Лазер – це процес та інструмент для генерації колімованих, монохроматичних, когерентних світлових променів шляхом посилення вимушеного випромінювання та необхідного зворотного зв'язку. По суті, для генерації лазера потрібні три елементи: «резонатор», «середовище підсилення» та «джерело накачування».
А. Принцип
Стан руху атома можна розділити на різні енергетичні рівні, і коли атом переходить з високого енергетичного рівня на низький, він вивільняє фотони відповідної енергії (так зване спонтанне випромінювання). Аналогічно, коли фотон падає на систему енергетичних рівнів і поглинається нею, це призводить до переходу атома з низького енергетичного рівня на високий (так зване збуджене поглинання); потім деякі атоми, які переходять на вищі енергетичні рівні, переходять на нижчі енергетичні рівні та випромінюють фотони (так зване вимушене випромінювання). Ці рухи відбуваються не ізольовано, а часто паралельно. Коли ми створюємо певні умови, наприклад, використовуючи відповідне середовище, резонатор, достатнє зовнішнє електричне поле, вимушене випромінювання посилюється таким чином, що вимушене поглинання перевищує вимушене, тоді загалом випромінюються фотони, що призводить до лазерного світла.
Б. Класифікація
Залежно від середовища, яке виробляє лазер, лазери можна розділити на рідинні лазери, газові лазери та твердотільні лазери. Наразі найпоширенішим напівпровідниковим лазером є твердотільний лазер.
Склад
Більшість лазерів складаються з трьох частин: системи збудження, лазерного матеріалу та оптичного резонатора. Системи збудження – це пристрої, що виробляють світлову, електричну або хімічну енергію. Наразі основними засобами стимулювання є світло, електрика або хімічна реакція. Лазерні речовини – це речовини, які можуть виробляти лазерне світло, такі як рубіни, берилієве скло, неоновий газ, напівпровідники, органічні барвники тощо. Роль оптичного резонансного контролю полягає в підвищенні яскравості вихідного лазера, регулюванні та виборі довжини хвилі та напрямку лазера.
D. Застосування
Лазер широко використовується, головним чином для волоконного зв'язку, лазерної дальномірки, лазерного різання, лазерної зброї, лазерних дисків тощо.
E. Історія
У 1958 році американські вчені Сяолуо та Таунс виявили чарівне явище: коли вони помістили світло, що випромінюється внутрішньою лампочкою, на кристал рідкоземельного елемента, молекули кристала випромінювали яскраве, завжди разом сильне світло. Відповідно до цього явища, вони запропонували «принцип лазера», тобто, коли речовина збуджується тією ж енергією, що й власна частота коливань її молекул, вона виробляє це сильне світло, яке не розходиться – лазер. Вони знайшли важливі статті для цього.
Після публікації результатів досліджень Скіоло та Таунса вчені з різних країн пропонували різні експериментальні схеми, але вони не увінчалися успіхом. 15 травня 1960 року Мейман, вчений Лабораторії Хьюза в Каліфорнії, оголосив, що отримав лазер з довжиною хвилі 0,6943 мікрона, який став першим лазером, коли-небудь отриманим людиною, і таким чином Мейман став першим вченим у світі, який впровадив лазери в практичну галузь.
7 липня 1960 року Мейман оголосив про народження першого у світі лазера. Схема Меймана полягала у використанні високоінтенсивної спалахової трубки для стимуляції атомів хрому в кристалі рубіна, створюючи таким чином дуже концентрований тонкий стовп червоного світла, який при випромінюванні в певній точці може досягти температури, вищої за температуру поверхні Сонця.
Радянський вчений Г.Г. Басов винайшов напівпровідниковий лазер у 1960 році. Структура напівпровідникового лазера зазвичай складається з P-шару, N-шару та активного шару, які утворюють подвійний гетероперехід. Його характеристики: малий розмір, висока ефективність зв'язку, висока швидкість відгуку, відповідність довжини хвилі та розміру розміру оптичного волокна, можливість безпосередньої модуляції, добра когерентність.
Шість, деякі основні напрямки застосування лазера
F. Лазерний зв'язок
Використання світла для передачі інформації сьогодні дуже поширене. Наприклад, кораблі використовують вогні для зв'язку, а світлофори використовують червоний, жовтий та зелений кольори. Але всі ці способи передачі інформації за допомогою звичайного світла можуть бути обмежені лише короткими відстанями. Якщо ви хочете передавати інформацію безпосередньо у віддалені місця за допомогою світла, ви не можете використовувати звичайне світло, а лише лазери.
Отже, як подати лазерний випромінювач? Ми знаємо, що електрика може передаватися мідними дротами, але світло не може передаватися звичайними металевими дротами. З цією метою вчені розробили нитку розжарення, яка може передавати світло, яку називають оптичним волокном. Оптичне волокно виготовляється зі спеціальних скляних матеріалів, діаметр якого тонший за людську волосину, зазвичай від 50 до 150 мікрон, і воно дуже м'яке.
Фактично, внутрішня серцевина волокна виготовлена з прозорого оптичного скла з високим показником заломлення, а зовнішнє покриття виготовлене зі скла або пластику з низьким показником заломлення. Така структура, з одного боку, може призвести до того, що світло заломлюється вздовж внутрішньої серцевини, подібно до того, як вода тече вперед у водопровідній трубі, а електрика передається вперед по дроту, навіть якщо тисячі поворотів і витків не мають жодного ефекту. З іншого боку, покриття з низьким показником заломлення може запобігти витоку світла, так само як водопровідна труба не просочується, а ізоляційний шар дроту не проводить електрику.
Поява оптичного волокна вирішує питання передачі світла, але це не означає, що з його допомогою будь-яке світло може передаватися на дуже великі відстані. Тільки лазер з високою яскравістю, чистим кольором та хорошим спрямованим випромінюванням є найкращим джерелом світла для передачі інформації, воно надходить з одного кінця волокна, майже без втрат та виходить з іншого кінця. Таким чином, оптичний зв'язок, по суті, є лазерним зв'язком, який має такі переваги, як велика ємність, висока якість, широке джерело матеріалів, висока конфіденційність, довговічність тощо, і вчені вважають його революцією в галузі зв'язку та одним з найяскравіших досягнень технологічної революції.
Час публікації: 29 червня 2023 р.