עקרון הלייזר ויישומו

לייזר מתייחס לתהליך ולמכשיר של יצירת קרני אור קולימטיביות, מונוכרומטיות, קוהרנטיות באמצעות הגברת קרינה מגורה ומשוב הכרחי. בעיקרון, יצירת לייזר דורשת שלושה אלמנטים: "תהודה", "מדיום רווח" ו"מקור שאיבה".

א עיקרון

ניתן לחלק את מצב התנועה של אטום לרמות אנרגיה שונות, וכאשר האטום עובר מרמת אנרגיה גבוהה לרמת אנרגיה נמוכה, הוא משחרר פוטונים של אנרגיה מתאימה (מה שנקרא קרינה ספונטנית). באופן דומה, כאשר פוטון נופל על מערכת של רמת אנרגיה ונספג בה, הוא יגרום לאטום לעבור מרמת אנרגיה נמוכה לרמת אנרגיה גבוהה (מה שנקרא ספיגה מעוררת); לאחר מכן, חלק מהאטומים שעוברים לרמות אנרגיה גבוהות יותר יעברו לרמות אנרגיה נמוכות יותר ויפלטו פוטונים (מה שנקרא קרינה מגורה). תנועות אלו אינן מתרחשות בבידוד, אלא לרוב במקביל. כאשר אנו יוצרים מצב, כמו שימוש במדיום המתאים, תהודה, מספיק שדה חשמלי חיצוני, הקרינה המגורה מוגברת כך שיותר מהבליעה המגורה, אז באופן כללי, ייפלטו פוטונים, וכתוצאה מכך אור לייזר.

ב. סיווג

לפי המדיום שמייצר את הלייזר, ניתן לחלק את הלייזר ללייזר נוזלי, לייזר גז ולייזר מוצק. כעת הלייזר המוליך למחצה הנפוץ ביותר הוא סוג של לייזר במצב מוצק.

ג. הרכב

רוב הלייזרים מורכבים משלושה חלקים: מערכת עירור, חומר לייזר ומהוד אופטי. מערכות עירור הן מכשירים המייצרים אנרגיה קלה, חשמלית או כימית. כיום, אמצעי התמריץ העיקריים שבהם נעשה שימוש הם אור, חשמל או תגובה כימית. חומרי לייזר הם חומרים שיכולים לייצר אור לייזר, כגון אודם, זכוכית בריליום, גז ניאון, מוליכים למחצה, צבעים אורגניים וכו'. תפקידה של בקרת תהודה אופטית הוא לשפר את בהירות הלייזר הפלט, להתאים ולבחור את אורך הגל והכיוון של הלייזר.

ד. יישום

הלייזר נמצא בשימוש נרחב, בעיקר תקשורת סיבים, טווחי לייזר, חיתוך לייזר, נשק לייזר, דיסק לייזר וכן הלאה.

ה. היסטוריה

בשנת 1958 גילו המדענים האמריקאים Xiaoluo ו-Townes תופעה קסומה: כאשר הם שמים את האור הנפלט מהנורה הפנימית על גביש אדמה נדיר, המולקולות של הגביש יפלטו אור בהיר, תמיד יחדיו אור חזק. לפי תופעה זו, הם הציעו את "עקרון הלייזר", כלומר כאשר החומר מתרגש מאותה אנרגיה כמו תדר התנודות הטבעי של המולקולות שלו, הוא יפיק את האור החזק הזה שאינו מתפצל - לייזר. הם מצאו ניירות חשובים לכך.

לאחר פרסום תוצאות המחקר של סקיולו וטאונס, מדענים ממדינות שונות הציעו תוכניות ניסוי שונות, אך הן לא זכו להצלחה. ב-15 במאי 1960, מיימן, מדען במעבדת יוז בקליפורניה, הודיע ​​כי השיג לייזר באורך גל של 0.6943 מיקרון, שהיה הלייזר הראשון שהושג אי פעם על ידי בני אדם, ומיימן הפך בכך למדען הראשון בעולם להכניס לייזרים לתחום המעשי.

ב-7 ביולי 1960, מיימן הכריז על לידתו של הלייזר הראשון בעולם, התוכנית של מיימן היא להשתמש בצינור הבזק בעוצמה גבוהה כדי לעורר אטומי כרום בגביש אודם, ובכך לייצר עמוד אור אדום דק מאוד, כאשר הוא נורה בנקודה מסוימת הוא יכול להגיע לטמפרטורה גבוהה יותר משטח השמש.

המדען הסובייטי H.Γ Basov המציא את הלייזר המוליך למחצה בשנת 1960. המבנה של הלייזר המוליך למחצה מורכב בדרך כלל משכבת ​​P, שכבה N ושכבה פעילה היוצרים הטרוג'נקציה כפולה. המאפיינים שלו הם: גודל קטן, יעילות צימוד גבוהה, מהירות תגובה מהירה, אורך גל וגודל התאמה לגודל הסיב האופטי, ניתן לאוסן ישיר, קוהרנטיות טובה.

שישה, כמה מכיווני היישום העיקריים של לייזר

ו.תקשורת לייזר

השימוש באור להעברת מידע נפוץ מאוד כיום. לדוגמה, ספינות משתמשות באורות כדי לתקשר, ורמזורים משתמשים באדום, צהוב וירוק. אבל כל הדרכים הללו להעברת מידע באמצעות אור רגיל יכולות להיות מוגבלות רק למרחקים קצרים. אם אתה רוצה להעביר מידע ישירות למקומות מרוחקים באמצעות האור, אתה לא יכול להשתמש באור רגיל, אלא רק להשתמש בלייזרים.

אז איך מעבירים את הלייזר? אנו יודעים שניתן לשאת חשמל לאורך חוטי נחושת, אך אור לא יכול להתבצע לאורך חוטי מתכת רגילים. לשם כך, מדענים פיתחו נימה שיכולה להעביר אור, הנקראת סיב אופטי, המכונה סיב. סיבים אופטיים עשויים מחומרי זכוכית מיוחדים, הקוטר דק יותר משערת אדם, בדרך כלל 50 עד 150 מיקרון, ורך מאוד.

למעשה, הליבה הפנימית של הסיב היא מקדם שבירה גבוה של זכוכית אופטית שקופה, והציפוי החיצוני עשוי מזכוכית או פלסטיק עם מקדם שבירה נמוך. מבנה כזה, מצד אחד, יכול לגרום לאור לשבור לאורך הליבה הפנימית, ממש כמו מים הזורמים קדימה בצינור המים, חשמל המועבר קדימה בחוט, גם אם לאלפי פיתולים אין השפעה. מצד שני, ציפוי מקדם השבירה הנמוך יכול למנוע את זליגת האור החוצה, בדיוק כפי שצינור המים אינו מחלחל ושכבת הבידוד של החוט אינה מוליכה חשמל.

המראה של סיב אופטי פותר את דרך העברת האור, אבל זה לא אומר שאיתו ניתן להעביר כל אור למרחקים מאוד. רק בהירות גבוהה, צבע טהור, לייזר כיווני טוב, הוא מקור האור האידיאלי ביותר להעברת מידע, הוא קלט מקצה אחד של הסיב, כמעט ללא אובדן ופלט מהקצה השני. לכן, תקשורת אופטית היא בעצם תקשורת לייזר, שיש לה יתרונות של קיבולת גדולה, איכות גבוהה, מקור חומרים רחב, סודיות חזקה, עמידות וכו', והיא זוכה להערכה על ידי המדענים כמהפכה בתחום התקשורת, והיא אחת. מההישגים המבריקים ביותר במהפכה הטכנולוגית.