Laser se nanaša na postopek in instrument za ustvarjanje kolimiranih, monokromatskih, koherentnih svetlobnih žarkov z ojačitvijo stimuliranega sevanja in potrebno povratno zanko. V osnovi laserska generacija zahteva tri elemente: »resonator«, »ojačevalni medij« in »črpalni vir«.
A. Načelo
Gibalno stanje atoma lahko razdelimo na različne energijske nivoje in ko atom preide z visokega na nizek energijski nivo, sprosti fotone ustrezne energije (tako imenovano spontano sevanje). Podobno, ko foton pade na sistem energijskih nivojev in ga ta absorbira, povzroči prehod atoma z nizkega na visoki energijski nivo (tako imenovana vzbujena absorpcija); nato nekateri atomi, ki preidejo na višje energijske nivoje, preidejo na nižje energijske nivoje in oddajo fotone (tako imenovano stimulirano sevanje). Ta gibanja se ne dogajajo ločeno, ampak pogosto vzporedno. Ko ustvarimo pogoj, na primer z uporabo ustreznega medija, resonatorja, dovolj velikega zunanjega električnega polja, se stimulirano sevanje ojača, tako da je več kot stimulirana absorpcija, potem se na splošno oddajajo fotoni, kar povzroči lasersko svetlobo.
B. Razvrstitev
Glede na medij, ki proizvaja laser, lahko laserje razdelimo na tekočinski laser, plinski laser in trdni laser. Trenutno je najpogostejši polprevodniški laser nekakšen trdno-snovni laser.
C. Sestava
Večina laserjev je sestavljena iz treh delov: vzbujevalnega sistema, laserskega materiala in optičnega resonatorja. Vzbujevalni sistemi so naprave, ki proizvajajo svetlobno, električno ali kemično energijo. Trenutno so glavna uporabljena spodbudna sredstva svetloba, elektrika ali kemična reakcija. Laserske snovi so snovi, ki lahko proizvajajo lasersko svetlobo, kot so rubini, berilijevo steklo, neon, polprevodniki, organska barvila itd. Vloga optičnega resonančnega nadzora je povečati svetlost izhodnega laserja, prilagoditi in izbrati valovno dolžino in smer laserja.
D. Uporaba
Laser se pogosto uporablja, predvsem za optično komunikacijo, lasersko merjenje razdalje, lasersko rezanje, lasersko orožje, laserski disk in tako naprej.
E. Zgodovina
Leta 1958 sta ameriška znanstvenika Xiaoluo in Townes odkrila čaroben pojav: ko sta svetlobo, ki jo oddaja notranja žarnica, usmerila na kristal redke zemlje, so molekule kristala oddajale svetlo, vedno skupaj močno svetlobo. V skladu s tem pojavom sta predlagala "lasersko načelo", to pomeni, da ko snov vzbudimo z enako energijo, kot je naravna frekvenca nihanja njenih molekul, bo proizvedla močno svetlobo, ki se ne razhaja – laser. Našla sta pomembne članke o tem.
Po objavi rezultatov raziskav Sciola in Townesa so znanstveniki iz različnih držav predlagali različne eksperimentalne sheme, vendar niso bile uspešne. 15. maja 1960 je Mayman, znanstvenik v laboratoriju Hughes v Kaliforniji, objavil, da je dobil laser z valovno dolžino 0,6943 mikrona, kar je bil prvi laser, ki so ga kdajkoli dobili ljudje, in Mayman je tako postal prvi znanstvenik na svetu, ki je laserje uvedel v praktično področje.
7. julija 1960 je Mayman napovedal rojstvo prvega laserja na svetu. Maymanova shema je bila uporaba visokointenzivne bliskavice za stimulacijo atomov kroma v rubinastem kristalu, s čimer je nastal zelo koncentriran tanek steber rdeče svetlobe, ki lahko, ko se sproži na določeni točki, doseže temperaturo, višjo od površine sonca.
Sovjetski znanstvenik H.G. Basov je leta 1960 izumil polprevodniški laser. Struktura polprevodniškega laserja je običajno sestavljena iz plasti P, plasti N in aktivne plasti, ki tvorijo dvojno heterospojnico. Njegove značilnosti so: majhna velikost, visoka učinkovitost sklopitve, hitra odzivna hitrost, valovna dolžina in velikost se ujemata z velikostjo optičnega vlakna, možnost neposredne modulacije, dobra koherenca.
Šest, nekaj glavnih smeri uporabe laserja
F. Laserska komunikacija
Uporaba svetlobe za prenos informacij je danes zelo pogosta. Ladje na primer uporabljajo luči za komunikacijo, semaforji pa rdečo, rumeno in zeleno. Vendar so vsi ti načini prenosa informacij z uporabo navadne svetlobe lahko omejeni le na kratke razdalje. Če želite informacije prenašati neposredno na oddaljene kraje s pomočjo svetlobe, ne morete uporabiti navadne svetlobe, temveč le laserje.
Kako torej dovajamo laser? Vemo, da se elektrika lahko prenaša po bakrenih žicah, svetloba pa se ne more prenašati po navadnih kovinskih žicah. V ta namen so znanstveniki razvili nitko, ki lahko prenaša svetlobo, imenovano optično vlakno, znano tudi kot fiber. Optično vlakno je izdelano iz posebnih steklenih materialov, premer je tanjši od človeškega lasu, običajno od 50 do 150 mikronov, in je zelo mehko.
Pravzaprav je notranje jedro vlakna izdelano iz prozornega optičnega stekla z visokim lomnim količnikom, zunanji premaz pa je izdelan iz stekla ali plastike z nizkim lomnim količnikom. Takšna struktura lahko po eni strani povzroči, da se svetloba lomi vzdolž notranjega jedra, tako kot voda teče naprej v vodovodni cevi, elektrika pa se prenaša naprej v žici, tudi če tisoči zavojev in obratov nimajo učinka. Po drugi strani pa lahko premaz z nizkim lomnim količnikom prepreči uhajanje svetlobe, tako kot vodovodna cev ne pronica in izolacijska plast žice ne prevaja elektrike.
Pojav optičnih vlaken rešuje način prenosa svetlobe, vendar to ne pomeni, da se z njimi lahko katera koli svetloba prenaša zelo daleč. Le visoka svetlost, čiste barve in dober usmerjeni laser so najbolj idealen vir svetlobe za prenos informacij, saj se vnesejo na enem koncu vlakna, skoraj brez izgub in se oddajo na drugem koncu. Zato je optična komunikacija v bistvu laserska komunikacija, ki ima prednosti velike zmogljivosti, visoke kakovosti, širokega nabora materialov, visoke zaupnosti, vzdržljivosti itd. Znanstveniki jo pozdravljajo kot revolucijo na področju komunikacije in je eden najbriljantnejših dosežkov tehnološke revolucije.
Čas objave: 29. junij 2023