc.
Hem d'admirar el gran sentit científic de Mehman, i tots aquests suggeriments que va fer es van complir més tard.
Recordeu les característiques dels fotons produïts per la radiació excitada?
Tenen la mateixa freqüència i fase, i el làser és essencialment una amplificació de la llum de la radiació excitada, de manera que les dues característiques més importants del làser són la bona monocromaticitat i l'alta energia. Aquestes dues característiques determinen els usos dels làsers, i aquestes són les dues direccions del desenvolupament del làser.
Una bona monocromaticitat significa que l'espectre làser és molt estret i pot mostrar fàcilment les característiques de la llum com a ona, i després podem utilitzar-lo per registrar informació de fase.
Per exemple, la tecnologia fotogràfica hologràfica inventada pel físic britànic Dennis Gerber el 1947 és essencialment l'ús de la fase de la llum per registrar tota la informació sobre l'objecte, per tal de produir l'efecte de la fotografia tridimensional.
Les fotografies hologràfiques poden registrar no només informació frontal sinó també informació lateral.
Va ser només després de la invenció del làser que aquesta tecnologia va estar disponible i va ser guardonada amb el Premi Nobel de Física el 1971.
L'alta energia s'entén bé, podem utilitzar làsers per gravar CD, per permetre la fusió nuclear, per tallar materials, etc. No només podem generar làsers continus d'alta energia, sinó que també podem obtenir làsers d'alta energia amb pols molt curt. durades mitjançant la tècnica de pel·lícula bloquejada i l'amplificació del xirp.
Diagrama de generació de polsos amb tecnologia de bloqueig de pel·lícula.
Els làsers de femtosegons ara estan àmpliament disponibles i la durada d'un sol pols només és de l'ordre de femtosegons (menys 15 segons de 10).
Amb aquest làser, podem donar cops precisos a una substància sense causar gaire dany, com la cirurgia de reparació de miopia, alterar la superfície d'una substància, potenciar les seves propietats antisèptiques, etc.
