|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
SEJARAH TEKNOLOGI, TEKNOLOGI, OBJEK DI SEKITAR KITA
Laser. Sejarah ciptaan dan pengeluaran
Buku Panduan / Sejarah teknologi, teknologi, objek di sekeliling kita Laser (Laser Inggeris, akronim untuk penguatan cahaya oleh pelepasan sinaran yang dirangsang), atau penjana kuantum optik, ialah peranti yang menukar tenaga pam (cahaya, elektrik, haba, kimia, dll.) kepada tenaga koheren. , monokromatik, fluks sinaran terkutub dan terarah sempit. Asas fizikal operasi laser ialah fenomena mekanikal kuantum sinaran yang dirangsang (teraruh). Sinaran laser boleh berterusan, dengan kuasa malar, atau berdenyut, mencapai kuasa puncak yang sangat tinggi. Dalam sesetengah skema, elemen kerja laser digunakan sebagai penguat optik untuk sinaran dari sumber lain. Terdapat sejumlah besar jenis laser yang menggunakan semua keadaan agregat jirim sebagai medium kerja. Sesetengah jenis laser, seperti laser larutan pewarna atau laser keadaan pepejal polikromatik, boleh menjana julat keseluruhan frekuensi (mod rongga optik) pada julat spektrum yang luas. Pelbagai saiz laser daripada mikroskopik untuk beberapa laser semikonduktor kepada saiz padang bola untuk beberapa laser kaca neodymium. Sifat unik sinaran laser memungkinkan untuk menggunakannya dalam pelbagai cabang sains dan teknologi, serta dalam kehidupan seharian, daripada membaca dan menulis CD kepada penyelidikan dalam bidang pelakuran termonuklear terkawal.
Walaupun peranti laser yang agak mudah, proses yang mendasari operasinya adalah sangat kompleks dan tidak dapat dijelaskan dari segi undang-undang fizik klasik. Sejak zaman Maxwell dan Hertz, sains telah menubuhkan idea bahawa elektromagnet dan, khususnya, sinaran cahaya mempunyai sifat gelombang. Teori ini menerangkan dengan baik kebanyakan fenomena optik dan fizikal yang diperhatikan. Tetapi sudah pada akhir abad ke-XNUMX, beberapa data eksperimen diperolehi yang tidak sesuai dengan teori ini. Sebagai contoh, fenomena kesan fotoelektrik ternyata tidak dapat difahami sepenuhnya dari sudut pandangan idea klasik tentang sifat gelombang cahaya. Pada tahun 1900, ahli fizik Jerman terkenal Max Planck, cuba menjelaskan sifat penyelewengan ini, membuat andaian bahawa pelepasan sinaran elektromagnet dan, khususnya, cahaya tidak berlaku secara berterusan, tetapi dalam bahagian mikroskopik yang berasingan. Pada tahun 1905, Einstein, membangunkan teori kesan fotoelektrik, mengukuhkan idea Planck dan dengan meyakinkan menunjukkan bahawa sinaran elektromagnet memang dipancarkan dalam bahagian (bahagian ini dipanggil quanta), dan kemudian, dalam proses penyebaran, setiap bahagian mengekalkan "individualitinya". ", tidak dihancurkan dan tidak bertindan dengan orang lain, jadi anda hanya boleh menyerapnya sepenuhnya. Daripada penerangan ini, ternyata quanta dalam banyak kes berkelakuan tidak seperti gelombang, tetapi seperti zarah. Tetapi pada masa yang sama, mereka tidak berhenti menjadi gelombang (contohnya, kuantum tidak mempunyai jisim rehat dan wujud hanya bergerak pada kelajuan 300000 km / s), iaitu, mereka mempunyai dualisme tertentu. Teori kuantum memungkinkan untuk menjelaskan banyak fenomena yang tidak dapat difahami sebelum ini dan, khususnya, sifat interaksi sinaran dengan jirim. Mari kita ambil contoh mudah: mengapa badan mengeluarkan cahaya apabila dipanaskan? Pemanasan, katakan, paku pada pembakar gas, kita akan melihat bahawa pada mulanya ia memperoleh warna merah tua, kemudian ia menjadi merah. Jika anda teruskan pemanasan, maka warna merah bertukar menjadi kuning dan kemudian menjadi putih yang mempesonakan. Oleh itu, kuku mula memancarkan bukan sahaja inframerah (terma), tetapi juga sinaran yang boleh dilihat. Sebab fenomena ini adalah seperti berikut. Semua badan (termasuk kuku kita) terdiri daripada molekul, dan molekul terdiri daripada atom. Setiap atom ialah nukleus yang kecil dan sangat padat yang mengelilingi lebih atau kurang elektron berputar. Elektron ini tidak bergerak mengelilingi nukleus secara rawak, tetapi setiap satu daripadanya berada pada tahap yang ditetapkan dengan tepat; Sehubungan itu, beberapa peringkat terletak lebih dekat dengan teras, manakala yang lain lebih jauh daripadanya. Tahap ini dipanggil tahap tenaga, kerana setiap elektron yang terletak pada mereka mempunyai spesifiknya sendiri, hanya wujud pada tahap ini, tenaga. Semasa elektron berada pada tahap pegun, ia bergerak tanpa memancarkan tenaga. Keadaan atom ini boleh berterusan selama-lamanya. Tetapi jika sejumlah tenaga diberikan kepada atom dari luar (seperti yang berlaku apabila paku dipanaskan), atom itu "teruja". Intipati pengujaan ini adalah bahawa elektron menyerap kuanta sinaran yang menembusi bahan (dalam contoh kami, sinaran terma inframerah pembakar gas), memperoleh tenaga mereka dan, kerana ini, bergerak ke tahap tenaga yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, elektron boleh kekal pada tahap yang lebih tinggi ini hanya untuk masa yang sangat singkat (seperseribu dan bahkan sepersejuta saat). Selepas masa ini, setiap elektron kembali semula ke tahap pegunnya dan pada masa yang sama mengeluarkan kuantum tenaga (atau, apa yang sama, gelombang dengan panjang tertentu). Di antara gelombang ini, ada yang berada dalam julat yang boleh dilihat (kuanta cahaya yang boleh dilihat ini dipanggil foton; kita memerhatikan pancaran foton oleh atom teruja seperti cahaya paku yang dipanaskan). Dalam contoh kita dengan paku, proses penyerapan dan pelepasan kuanta berjalan dengan huru-hara. Dalam atom kompleks, sejumlah besar peralihan elektron dari peringkat atas ke peringkat bawah diperhatikan, dan setiap daripadanya memancarkan sinaran dengan frekuensinya sendiri. Oleh itu, sinaran pergi serentak dalam beberapa spektrum dan dalam arah yang berbeza, dengan beberapa atom memancarkan foton, manakala yang lain menyerapnya. Dengan cara yang sama, kuanta dipancarkan oleh mana-mana badan yang dipanaskan. Setiap badan ini (sama ada Matahari, kimpalan arka, atau filamen lampu pijar) secara serentak memancarkan banyak gelombang dengan panjang yang berbeza (atau, apa yang sama, kuantiti tenaga yang berbeza). Itulah sebabnya, tidak kira betapa sempurnanya kanta atau sistem optik lain yang kita miliki, kita tidak akan dapat memfokuskan sinaran yang dipancarkan oleh badan yang dipanaskan ke dalam pancaran selari yang ketat - ia akan sentiasa menyimpang pada sudut tertentu. Ini boleh difahami - selepas semua, setiap gelombang akan dibiaskan dalam kanta pada sudutnya sendiri; oleh itu, dalam apa jua keadaan kita tidak akan dapat mencapai keselarian mereka. Walau bagaimanapun, pengasas teori kuantum telah pun mempertimbangkan satu lagi kemungkinan radiasi, yang tidak berlaku dalam keadaan semula jadi, tetapi mungkin disimulasikan oleh manusia. Sesungguhnya, jika mungkin untuk merangsang semua elektron bahan yang dimiliki oleh satu tahap tenaga tertentu, dan kemudian memaksanya untuk memancarkan kuanta sekaligus dalam satu arah, maka mungkin untuk memperoleh yang sangat kuat dan pada masa yang sama. nadi sinaran yang sangat homogen. Dengan memfokuskan rasuk sedemikian (memandangkan semua gelombang yang membentuknya adalah sama panjang), ia mungkin untuk mencapai keselarian yang hampir sempurna bagi rasuk itu. Buat pertama kalinya, Einstein menulis tentang kemungkinan radiasi seperti itu, seperti yang dipanggilnya, merangsang radiasi pada tahun 1917 dalam karyanya "Emisi dan penyerapan sinaran mengikut teori kuantum" dan "Teori kuantum sinaran." Pelepasan yang dirangsang khususnya boleh dicapai dengan cara berikut. Mari kita bayangkan sebuah jasad yang elektronnya sudah "terlalu teruja" dan berada pada tahap tenaga atas, dan andaikan ia disinari dengan bahagian baru quanta. Dalam kes ini, proses yang menyerupai runtuhan salji berlaku. Elektron sudah "terlebih tepu" dengan tenaga. Hasil daripada penyinaran tambahan, mereka pecah dari peringkat atas dan pergi seperti runtuhan salji ke peringkat bawah, memancarkan kuantiti tenaga elektromagnet. Selain itu, arah dan fasa ayunan kuanta ini bertepatan dengan arah dan fasa gelombang kejadian. Akan ada, seolah-olah, kesan penguatan resonan gelombang, apabila tenaga gelombang keluaran akan berkali-kali melebihi tenaga yang berada pada input. Tetapi bagaimana untuk mencapai paralelisme ketat foton yang dipancarkan? Ternyata ini boleh dilakukan menggunakan peranti yang sangat mudah dipanggil resonator cermin terbuka. Ia terdiri daripada bahan aktif yang diletakkan di dalam tiub antara dua cermin: cermin biasa dan lut sinar.
Foton yang dipancarkan oleh bahan, jatuh pada cermin lut sinar, sebahagiannya melaluinya. Selebihnya dipantulkan dan terbang ke arah yang bertentangan, kemudian dipantulkan dari cermin kiri (kini semuanya) dan sekali lagi mencapai cermin lut sinar. Dalam kes ini, fluks foton selepas setiap laluan melalui bahan teruja sangat dipertingkatkan. Walau bagaimanapun, hanya gelombang yang bergerak berserenjang dengan cermin akan dikuatkan; semua yang lain yang jatuh pada cermin dengan sekurang-kurangnya sisihan sedikit dari serenjang, tanpa menerima amplifikasi yang mencukupi, meninggalkan bahan aktif melalui dindingnya. Akibatnya, aliran keluar mempunyai kearah yang sangat sempit. Prinsip mendapatkan pelepasan terstimulasi inilah yang mendasari operasi laser (perkataan laser itu sendiri terdiri daripada huruf pertama definisi bahasa Inggeris penguatan cahaya oleh pelepasan dan sinaran yang dirangsang, yang bermaksud penguatan cahaya oleh pelepasan yang dirangsang). Penciptaan peranti yang luar biasa ini telah didahului oleh sejarah yang panjang. Adalah aneh bahawa teknologi berhutang ciptaan laser kepada pakar yang, pada pandangan pertama, jauh dari kedua-dua optik dan elektrodinamik kuantum, iaitu, ahli fizik radio. Walau bagaimanapun, ini mempunyai corak yang tersendiri. Telah dikatakan sebelum ini bahawa sejak awal tahun 40-an, ahli fizik radio di seluruh dunia telah berusaha untuk menguasai julat gelombang sentimeter dan milimeter, kerana ini memungkinkan untuk memudahkan dan mengurangkan peralatan dengan ketara, terutamanya sistem antena. Tetapi tidak lama kemudian menjadi jelas bahawa penjana tiub lama hampir tidak dapat disesuaikan untuk berfungsi dalam keadaan baru. Dengan bantuan mereka, hampir tidak mungkin untuk menghasilkan gelombang 1 mm (dalam kes ini, kekerapan ayunan elektromagnet dalam penjana ini mencapai beberapa bilion sesaat), tetapi penciptaan penjana untuk gelombang yang lebih pendek ternyata mustahil. Kaedah asas baru untuk menghasilkan gelombang elektromagnet diperlukan. Pada masa itu, ahli fizik radio Soviet Alexander Prokhorov dan Nikolai Basov mula mengkaji masalah yang sangat menarik - penyerapan gelombang radio oleh gas. Walaupun semasa perang, didapati bahawa gelombang dengan panjang tertentu yang dipancarkan oleh radar tidak mencerminkan, seperti yang lain, dari objek sekeliling dan tidak memberikan "gema". Sebagai contoh, rasuk gelombang 1 cm seolah-olah larut di angkasa - ternyata gelombang panjang ini secara aktif diserap oleh molekul wap air. Kemudian ternyata setiap gas menyerap gelombang dengan panjang tertentu sedemikian rupa sehingga molekulnya entah bagaimana "ditala" kepadanya. Daripada eksperimen ini hanya terdapat satu langkah ke idea seterusnya: jika atom dan molekul dapat menyerap gelombang dengan panjang tertentu, maka ia juga boleh memancarkannya, iaitu, bertindak sebagai penjana. Oleh itu, idea telah dilahirkan untuk mencipta penjana gas sinaran, di mana, bukannya tiub elektron, berbilion molekul gas teruja khas akan digunakan sebagai sumber sinaran. Prospek untuk kerja sedemikian kelihatan sangat menggoda, kerana ia menjadi mungkin untuk menguasai keperluan kejuruteraan radio bukan sahaja julat gelombang gelombang mikro, tetapi juga yang lebih pendek, sebagai contoh, julat gelombang kelihatan (panjang gelombang cahaya kelihatan adalah 0-4 mikron, yang sepadan dengan kekerapan urutan beribu-ribu bilion getaran sesaat). Masalah yang paling penting di sepanjang jalan ialah cara mewujudkan persekitaran yang aktif. Basov dan Prokhorov memilih ammonia seperti itu. Untuk memastikan operasi penjana, adalah perlu untuk memisahkan molekul gas aktif, yang atomnya berada dalam keadaan teruja, daripada yang tidak teruja, yang atomnya berorientasikan kepada penyerapan kuanta. Skim pemasangan yang dibangunkan untuk tujuan ini adalah kapal di mana vakum dicipta. Pancaran nipis molekul ammonia telah dibiarkan masuk ke dalam bekas ini. Kapasitor voltan tinggi dipasang di laluan mereka. Molekul tenaga tinggi bebas terbang melalui medannya, manakala molekul tenaga rendah dibawa pergi oleh medan kapasitor. Ini adalah bagaimana molekul disusun mengikut tenaga. Molekul aktif memasuki resonator yang direka dengan cara yang sama seperti yang diterangkan di atas. Penjana kuantum pertama dicipta pada tahun 1954. Dia mempunyai kuasa hanya satu bilion watt, supaya hanya instrumen yang tepat boleh mendaftarkan kerjanya. Tetapi dalam kes ini adalah lebih penting bahawa ketepatan asas idea itu sendiri disahkan. Ia adalah kemenangan yang luar biasa yang membuka lembaran baharu dalam sejarah teknologi. Pada hari yang sama, di Universiti Columbia, sekumpulan ahli radiofizik Amerika Charles Towns mencipta peranti serupa, yang dipanggil "maser". (Pada tahun 1963, Basov, Prokhorov, dan Townes menerima Hadiah Nobel untuk penemuan asas mereka.) Penjana kuantum Basov-Prokhorov dan Townes maser belum lagi menjadi laser - mereka menghasilkan gelombang radio sepanjang 1 cm, dan laser memancarkan gelombang elektromagnet dalam julat yang boleh dilihat, yang berpuluh-puluh ribu kali lebih pendek. Walau bagaimanapun, prinsip operasi kedua-dua peranti adalah sama, jadi pencipta laser terpaksa menyelesaikan masalah tertentu sahaja. Pertama, adalah perlu untuk mencari bahan aktif yang sesuai yang boleh masuk ke dalam keadaan teruja, kerana tidak setiap bahan mempunyai sifat ini. Kedua, untuk mencipta sumber pengujaan, iaitu peranti yang mempunyai keupayaan untuk memindahkan bahan aktif ke keadaan teruja dengan memberikan tenaga tambahan kepadanya. Ketiga, resonator terbuka diperlukan untuk memaksa semua zarah teruja bahan aktif untuk mengambil bahagian dalam pengujaan, dan juga untuk menguatkan hanya getaran yang merambat sepanjang paksi longitudinal bahan aktif. Keempat, sumber kuasa diperlukan untuk memberi tenaga kepada sumber pengujaan, jika tidak, laser tidak akan berfungsi. Semua masalah ini boleh diselesaikan dengan cara yang berbeza. Kerja itu dijalankan oleh ramai saintis dalam beberapa arah sekaligus. Walau bagaimanapun, ahli fizik Amerika Theodor Meiman, yang pada tahun 1960 mencipta laser berasaskan rubi pertama, bernasib baik untuk mencapai matlamat yang dihargai sebelum yang lain.
Intipati operasi laser delima adalah seperti berikut. Tenaga daripada sumber kuasa ditukar oleh sumber pengujaan kepada medan elektromagnet, yang menyinari bahan aktif. Hasil daripada penyinaran ini, bahan aktif berpindah dari keadaan keseimbangan kepada keadaan teruja. Tenaga dalaman bahan aktif meningkat dengan ketara. Proses ini dipanggil "mengepam" atau "mengepam" bahan aktif, dan sumber pengujaan dipanggil sumber "mengepam" atau "mengepam". Apabila atom bahan aktif masuk ke dalam keadaan teruja, ia cukup untuk satu elektron untuk melarikan diri dari peringkat atas atas sebab tertentu, supaya ia mula memancarkan foton cahaya, yang seterusnya, akan menjatuhkan beberapa elektron daripada tahap atas, yang akan menyebabkan pelepasan tenaga seperti longsoran oleh elektron teruja yang tinggal . Resonator terbuka akan mengarahkan dan menguatkan sinaran bahan aktif dalam satu arah sahaja. Meiman menggunakan delima buatan sebagai bahan aktif (delima adalah bahan kristal yang terdiri daripada aluminium oksida, di mana beberapa atom aluminium digantikan oleh atom kromium, yang sangat penting, kerana bukan semua bahan, tetapi hanya ion kromium. , mengambil bahagian dalam penyerapan cahaya). Penjana pengujaan terdiri daripada tiga blok: kepala memancar, unit bekalan kuasa dan unit pelancaran. Kepala pemancar mencipta keadaan untuk operasi bahan aktif. Bekalan kuasa menyediakan tenaga untuk caj dua kapasitor - utama dan tambahan. Tujuan utama unit pencetus adalah untuk menjana nadi voltan tinggi dan menerapkannya pada elektrod pencetus lampu kilat. Kepala pemancar terdiri daripada batang delima dan dua lampu kilat berbentuk U. Lampu adalah standard, dipenuhi dengan xenon. Dari semua sisi, lampu dan batang delima ditutup dengan kerajang aluminium, yang memainkan peranan sebagai reflektor. Kapasitor terkumpul dan menggunakan voltan berdenyut kira-kira 40 ribu volt, yang menyebabkan kilat lampu yang kuat. Denyar serta-merta memindahkan atom-atom delima ke dalam keadaan teruja. Untuk nadi seterusnya, caj baru kapasitor diperlukan.
Ini, secara umum, peranti yang sangat mudah menimbulkan minat yang besar. Sekiranya intipati penemuan Basov dan Bandar hanya jelas kepada pakar, maka laser Meiman memberi kesan yang besar walaupun pada yang belum tahu. Di hadapan wartawan, Meiman berulang kali menghidupkan perantinya dan menunjukkan operasinya. Pada masa yang sama, rasuk dipancarkan dari lubang pada akhirnya, tidak lebih daripada setebal pensil. Hampir tanpa mengembang, ia bersandar pada dinding, berakhir di tempat bulat yang mempesonakan. Walau bagaimanapun, Meiman hanya mendahului sedikit daripada pencipta lain. Tidak banyak masa berlalu, dan laporan mengenai penciptaan jenis laser baru mula datang dari semua pihak. Sebagai tambahan kepada delima, banyak sebatian lain boleh digunakan sebagai bahan aktif dalam laser, contohnya, strontium fluorida dengan kekotoran, barium fluorida dengan kekotoran, kaca, dll. Mereka mungkin juga gas. Pada tahun 1960 yang sama, laser gas berasaskan helium-neon telah dicipta oleh Ali Javan. Keadaan teruja campuran gas dicapai melalui medan elektrik yang kuat dan nyahcas gas. Walau bagaimanapun, kedua-dua keadaan pepejal dan laser gas mempunyai kecekapan yang sangat rendah. Tenaga keluaran mereka tidak melebihi 1% daripada yang digunakan. Akibatnya, baki 99% dibelanjakan dengan sia-sia. Oleh itu, ciptaan laser semikonduktor pada tahun 1962 oleh Basov, Krokhin dan Popov menjadi sangat penting.
Ahli fizik Soviet mendapati bahawa jika semikonduktor dipengaruhi oleh nadi elektrik atau cahaya, maka beberapa elektron akan meninggalkan atomnya, dan "lubang" terbentuk di sini, yang memainkan peranan cas positif. Pengembalian serentak elektron ke orbit atom boleh dianggap sebagai peralihan dari tahap tenaga yang lebih tinggi ke tahap yang lebih rendah, yang disebabkan oleh foton yang dipancarkan. Kecekapan laser semikonduktor apabila teruja oleh pancaran elektron boleh mencapai 40%. Gallium arsenide yang mengandungi kekotoran jenis-n digunakan sebagai bahan aktif. Dari bahan ini kosong dibuat sama ada dalam bentuk kubus atau dalam bentuk parallelepiped - yang dipanggil diod semikonduktor. Plat diod telah dipateri pada kepingan molibdenum yang disalut dengan emas untuk memberikan sentuhan elektrik dengan kawasan-n. Aloi emas dengan perak telah dimendapkan pada permukaan kawasan-p. Hujung diod memainkan peranan sebagai resonator, jadi ia digilap dengan teliti. Pada masa yang sama, semasa proses penggilap, mereka diletakkan selari antara satu sama lain dengan ketepatan yang tinggi. Sinaran keluar tepat dari sisi diod ini. Bahagian atas dan bawah berfungsi sebagai sesentuh yang digunakan voltan. Denyutan telah digunakan pada input peranti. Laser sangat cepat memasuki kehidupan manusia dan mula digunakan dalam banyak bidang teknologi dan sains. Pengeluaran perindustrian mereka bermula pada tahun 1965, apabila lebih daripada 460 syarikat di Amerika sahaja mengambil pembangunan dan penciptaan sistem laser. Pengarang: Ryzhov K.V.
▪ Kapal penumpang supersonik Concorde
Kulit tiruan untuk emulasi sentuhan
15.04.2024 Petgugu Global kotoran kucing
15.04.2024 Daya tarikan lelaki penyayang
14.04.2024
▪ Air yang terdapat di planet yang jauh ▪ Tablet Asus Transformer Pad Infinity dengan skrin 2560x1600 dan pemproses Nvidia Tegra 4 ▪ Beg Louis Vuitton dengan skrin AMOLED
▪ bahagian tapak Motor elektrik. Pemilihan artikel ▪ artikel Boltzmann Ludwig. Biografi seorang saintis ▪ artikel Apakah kekuatan berlian? Jawapan terperinci ▪ artikel medan magnet bumi. Petua Perjalanan ▪ artikel Port inframerah untuk komputer. Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik
Laman utama | Perpustakaan | artikel | Peta Laman | Ulasan laman web
www.diagram.com.ua |
Kami mengesyorkan artikel yang menarik bahagian 
Lihat artikel lain bahagian 
Berita terkini sains dan teknologi, elektronik baharu:
Semua bahasa halaman ini