Laser verwijst naar het proces en instrument voor het genereren van gecollimeerde, monochromatische, coherente lichtbundels door middel van gestimuleerde stralingsversterking en de noodzakelijke terugkoppeling. Lasergeneratie vereist in principe drie elementen: een "resonator", een "versterkingsmedium" en een "pompbron".
A. Principe
De bewegingstoestand van een atoom kan worden onderverdeeld in verschillende energieniveaus. Wanneer een atoom overgaat van een hoog naar een laag energieniveau, zendt het fotonen met de corresponderende energie uit (zogenaamde spontane straling). Wanneer een foton op een energieniveau valt en wordt geabsorbeerd, zorgt dit ervoor dat het atoom overgaat van een laag naar een hoog energieniveau (zogenaamde excitatieabsorptie). Vervolgens zullen sommige atomen die naar hogere energieniveaus overgaan, overgaan naar lagere energieniveaus en fotonen uitzenden (zogenaamde gestimuleerde straling). Deze bewegingen vinden niet geïsoleerd plaats, maar vaak parallel. Wanneer we de juiste omstandigheden creëren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van een geschikt medium, een resonator of een voldoende sterk extern elektrisch veld, wordt de gestimuleerde straling versterkt, waardoor er meer fotonen worden uitgezonden dan bij de gestimuleerde absorptie. Dit resulteert in laserlicht.
B. Classificatie
Afhankelijk van het medium dat de laser produceert, kunnen lasers worden onderverdeeld in vloeistoflasers, gaslasers en vastestoflasers. De meest voorkomende halfgeleiderlaser is tegenwoordig een soort vastestoflaser.
C. Samenstelling
De meeste lasers bestaan uit drie onderdelen: een excitatie-systeem, lasermateriaal en een optische resonator. Excitatie-systemen zijn apparaten die licht, elektrische of chemische energie produceren. Momenteel worden voornamelijk licht, elektriciteit of chemische reacties gebruikt als excitatie-energiebronnen. Lasermateriaal is een stof die laserlicht kan produceren, zoals robijn, berylliumglas, neongas, halfgeleiders, organische kleurstoffen, enzovoort. De optische resonator dient om de helderheid van de laserstraal te verhogen en de golflengte en richting van de laser aan te passen en te selecteren.
D. Aanvraag
Lasers worden veel gebruikt, met name voor glasvezelcommunicatie, laserafstandsmeting, lasersnijden, laserwapens, laserschijven en dergelijke.
E. Geschiedenis
In 1958 ontdekten de Amerikaanse wetenschappers Xiaoluo en Townes een wonderbaarlijk fenomeen: wanneer ze het licht van een gloeilamp op een kristal van zeldzame aardmetalen richtten, zonden de moleculen van het kristal een helder, constant en sterk licht uit. Op basis van dit fenomeen formuleerden ze het 'laserprincipe', dat wil zeggen dat wanneer een stof wordt aangeslagen met dezelfde energie als de natuurlijke trillingsfrequentie van zijn moleculen, deze een sterk, niet-divergerend licht produceert – laserlicht. Ze vonden belangrijke publicaties hierover.
Na de publicatie van de onderzoeksresultaten van Sciolo en Townes stelden wetenschappers uit verschillende landen diverse experimentele schema's voor, maar deze bleken niet succesvol. Op 15 mei 1960 kondigde Mayman, een wetenschapper van het Hughes Laboratory in Californië, aan dat hij een laser met een golflengte van 0,6943 micron had verkregen. Dit was de eerste laser die ooit door mensen was gemaakt, waarmee Mayman de eerste wetenschapper ter wereld werd die lasers in de praktijk introduceerde.
Op 7 juli 1960 kondigde Mayman de geboorte van 's werelds eerste laser aan. Maymans plan was om met behulp van een flitsbuis met hoge intensiteit chroomatomen in een robijnkristal te stimuleren, waardoor een zeer geconcentreerde, dunne rode lichtkolom ontstond. Wanneer deze op een bepaald punt werd gericht, kon hij een temperatuur bereiken die hoger was dan die van het oppervlak van de zon.
De Sovjetwetenschapper H.G. Basov vond in 1960 de halfgeleiderlaser uit. De structuur van een halfgeleiderlaser bestaat doorgaans uit een P-laag, een N-laag en een actieve laag die een dubbele heteroverbinding vormen. De kenmerken ervan zijn: klein formaat, hoge koppelingsefficiëntie, snelle respons, golflengte en afmetingen die passen bij de afmetingen van optische vezels, directe modulatie mogelijk en goede coherentie.
Ten zesde, enkele van de belangrijkste toepassingsgebieden van lasers.
F. Lasercommunicatie
Het gebruik van licht om informatie over te brengen is tegenwoordig heel gewoon. Schepen gebruiken bijvoorbeeld licht om te communiceren en verkeerslichten gebruiken rood, geel en groen. Maar al deze manieren om informatie over te brengen met behulp van gewoon licht zijn beperkt tot korte afstanden. Als je informatie rechtstreeks naar verre plaatsen wilt verzenden via licht, kun je geen gewoon licht gebruiken, maar alleen lasers.
Hoe wordt de laser dan overgebracht? We weten dat elektriciteit door koperdraden kan worden geleid, maar licht kan niet door gewone metalen draden worden geleid. Daarom hebben wetenschappers een vezel ontwikkeld die licht kan transporteren, een zogenaamde optische vezel. Optische vezels zijn gemaakt van speciaal glasmateriaal, hebben een diameter die dunner is dan een mensenhaar, meestal 50 tot 150 micron, en zijn zeer flexibel.
In feite bestaat de binnenkern van de vezel uit transparant optisch glas met een hoge brekingsindex, terwijl de buitenste laag is gemaakt van glas of kunststof met een lage brekingsindex. Deze structuur zorgt er enerzijds voor dat het licht langs de binnenkern wordt gebroken, net zoals water door een waterleiding stroomt en elektriciteit door de draad wordt geleid, zelfs als duizenden bochten en kronkels geen effect hebben. Anderzijds voorkomt de laag met een lage brekingsindex dat licht weglekt, net zoals een waterleiding waterdicht is en de isolatielaag van een draad geen elektriciteit geleidt.
De komst van glasvezel loste het probleem van lichtoverdracht op, maar dat betekent niet dat elk licht hiermee over grote afstanden kan worden verzonden. Alleen lasers met een hoge helderheid, zuivere kleur en goede richting zijn de meest ideale lichtbronnen voor informatieoverdracht. Deze laser wordt aan het ene uiteinde van de vezel ingevoerd, met vrijwel geen verlies, en aan het andere uiteinde weer uitgevoerd. Optische communicatie is daarom in essentie lasercommunicatie, die voordelen biedt zoals een grote capaciteit, hoge kwaliteit, brede beschikbaarheid van materialen, sterke vertrouwelijkheid en duurzaamheid. Wetenschappers beschouwen het als een revolutie op het gebied van communicatie en als een van de meest briljante prestaties in de technologische revolutie.
Geplaatst op: 29 juni 2023