L-2015 hija s-Sena Internazzjonali tad-Dawl u t-Teknoloġiji bbażati fuq id-Dawl (IYL2015), li hija wkoll is-sena li l-Bord Eżekuttiv tal-UNESCO ffirma d-deċiżjoni li jistabbilixxi s-16 ta 'Mejju kull sena bħala l-"Jum Internazzjonali tad-Dawl". Ir-raġuni għall-għażla tas-16 ta’ Mejju hija...
Fl-2015, is-Sena Internazzjonali tad-Dawl u t-Teknoloġiji bbażati fuq id-Dawl (IYL2015), il-Bord Eżekuttiv tal-UNESCO ffirma d-deċiżjoni li jinnomina s-16 ta 'Mejju ta' kull sena bħala l-Jum Internazzjonali tad-Dawl.
Is-16 ta’ Mejju ntgħażlet għax fis-16 ta’ Mejju 1960, il-fiżiku Amerikan Meyman ħoloq l-ewwel raġġ tal-laser fl-istorja tal-bniedem.
Meyman u l-laser ruby.
Allura x'inhu eżattament laser? U għaliex huwa daqshekk importanti?
Biex inwieġbu dawn iż-żewġ mistoqsijiet, irridu nifhmu l-kawżi u l-konsegwenzi tax-xogħol ta 'Meyman.
Għaliex l-oġġetti jarmu d-dawl?
Lura fl-1912, il-fiżiċi kienu għadhom ossessjonati minn kif kien jidher l-atomu, il-pedament tad-dinja.
F'din is-sena, ġew ippubblikati tliet dokumenti mill-fiżiċista Daniż Bohr, li fihom Bohr applika t-teorija tal-quantum għall-mudell ta 'l-atomu ta' Rutherford u ppropona l-mudell Bohr famuż.
Il-mudell ta 'Bohr kien kapaċi jispjega fenomeni li ma setgħux jiġu spjegati minn mudelli oħra f'dak iż-żmien, u mbassar xi riżultati li jistgħu jiġu kkonfermati minn esperimenti aktar tard, għalhekk kien ġeneralment aċċettat mill-komunità xjentifika wara.
Il-mudell Bohr huwa mudell planetarju, li jfisser li elettroni ċċarġjati b'mod negattiv jimxu madwar nukleu ċċarġjat b'mod pożittiv bħal pjaneta.
Is-sottilità tal-mudell Bohr hija li l-orbiti ta 'dawn l-elettroni mhumiex magħżula bl-addoċċ, iżda biss għal xi valuri definiti.
Mudell ta' Bohr ta' l-atomu ta' l-idroġenu.
L-orbital ta 'l-elettron l-aktar ġewwa jissejjaħ l-istat fundamentali, l-orbital fis-saff ta' barra jissejjaħ l-ewwel stat eċċitati, is-saff ta 'barra huwa t-tieni stat eċċitati, eċċ.
Nistgħu ninnutaw li l-enerġiji tal-elettroni ta 'dawn l-orbitali differenti huma differenti, għalhekk nistgħu "iċċattjaw" dawn l-orbitali, u nġibu xi livelli ta' enerġija. Livelli ta' enerġija ta' radjazzjoni spontanja.
Minħabba l-konservazzjoni tal-enerġija, l-elettroni jridu jaqbżu minn livelli ta 'enerġija baxxi għal livelli ta' enerġija għolja, għandek tassorbi l-enerġija korrispondenti mid-dinja ta 'barra, dan il-proċess insejħulu assorbiment stimulat. Bl-istess mod, l-elettron mil-livell ta 'enerġija għolja li jaqa' għal-livell ta 'enerġija baxxa, ċertament se jirrilaxxa wkoll l-enerġija korrispondenti, huwa ppruvat li dan il-proċess se jarmu foton, jiġifieri, l-elettron se jkun luminuż, għalhekk dan il-proċess jissejjaħ radjazzjoni spontanja.
Il-prinċipju ta 'luminexxenza ta' sorsi tad-dawl komuni fil-ħajja tagħna huwa radjazzjoni spontanja.
Lampi fluworexxenti.
Li tagħmel id-dawl "iġib ruħu"
Hemm xi problemi bid-dawl prodott minn radjazzjoni spontanja: hemm ħafna livelli ta 'enerġija fl-atomi, u dawn il-fotoni jistgħu jiġu prodotti minn radjazzjoni spontanja fl-ewwel livell ta' enerġija, jew minn radjazzjoni spontanja fit-tielet livell ta 'enerġija ......
Dan iwassal għal enerġiji differenti ta 'dawn il-fotoni, u l-enerġija ta' foton wieħed tiddetermina l-frekwenza tad-dawl, jiġifieri, il-frekwenza tad-dawl prodotta mir-radjazzjoni spontanja hija każwali.
Punt ieħor huwa li ż-żmien tar-radjazzjoni spontanja biex tipproduċi fotoni, kif ukoll id-direzzjoni tal-moviment tal-fotoni wkoll mhix taħt il-kontroll tagħna, li twassal għal radjazzjoni spontanja biex tipproduċi dawl, il-fażi hija wkoll każwali.
Il-frekwenza u l-fażi msemmija hawn huma kollha proprjetajiet tad-dawl bħala mewġ elettromanjetiku. Il-frekwenza tista 'tinftiehem bħala l-veloċità tal-vibrazzjoni tal-mewġ tad-dawl, li tiddetermina wkoll il-kulur tad-dawl li naraw; fażi tista 'tinftiehem bħala l-pożizzjoni tat-trasmissjoni tal-mewġ tad-dawl.
Dawl bħala mewġ elettromanjetiku.
Fil-qosor, id-dawl iġġenerat minn sorsi tad-dawl ordinarji huwa bħal mazz ta 'nies iffullar is-subway, huma qodma u żgħażagħ, irġiel u nisa, liebes kuluri differenti biex jieħdu s-subway, u mhumiex mixi malajr, xi wħud diġà kisbu fuq il-ferrovija, filwaqt li xi wħud għadhom qed jiċċekkjaw il-biljetti.
Dan wassal għal sorsi ta 'dawl ordinarji, għalkemm fil-ħajja tad-dawl kien biżżejjed biex jintuża, iżda fil-qasam tar-riċerka xjentifika, speċjalment l-istudju tan-natura tad-dawl, il-qawwa tal-ġlieda kontra hija verament ġenerali.
Fl-aħħarnett, fl-1917, ħareġ mod ieħor għad-dawl, jiġifieri, Einstein ippropona t-teorija tar-radjazzjoni stimulata.
Radjazzjoni stimulata.
It-teorija tar-radjazzjoni eċċitata hija li ngħidu, issa nassumu li l-ewwel stat eċċitati fuq elettron, meta tolqot foton, u l-enerġija ta 'dan il-foton eżattament ugwali għall-ewwel stat eċċitati u d-distakk bejn l-istat fundamentali, allura din id-darba, l-ewwel stat eċċitati fuq l-elettron se jkun "tentazzjoni" biex tlesti l-każ ta 'radjazzjoni spontanja, li jarmu a Il-foton "identiku" huwa rilaxxat.
Minħabba l-eżistenza ta 'dan il-"foton it-tentazzjoni", insejħu dan il-proċess radjazzjoni eċċitata.
Jekk ikun hemm biżżejjed elettroni ta 'enerġija għolja, dan il-proċess se jkompli, eventwalment jiffurmaw grupp kbir ta' fotoni "seduced", aħna se nsejħu dan il-proċess proċess ta 'amplifikazzjoni tad-dawl, l-iktar ħaġa importanti hija li l-fażi u l-frekwenza ta' dawn il-fotoni hija eżattament il- l-istess. Bħal armata pulita u pulita, u r-radjazzjoni spontanja ta 'hawn fuq "għafas is-subway" hija kompletament differenti.
Kemm hemm passi biex tinbena laser?
L-ewwel pass huwa l-inverżjoni tan-numru tal-partiċelli.
Bit-teorija tar-radjazzjoni eċċitati, in-nies jistaqsu kif jużaw din it-teorija biex jibnu sors ta 'dawl li jista' jarmi dawl pulit u ordinat.
Xi qarrejja għandhom mnejn jgħidu, "Għaliex ma tieħux id-dawl u tiddih? X'hemm daqshekk diffiċli dwaru?
Qarrejja li għandhom tali dubji għandhom jagħtu attenzjoni lill-kelma "biżżejjed" imsemmija qabel, u ma ninsewx il-fenomenu tagħna ta 'assorbiment eċċitati.
Jekk ma jkunx hemm biżżejjed elettroni f'livelli ta 'enerġija għolja, in-numru ta' radjazzjoni eċċitati huwa inqas min-numru ta 'assorbiment eċċitati, meta raġġ ta' dawl jolqot, mhux se jiġi emess amplifikazzjoni tad-dawl, iżda se jkun l-assorbiment eċitat tal-elettron tal-istat tal-art, li jirriżulta f'telf ħafif.
Fil-fatt, fil-każ naturali, in-numru ta 'elettroni ta' l-istat ta 'l-art huwa ħafna akbar min-numru ta' elettroni eċċitati, f'temperatura tal-kamra, per eżempju, sistema ta 'żewġ enerġija (jiġifieri, l-istat ta' l-art biss u l-ewwel stat eċċitati ta ' is-sistema tal-enerġija) in-numru ta 'elettroni tal-istat terren huwa madwar 10 minn 170 darba n-numru ta' elettroni eċċitati!
Allura sabiex tuża l-prinċipju ta 'radjazzjoni eċċitata biex toħloq sors tad-dawl, l-ewwel problema li trid issolvi hija li n-numru ta' partiċelli f'livelli ogħla ta 'enerġija akbar min-numru ta' partiċelli f'livelli ta 'enerġija aktar baxxi, jiġifieri, biex jinkiseb in-numru ta' partiċelli inverżjoni.
Kif tikseb treġġigħ lura tan-numru tal-partiċelli?
L-idea bażika hija li tippompja l-partiċelli mill-istat ta 'l-art għall-istat ta' enerġija għolja, bħal pompa.
Dan huwa aktar faċli li jingħad milli jsir.
Partiċelli tal-ippumpjar tal-ilma.
It-tieni pass huwa li tibni predeċessur.
Fl-1951, il-fiżiku Amerikan Towns ħaseb dwar kif tinkiseb inverżjoni tan-numru tal-partiċelli fil-molekula tal-ammonja.
Il-molekula ta 'l-ammonja hija sistema ta' żewġ enerġija, u huwa impossibbli li tinkiseb inverżjoni tan-numru ta 'partiċelli taħt ċirkostanzi normali, minħabba li l-probabbiltà ta' assorbiment eċċitati u radjazzjoni eċċitata huma l-istess, u wkoll il-preżenza ta 'radjazzjoni spontanja, li twassal għall-fatt li in-numru ta 'partiċelli f'livelli ogħla ta' enerġija għandu jkun inqas min-numru ta 'partiċelli fl-istat fundamentali.
L-approċċ tal-bliet kien inġenjuż, peress li uża kamp manjetiku biex jiddistingwi bejn il-molekuli ta 'l-ammonja ta' l-istat ta 'l-istat u l-istat eċċitati, u identifika l-molekuli ta' l-ammonja ta 'l-istat eċċitati biex jitqiegħdu f'kavità reżonanti microwave, li fiha nkiseb it-treġġigħ lura tan-numru tal-partiċelli.
Tliet snin wara, bl-użu ta 'din l-idea, Towns bnew l-ewwel "MASER". X'inhu MASER?
MASER jissejjaħ Amplifikazzjoni tal-Mikrowave permezz ta 'Emissjoni Stimulata ta' Radjazzjoni, li tissarraf għal "amplifikazzjoni ta 'microwave b'radjazzjoni stimulata". Laser LASER jissejjaħ Amplifikazzjoni tad-dawl permezz ta 'Emissjoni Stimolata ta' Radjazzjoni, li tissarraf għal "amplifikazzjoni tad-dawl b'radjazzjoni stimulata".
Aħna semmejna hawn fuq li d-dawl huwa mewġ elettromanjetiku, u microwave huwa mewġ elettromanjetiku ieħor.
Il-mewġ elettromanjetiku jista 'jiġi kklassifikat skont il-frekwenza tagħhom, b'microwave li jvarja minn 300 MHz sa 300 GHz, u dawl viżibbli li jvarja minn 3.9 sa 7.5 darbiet 10 sal-14-il qawwa Hz.
Mill-isem nistgħu naraw id-differenza bejn MASER u LAZER, prinċipalment fid-differenza fil-meded operattivi, MASER huwa biss pass 'il bogħod mil-LASER.
Irħula u l-ewwel MASER.
It-tielet pass huwa li jitlestew it-tliet komponenti ewlenin tal-lejżer.
L-introduzzjoni ta 'MASER solvut il-problema tal-inverżjoni tan-numru tal-partiċelli. Fi tliet snin biss, din it-teknoloġija mxiet bil-quddiem, u f’dan il-punt kulħadd irid jgħaġġel u jieħu pass ieħor billi jdawwar dan l-amplifikatur tal-microwave f’amplifikatur ottiku u joħloq dak is-sors tad-dawl tal-ħolm, il-laser.
S'issa stajna niġbru b'mod vag il-kompożizzjoni tal-lejżer tliet komponenti ewlenin:
L-ewwel hija l-ħtieġa li tinkiseb inverżjoni tan-numru tal-partiċelli tas-sustanza, bħall-molekuli ta 'l-ammonja, insejħu l-medja tal-qligħ; it-tieni huwa l-metodu ta 'ppumpjar xieraq, aħna nsejħulu ippumpjar; it-tielet huwa l-Bliet imsemmija hawn fuq b'kavità reżonanti, kif għall-irwol ta 'kavità reżonanti se nitkellmu aktar tard.
Fl-1958, Towns u Shorro ikkollaboraw fuq karta teoretika li bassar il-fattibilità tal-lejżers għall-ewwel darba mil-lat teoretiku. F'dan il-punt, kollox kien lest għall-Bliet, ħlief għar-riħ!
Fis-16 ta’ Mejju, 1960, Meyman ħa triq differenti u kien l-ewwel li bena l-ewwel laser fl-istorja tal-bniedem.
L-istorja ta’ kif Meyman wasal hemm l-ewwel hija storja affaxxinanti b’ħafna tidwiriet u dawriet. Imma ejja niffukaw hawn fuq il-laser ruby tiegħu.
Id-dijagramma skematika tal-laser ruby.
Dan il-laser juri b'mod ċar ħafna t-tliet komponenti ewlenin tal-lejżer, nistgħu wkoll nintroduċuhom min-naħa tagħhom.
Ikseb medju:
Il-mezz ta 'qligħ magħżul minn Meyman huwa ruby, li huwa triossidu tal-aluminju drogat bil-kromju.
Skematika tas-sistema ta 'tliet enerġija.
Dan il-mezz ta 'qligħ huwa sistema ta' tliet enerġija, u din is-sistema ta 'tliet enerġija biex tinkiseb inverżjoni tan-numru tal-partiċelli hija ħafna aktar sempliċi mis-sistema preċedenti ta' żewġ livelli. Hemm xi karatteristiċi speċjali tas-sistema ta 'tliet livelli ruby, u nistgħu nifhmu kif tikseb l-inverżjoni tan-numru tal-partiċelli bil-proċess ta' ippumpjar tagħha.
L-ewwelnett, il-partiċelli ta 'l-istat ta' l-art huma ttrasportati direttament lejn il-livell ta 'enerġija E3 permezz ta' eċċitazzjoni xierqa, u hemm proċess ta 'qabża mingħajr radjazzjoni bejn il-livelli ta' enerġija E3 u E2, li jfisser li l-partiċelli fuq E3 se jmorru malajr għal E2 b'ħabtiet. , u l-enerġija mnaqqsa ssir enerġija tal-moviment termali minflok luminixxenza.
Barra minn hekk, l-istat E2 huwa sub-stabbli, jiġifieri, il-partiċelli li jaqgħu fuq il-livell ta 'enerġija E3 jistgħu jibqgħu fuq il-livell ta' enerġija E2 għal żmien twil. Dan huwa ekwivalenti għall-użu tal-livell ta 'enerġija E3 bħala transizzjoni biex jittrasportaw il-partiċelli mill-istat tal-bażi għall-E2, u ħalli l-proċess ikompli, in-numru ta' partiċelli f'E2 jaqbeż in-numru ta 'partiċelli fl-istat tal-bażi, u jikseb in-numru tal-partiċelli inverżjoni.
Fil-fatt, l-effiċjenza tal-laser ruby hija baxxa ħafna, 0.1 fil-mija biss, li hija limitata mill-medja tal-qligħ, minħabba li s-sistema ta 'tliet enerġija teħtieġ enerġija għolja ħafna biex tippompja l-partiċelli tal-istat tal-art għall- stat ta 'enerġija għolja. Barra minn hekk, il-wavelength ta 'dan il-laser huwa 694.3 nm, li huwa wkoll determinat mill-medja tal-qligħ.
Bl-iżvilupp tal-lejżer, it-tipi ta 'medja ta' gwadann żdiedu gradwalment, inkluż gass, solidu, likwidu, fibra, semikondutturi, eċċ., Bħall-laser pointer użat komunement fil-klassi huwa laser semikonduttur.
Fil-qosor, irrispettivament minn liema qligħ medju, għandu jkollu metodu li jista 'jikseb inverżjoni tan-numru tal-partiċelli.
Ippumpjar:
Il-lampa tal-pompa tal-ewwel laser ruby.
L-iktar karatteristika ovvja tal-lejżer ta 'Meynman hija li s-sors tal-pompa tiegħu huwa fanal tal-kseno spirali, il-forma spirali tiżgura li l-bar tar-ruby titqiegħed bejn il-lampi. Barra minn hekk din il-lampa għadha tuża dawl pulsat għall-ippumpjar, li jfisser li d-dawl li temetti mhuwiex kontinwu, iżda f'fqigħ. Dan huwa l-aktar disinn importanti ta 'Meynman, sabiex id-dawl kontinwu ta' ippumpjar ta 'enerġija għolja ma jagħmilx ħsara lill-kristall.
Kavità reżonanti:
Dijagramma skematika tal-kavità reżonanti.
Fiż-żewġt itruf tar-ruby bar, Meyman poġġa żewġ mirja u ħaffer toqba żgħira fin-naħa tal-lemin sabiex id-dawl mir-radjazzjoni eċċitati jista 'jivvjaġġa 'l quddiem u lura permezz tal-medju tal-qligħ biex "jiġbed" aktar fotoni, u wara li jilħaq ċerta intensità, id-dawl tal-lejżer ikun emess mit-toqba żgħira.
X'inhu l-użu tal-laser?
Mayman kellha konferenza stampa wara l-invenzjoni tal-laser, li fiha reporter staqsa din il-mistoqsija, Mayman ta 5 suġġerimenti: 1:
1. huwa użat biex jamplifika d-dawl, per eżempju, meta jagħmlu lejżers ta ' qawwa għolja, huma jużaw amplifikaturi ottiċi biex jamplifikaw id-dawl aktar dgħajfa;
2. jistgħu jużaw lejżers biex tistudja l-materja;
3. li tuża raġġi tal-lejżer ta 'qawwa għolja għal komunikazzjonijiet spazjali;
4. użat biex jiżdied in-numru ta 'kanali għall-komunikazzjoni (dan huwa dak li aktar tard ħareġ bħala komunikazzjoni tal-fibra ottika);
5. biex tiffoka r-raġġ biex tipproduċi intensità tad-dawl ultra-għolja għall-qtugħ jew l-iwweldjar ta 'materjali fl-industrija, jew għat-twettiq ta' kirurġija fil-mediċina, eċċ.
Irridu nammiraw is-sens xjentifiku qawwi ta’ Mehman, u dawn is-suġġerimenti kollha li għamel ġew sodisfatti aktar tard.
Ftakar il-karatteristiċi tal-fotoni prodotti minn radjazzjoni eċċitati?
Għandhom l-istess frekwenza u fażi, u l-laser huwa essenzjalment amplifikazzjoni tad-dawl mir-radjazzjoni eċċitati, għalhekk iż-żewġ karatteristiċi l-aktar importanti tal-laser huma monokromatiċità tajba u enerġija għolja. Dawn iż-żewġ karatteristiċi jiddeterminaw l-użi tal-lejżers, u dawn huma ż-żewġ direzzjonijiet tal-iżvilupp tal-lejżer.
Monokromatika tajba tfisser li l-ispettru tal-lejżer huwa dejjaq ħafna u jista 'faċilment juri l-karatteristiċi tad-dawl bħala mewġa, u mbagħad nistgħu nużawha biex nirreġistraw l-informazzjoni tal-fażi.
Pereżempju, it-teknoloġija tar-ritratti olografiċi ivvintata mill-fiżiku Brittaniku Dennis Gerber fl-1947 hija essenzjalment l-użu tal-fażi tad-dawl biex tirreġistra l-firxa sħiħa ta 'informazzjoni dwar l-oġġett, sabiex tipproduċi l-effett ta' fotografija tridimensjonali.
Ritratti olografiċi jistgħu jirreġistraw mhux biss informazzjoni ta 'quddiem iżda wkoll informazzjoni tal-ġenb.
Kien biss wara l-invenzjoni tal-laser li din it-teknoloġija saret disponibbli u ngħatat il-Premju Nobel għall-Fiżika fl-1971.
L-enerġija għolja hija mifhuma sew, nistgħu nużaw lejżers biex naħarqu CDs, biex nippermettu l-fużjoni nukleari, biex jaqtgħu materjali, eċċ. Mhux biss nistgħu niġġeneraw lejżers kontinwi ta 'enerġija għolja, iżda nistgħu wkoll niksbu lejżers ta' enerġija għolja b'polz qasir ħafna tul ta' żmien permezz tat-teknika tal-film imsakkar u l-amplifikazzjoni taċ-chirp.
Dijagramma tal-ġenerazzjoni tal-polz bit-teknoloġija tal-qfil tal-film.
Lejżers Femtosecond issa huma disponibbli b'mod wiesa ', u t-tul ta' polz wieħed huwa biss fuq l-ordni ta 'femtoseconds (nieqes 15-il sekonda ta' 10).
B'dan il-lejżer, nistgħu nwasslu daqqiet preċiżi lil sustanza mingħajr ma nikkawża ħafna ħsara, bħal kirurġija ta 'tiswija tal-mijopija, tibdil tal-wiċċ ta' sustanza, titjib tal-proprjetajiet antisettiċi tagħha, eċċ.
