Laserprinzip und seine Anwendung

Laser bezieht sich auf den Prozess und das Instrument zur Erzeugung kollimierter, monochromatischer, kohärenter Lichtstrahlen durch stimulierte Strahlungsverstärkung und die notwendige Rückkopplung. Grundsätzlich erfordert die Lasererzeugung drei Elemente: einen „Resonator“, ein „Verstärkungsmedium“ und eine „Pumpquelle“.

A. Prinzip

Der Bewegungszustand eines Atoms kann in verschiedene Energieniveaus unterteilt werden. Wenn das Atom von einem hohen Energieniveau auf ein niedriges Energieniveau übergeht, setzt es Photonen entsprechender Energie frei (sogenannte spontane Strahlung). Wenn ein Photon auf ein Energieniveausystem trifft und von diesem absorbiert wird, bewirkt es in ähnlicher Weise, dass das Atom von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau übergeht (sogenannte angeregte Absorption); Dann gehen einige der Atome, die auf höhere Energieniveaus übergehen, auf niedrigere Energieniveaus über und emittieren Photonen (sogenannte stimulierte Strahlung). Diese Bewegungen erfolgen nicht isoliert, sondern oft parallel. Wenn wir eine Bedingung schaffen, wie z. B. die Verwendung eines geeigneten Mediums, eines Resonators und eines ausreichenden externen elektrischen Felds, wird die stimulierte Strahlung verstärkt, so dass mehr als die stimulierte Absorption entsteht, dann werden im Allgemeinen Photonen emittiert, was zu Laserlicht führt.

B. Klassifizierung

Je nach Medium, das den Laser erzeugt, kann der Laser in Flüssigkeitslaser, Gaslaser und Festkörperlaser unterteilt werden. Mittlerweile ist der gebräuchlichste Halbleiterlaser eine Art Festkörperlaser.

C. Zusammensetzung

Die meisten Laser bestehen aus drei Teilen: Anregungssystem, Lasermaterial und optischem Resonator. Anregungssysteme sind Geräte, die Licht, elektrische oder chemische Energie erzeugen. Als Anreizmittel kommen derzeit vor allem Licht, Elektrizität oder chemische Reaktionen zum Einsatz. Lasersubstanzen sind Substanzen, die Laserlicht erzeugen können, wie etwa Rubine, Berylliumglas, Neongas, Halbleiter, organische Farbstoffe usw. Die Rolle der optischen Resonanzkontrolle besteht darin, die Helligkeit des Ausgangslasers zu erhöhen und die Wellenlänge und Richtung anzupassen und auszuwählen des Lasers.

D. Bewerbung

Laser sind weit verbreitet, vor allem Glasfaserkommunikation, Laserentfernungsmessung, Laserschneiden, Laserwaffen, Laserscheiben und so weiter.

E. Geschichte

1958 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Xiaoluo und Townes ein magisches Phänomen: Wenn sie das von der inneren Glühbirne emittierte Licht auf einen Seltenerdkristall richten, strahlen die Moleküle des Kristalls helles, stets starkes Licht aus. Aufgrund dieses Phänomens schlugen sie das „Laserprinzip“ vor, das heißt, wenn die Substanz mit der gleichen Energie wie die natürliche Schwingungsfrequenz ihrer Moleküle angeregt wird, erzeugt sie dieses starke Licht, das nicht divergiert – Laser. Dafür fanden sie wichtige Papiere.

Nach der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse von Sciolo und Townes schlugen Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern verschiedene experimentelle Schemata vor, die jedoch nicht erfolgreich waren. Am 15. Mai 1960 gab Mayman, ein Wissenschaftler am Hughes Laboratory in Kalifornien, bekannt, dass er einen Laser mit einer Wellenlänge von 0,6943 Mikrometern erhalten hatte, der erste jemals von Menschen geschaffene Laser, und Mayman wurde damit der erste Wissenschaftler der Welt Laser in die Praxis einzuführen.

Am 7. Juli 1960 kündigte Mayman die Geburt des ersten Lasers der Welt an. Maymans Plan besteht darin, eine hochintensive Blitzröhre zu verwenden, um Chromatome in einem Rubinkristall zu stimulieren und so beim Abfeuern eine sehr konzentrierte dünne rote Lichtsäule zu erzeugen An einem bestimmten Punkt kann es eine Temperatur erreichen, die höher ist als die der Sonnenoberfläche.

Der sowjetische Wissenschaftler H.Γ Basov erfand 1960 den Halbleiterlaser. Die Struktur eines Halbleiterlasers besteht normalerweise aus einer P-Schicht, einer N-Schicht und einer aktiven Schicht, die einen doppelten Heteroübergang bilden. Seine Eigenschaften sind: geringe Größe, hohe Kopplungseffizienz, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, Wellenlänge und Größe passen zur Glasfasergröße, können direkt moduliert werden, gute Kohärenz.

Sechs, einige der Hauptanwendungsrichtungen des Lasers

F. Laserkommunikation

Heutzutage ist die Verwendung von Licht zur Informationsübertragung weit verbreitet. Beispielsweise nutzen Schiffe für die Kommunikation Lichter, und Ampeln verwenden Rot, Gelb und Grün. Doch all diese Möglichkeiten der Informationsübertragung mittels gewöhnlichem Licht lassen sich nur auf kurze Distanzen beschränken. Wenn Sie Informationen durch Licht direkt an entfernte Orte übertragen möchten, können Sie kein gewöhnliches Licht, sondern nur Laser verwenden.

Wie liefern Sie den Laser? Wir wissen, dass Strom über Kupferdrähte übertragen werden kann, Licht jedoch nicht über gewöhnliche Metalldrähte. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler einen Glühfaden entwickelt, der Licht übertragen kann, eine sogenannte optische Faser, kurz Fiber genannt. Glasfasern bestehen aus speziellen Glasmaterialien, der Durchmesser ist dünner als ein menschliches Haar, normalerweise 50 bis 150 Mikrometer, und sehr weich.

Tatsächlich besteht der innere Kern der Faser aus transparentem optischem Glas mit hohem Brechungsindex, und die äußere Beschichtung besteht aus Glas oder Kunststoff mit niedrigem Brechungsindex. Eine solche Struktur kann einerseits dafür sorgen, dass das Licht entlang des inneren Kerns gebrochen wird, genau wie Wasser, das in der Wasserleitung vorwärts fließt, und dass Elektrizität im Draht vorwärts übertragen wird, selbst wenn Tausende von Drehungen und Wendungen keine Wirkung zeigen. Andererseits kann die Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex verhindern, dass Licht austritt, ebenso wie die Wasserleitung nicht sickert und die Isolierschicht des Drahtes keinen Strom leitet.

Das Erscheinen von Glasfasern klärt die Art und Weise der Lichtübertragung, aber das bedeutet nicht, dass damit Licht in sehr große Entfernungen übertragen werden kann. Nur ein Laser mit hoher Helligkeit, reiner Farbe und guter Richtwirkung ist die ideale Lichtquelle zur Übertragung von Informationen. Der Eingang erfolgt nahezu verlustfrei an einem Ende der Faser und der Ausgang erfolgt am anderen Ende. Daher handelt es sich bei der optischen Kommunikation im Wesentlichen um eine Laserkommunikation, die die Vorteile einer großen Kapazität, hoher Qualität, einer breiten Materialquelle, einer hohen Vertraulichkeit, Haltbarkeit usw. bietet und von Wissenschaftlern als Revolution auf dem Gebiet der Kommunikation gefeiert wird und eine solche ist einer der brillantesten Errungenschaften der technischen Revolution.