עקרון הלייזר ויישומו

לייזר מתייחס לתהליך ולמכשיר ליצירת קרני אור קוהרנטיות, מונוכרומטיות וקולימטיביות באמצעות הגברת קרינה מגורה ומשוב הכרחי. בעיקרון, יצירת לייזר דורשת שלושה אלמנטים: "מהוד", "מדיום הגברה" 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 בעלי אנרגיה מתאימה (מה שנקרא קרינה ספונטנית). באופן דומה, כאשר פוטון פוגע במערכת רמות אנרגיה ונספג על ידה, הוא יגרום לאטום לעבור מרמת אנרגיה נמוכה לרמת אנרגיה גבוהה (מה שנקרא בליעה 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 לעתים קרובות במקביל. כאשר אנו יוצרים מצב, כגון שימוש בתווך המתאים, מהוד, שדה חשמלי חיצוני מספיק, הקרינה המגורה מוגברת כך שיותר מהבליעה המגורה, אז באופן כללי, ייפלטו פוטונים, וכתוצאה מכך נוצר אור לייזר.

ב. סיווג

לפי התווך שממנו מייצר הלייזר, ניתן לחלק את הלייזר ללייזר נוזלי, לייזר גז ולייזר מוצק. כיום לייזר המוליך למחצה הנפוץ ביותר הוא סוג של לייזר במצב מוצק.

ג. קומפוזיציה

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

ד. יישום

לייזר נמצא בשימוש נרחב, בעיקר בתקשורת סיבים, מרחק לייזר, חיתוך לייזר, כלי נשק לייזר, דיסק לייזר וכן הלאה.

ה. היסטוריה

בשנת 1958, מדענים אמריקאים, שיאולואו וטאונס, גילו תופעה קסומה: כאשר הם מניחים את האור הנפלט מהנורה הפנימית על גביש אדמה נדירה, מולקולות הגביש יפלטו אור בהיר, חזק ותמיד יחד. על פי תופעה זו, הם הציעו את "עקרון הלייזר", כלומר, כאשר חומר מעורר באותה אנרגיה כמו תדר התנודה הטבעי של המולקולות שלו, הוא יפיק אור חזק שאינו מתפצל - לייזר. הם מצאו מאמרים חשובים בנושא זה.

לאחר פרסום תוצאות המחקר של סיולו וטאונס, מדענים ממדינות שונות הציעו תוכניות ניסיוניות שונות, אך הן לא צלחו. 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, וכך הפך מיימן למדען הראשון בעולם שהכניס לייזרים לתחום המעשי.

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

המדען הסובייטי ה.ג' באסוב המציא את לייזר המוליך למחצה בשנת 1960. מבנה לייזר המוליך למחצה מורכב בדרך כלל משכבת ​​P, שכבת N ושכבה פעילה היוצרות הטרוצונקציה כפולה. מאפייניו הם: גודל קטן, יעילות צימוד גבוהה, מהירות תגובה מהירה, אורך גל וגודל מתאימים לגודל הסיב האופטי, ניתן לווסת ישירות, קוהרנטיות טובה.

שש, כמה מכיווני היישום העיקריים של לייזר

ו. תקשורת לייזר

שימוש באור להעברת מידע נפוץ מאוד כיום. לדוגמה, ספינות משתמשות באורות לתקשורת, ורמזורים משתמשים באדום, צהוב וירוק. אבל כל הדרכים הללו להעברת מידע באמצעות אור רגיל יכולות להיות מוגבלות רק למרחקים קצרים. אם רוצים להעביר מידע ישירות למקומות מרוחקים באמצעות אור, לא ניתן להשתמש באור רגיל, אלא רק בלייזרים.

אז איך מעבירים את הלייזר? אנחנו יודעים שחשמל יכול לעבור דרך חוטי נחושת, אבל אור לא יכול לעבור דרך חוטי מתכת רגילים. לשם כך, מדענים פיתחו נימה שיכולה להעביר אור, הנקראת סיב אופטי, המכונה סיב אופטי. סיב אופטי עשוי מחומרי זכוכית מיוחדים, הקוטר דק יותר משערה אנושית, בדרך כלל 50 עד 150 מיקרון, והוא רך מאוד.

למעשה, הליבה הפנימית של הסיב עשויה מזכוכית אופטית שקופה בעלת מקדם שבירה גבוה, והציפוי החיצוני עשוי מזכוכית או פלסטיק בעלי מקדם שבירה נמוך. מבנה כזה, מצד אחד, יכול לגרום לאור להישבר לאורך הליבה הפנימית, בדיוק כמו מים הזורמים קדימה בצינור המים, לחשמל המועבר קדימה בחוט, גם אם אלפי פיתולים וסיבובים אינם משפיעים. מצד שני, ציפוי בעל מקדם שבירה נמוך יכול למנוע דליפת אור החוצה, בדיוק כפי שצינור המים אינו מחלחל ושכבת הבידוד של החוט אינה מוליכה חשמל.

הופעת הסיב האופטי פותרת את דרך העברת האור, אך אין פירושה שניתן להעביר באמצעותו כל אור למרחקים ארוכים מאוד. רק בהירות גבוהה, צבע טהור ולייזר כיווני טוב הם מקור האור האידיאלי ביותר להעברת מידע. הוא נכנס מקצה אחד של הסיב, כמעט ללא אובדן, ופלט מהקצה השני. לכן, תקשורת אופטית היא למעשה תקשורת לייזר, שיש לה יתרונות של קיבולת גדולה, איכות גבוהה, מקור חומרים רחב, סודיות חזקה, עמידות וכו', והיא נחשבת על ידי מדענים למהפכה בתחום התקשורת, והיא אחד ההישגים המבריקים ביותר במהפכה הטכנולוגית.