Laser verwijst naar het proces en instrument voor het genereren van gecollimeerde, monochromatische, coherente lichtbundels door middel van gestimuleerde stralingsversterking en de nodige feedback. 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 het atoom van een hoog naar een laag energieniveau overgaat, geeft het fotonen af met een corresponderende energie (zogenaamde spontane straling). Evenzo, wanneer een foton op een energieniveausysteem valt en erdoor wordt geabsorbeerd, zal dit ervoor zorgen dat het atoom van een laag naar een hoog energieniveau overgaat (zogenaamde geëxciteerde absorptie); 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, zoals het gebruik van het juiste medium, een resonator of een voldoende extern elektrisch veld, wordt de gestimuleerde straling versterkt, zodat er meer fotonen worden uitgezonden dan de gestimuleerde absorptie. In het algemeen zullen er dan fotonen worden uitgezonden, wat resulteert in laserlicht.
B. Classificatie
Afhankelijk van het medium waaruit de laser bestaat, kan de laser worden onderverdeeld in vloeistoflasers, gaslasers en vastestoflasers. De meest voorkomende halfgeleiderlaser is een vastestoflaser.
C. Samenstelling
De meeste lasers bestaan uit drie onderdelen: een excitatiesysteem, lasermateriaal en een optische resonator. Excitatiesystemen zijn apparaten die licht, elektrische of chemische energie produceren. Momenteel worden licht, elektriciteit of een chemische reactie als belangrijkste stimulerende middelen gebruikt. Laserstoffen zijn stoffen die laserlicht kunnen produceren, zoals robijnen, berylliumglas, neongas, halfgeleiders, organische kleurstoffen, enz. De rol van optische resonantiecontrole is het verbeteren van de helderheid van de laser en het aanpassen en selecteren van de golflengte en richting van de laser.
D. Toepassing
Lasers worden veel gebruikt, vooral voor glasvezelcommunicatie, laserafstandsmetingen, lasersnijden, laserwapens, laserschijven, enzovoort.
E. Geschiedenis
In 1958 ontdekten de Amerikaanse wetenschappers Xiaoluo en Townes een magisch fenomeen: wanneer ze het licht van de interne gloeilamp op een zeldzaam-aardkristal richten, zenden de moleculen van het kristal helder, altijd samen sterk licht uit. Volgens dit fenomeen stelden ze het "laserprincipe" voor: wanneer de substantie wordt geëxciteerd met dezelfde energie als de natuurlijke oscillatiefrequentie van de moleculen, produceert het dit sterke licht dat niet divergeert – laser. Ze vonden belangrijke publicaties hierover.
Na de publicatie van de onderzoeksresultaten van Sciolo en Townes stelden wetenschappers uit verschillende landen verschillende experimentele plannen voor, maar deze waren niet succesvol. Op 15 mei 1960 kondigde Mayman, wetenschapper aan het Hughes Laboratory in Californië, aan dat hij een laser had ontwikkeld met een golflengte van 0,6943 micron, de eerste laser ooit verkregen door de mens. Mayman werd daarmee de eerste wetenschapper ter wereld die lasers in de praktijk introduceerde.
Op 7 juli 1960 maakte Mayman de geboorte van de eerste laser ter wereld bekend. Mayman gebruikte een flitsbuis met een hoge intensiteit om chroomatomen in een robijnrode kristal te stimuleren. Hierdoor ontstond een zeer geconcentreerde, dunne kolom rood licht. Wanneer deze op een bepaald punt werd afgevuurd, kon deze een temperatuur bereiken die hoger was dan die van het oppervlak van de zon.
De Sovjetwetenschapper H.Γ Basov vond de halfgeleiderlaser uit in 1960. De structuur van een halfgeleiderlaser bestaat meestal uit een P-laag, N-laag en actieve laag die een dubbele heterojunctie vormen. De kenmerken zijn: klein formaat, hoge koppelingsefficiëntie, snelle responstijd, golflengte en afmetingen die aansluiten op de afmetingen van de optische vezel, direct moduleerbaar en goede coherentie.
Zes, enkele van de belangrijkste toepassingsrichtingen van laser
F. Lasercommunicatie
Het gebruik van licht om informatie over te brengen is tegenwoordig heel gebruikelijk. Schepen gebruiken bijvoorbeeld lichten om te communiceren, en verkeerslichten gebruiken rood, geel en groen. Maar al deze manieren om informatie over te brengen met gewoon licht zijn slechts beperkt tot korte afstanden. Als je informatie rechtstreeks naar verre oorden wilt overbrengen via licht, kun je geen gewoon licht gebruiken, maar alleen lasers.
Dus hoe breng je de laser over? We weten dat elektriciteit via koperdraden kan worden geleid, maar licht niet via gewone metalen draden. Om dit te bereiken, hebben wetenschappers een filament ontwikkeld dat licht kan overbrengen, een zogenaamde optische vezel. Een optische vezel is gemaakt van speciaal glasmateriaal, de diameter is dunner dan een mensenhaar, meestal 50 tot 150 micron, en erg zacht.
De binnenste kern van de vezel bestaat namelijk uit transparant optisch glas met een hoge brekingsindex, en de buitenste coating is gemaakt van glas of kunststof met een lage brekingsindex. Een dergelijke structuur kan enerzijds het licht dat langs de binnenste kern wordt gebroken, net zoals water dat door de waterleiding stroomt, en elektriciteit die door de draad wordt doorgegeven, bevorderen, zelfs als duizenden draaiingen en kronkels geen effect hebben. Anderzijds voorkomt de coating met een lage brekingsindex dat licht weglekt, net zoals de waterleiding niet lekt en de isolatielaag van de draad geen elektriciteit geleidt.
De komst van optische vezels biedt een oplossing voor de manier waarop licht wordt overgedragen, maar dat betekent niet dat er ook maar één lichtbron mee naar grote afstanden kan worden verzonden. Alleen een laser met hoge helderheid, zuivere kleuren en een goede richtingsgevoeligheid is de meest ideale lichtbron voor informatieoverdracht. De invoer vindt plaats aan het ene uiteinde van de vezel, met vrijwel geen verlies, en de uitvoer aan het andere uiteinde. Optische communicatie is daarom in wezen lasercommunicatie, met voordelen zoals een grote capaciteit, hoge kwaliteit, een breed scala aan materialen, sterke vertrouwelijkheid, duurzaamheid, enz. Wetenschappers beschouwen optische communicatie als een revolutie in de communicatie en beschouwen het als een van de meest briljante prestaties in de technologische revolutie.
Plaatsingstijd: 29 juni 2023