Laserilla tarkoitetaan prosessia ja laitetta, jolla tuotetaan kollimoituja, monokromaattisia, koherentteja valonsäteitä stimuloidun säteilyn vahvistuksen ja tarvittavan takaisinkytkennän avulla. Lasersäteen tuottaminen vaatii pohjimmiltaan kolme elementtiä: "resonaattorin", "vahvistusväliaineen" ja "pumppauslähteen".
A. Periaate
Atomin liiketila voidaan jakaa eri energiatasoihin, ja kun atomi siirtyy korkealta energiatasolta matalalle energiatasolle, se vapauttaa vastaavan energian fotoneja (ns. spontaani säteily). Vastaavasti, kun fotoni osuu energiatasojärjestelmään ja absorboi sen, se aiheuttaa atomin siirtymisen matalalta energiatasolta korkealle energiatasolle (ns. virittynyt absorptio). Tämän jälkeen jotkut korkeammille energiatasoille siirtyvistä atomeista siirtyvät alemmille energiatasoille ja lähettävät fotoneja (ns. stimuloitu säteily). Nämä liikkeet eivät tapahdu erikseen, vaan usein rinnakkain. Kun luomme olosuhteet, kuten sopivan väliaineen, resonaattorin tai riittävän ulkoisen sähkökentän käytön, stimuloitu säteily vahvistuu niin, että stimuloitua absorptiota enemmän fotoneja yleensä emittoituu, jolloin syntyy lasersädettä.
B. Luokittelu
Laserin tuottavan väliaineen mukaan laser voidaan jakaa nestelaseriin, kaasulaseriin ja kiinteälaseriin. Nykyään yleisin puolijohdelaser on eräänlainen kiinteän aineen laser.
C. Kokoonpano
Useimmat laserit koostuvat kolmesta osasta: herätejärjestelmästä, lasermateriaalista ja optisesta resonaattorista. Herätejärjestelmät ovat laitteita, jotka tuottavat valoa, sähköistä tai kemiallista energiaa. Tällä hetkellä tärkeimmät käytetyt herätevälineet ovat valo, sähkö tai kemiallinen reaktio. Laseraineet ovat aineita, jotka voivat tuottaa laservaloa, kuten rubiinit, berylliumlasi, neonkaasu, puolijohteet, orgaaniset väriaineet jne. Optisen resonanssin ohjauksen tehtävänä on parantaa laserin lähtösäteilyn kirkkautta, säätää ja valita laserin aallonpituutta ja suuntaa.
D. Hakemus
Laseria käytetään laajalti, pääasiassa kuituviestinnässä, laseretäisyyden mittauksessa, laserleikkauksessa, laseraseissa, laserlevyissä ja niin edelleen.
E. Historia
Vuonna 1958 amerikkalaiset tiedemiehet Xiaoluo ja Townes löysivät maagisen ilmiön: kun he kohdistivat sisäisen hehkulampun lähettämän valon harvinaisen maametallin kiteeseen, kiteen molekyylit säteilevät kirkasta, aina yhdessä olevaa voimakasta valoa. Tämän ilmiön mukaan he esittivät "laserperiaatteen", eli kun aine virittyy samalla energialla kuin sen molekyylien luonnollinen värähtelytaajuus, se tuottaa voimakasta valoa, joka ei hajaannu – laseria. He löysivät tästä tärkeitä artikkeleita.
Sciolon ja Townesin tutkimustulosten julkaisemisen jälkeen eri maiden tiedemiehet ehdottivat erilaisia kokeellisia suunnitelmia, mutta ne eivät onnistuneet. 15. toukokuuta 1960 Mayman, Kalifornian Hughesin laboratorion tiedemies, ilmoitti löytäneensä laserin, jonka aallonpituus oli 0,6943 mikronia. Se oli ensimmäinen ihmisen koskaan löytämä laser. Maymanista tuli näin maailman ensimmäinen tiedemies, joka toi laserit käytännön käyttöön.
Mayman ilmoitti 7. heinäkuuta 1960 maailman ensimmäisen laserin syntymästä. Maymanin suunnitelmana on käyttää korkean intensiteetin salamavaloputkea stimuloimaan kromiatomeja rubiinikiteessä, jolloin syntyy erittäin keskittynyt ohut punainen valopylväs. Kun se laukaistaan tietyssä pisteessä, se voi saavuttaa korkeamman lämpötilan kuin auringon pinta.
Neuvostoliittolainen tiedemies H.G. Basov keksi puolijohdelaserin vuonna 1960. Puolijohdelaserin rakenne koostuu yleensä P-kerroksesta, N-kerroksesta ja aktiivikerroksesta, jotka muodostavat kaksoisheteroliitoksen. Sen ominaisuuksia ovat: pieni koko, korkea kytkentätehokkuus, nopea vasteaika, aallonpituuden ja koon sopivuus optisen kuidun kokoon, suoramodulointikelpoisuus ja hyvä koherenssi.
Kuusi, joitakin laserin tärkeimmistä sovellussuunnista
F. Laserkommunikaatio
Valon käyttö tiedonsiirtoon on nykyään hyvin yleistä. Esimerkiksi laivat käyttävät valoja kommunikointiin, ja liikennevaloissa käytetään punaista, keltaista ja vihreää. Mutta kaikki nämä tavat siirtää tietoa tavallisen valon avulla voidaan rajoittaa vain lyhyille etäisyyksille. Jos haluat lähettää tietoa suoraan kaukaisiin paikkoihin valon avulla, et voi käyttää tavallista valoa, vaan ainoastaan lasereita.
Miten laser sitten syötetään? Tiedämme, että sähköä voidaan kuljettaa kuparijohtimia pitkin, mutta valoa ei voida kuljettaa tavallisia metallijohtimia pitkin. Tätä varten tiedemiehet ovat kehittäneet valoa läpäisevän filamentin, jota kutsutaan optiseksi kuiduksi. Optinen kuitu on valmistettu erityisistä lasimateriaaleista, joiden halkaisija on ohuempi kuin ihmisen hiuksen, yleensä 50–150 mikronia, ja ne ovat erittäin pehmeitä.
Itse asiassa kuidun sisäydin on läpinäkyvää optista lasia, jolla on korkea taitekerroin, ja ulkopinnoite on valmistettu matalan taitekertoimen lasista tai muovista. Tällainen rakenne voi toisaalta saada valon taittumaan sisäydintä pitkin aivan kuten vesi virtaa eteenpäin vesiputkessa, ja sähkö siirtyy eteenpäin johdossa, vaikka tuhannet käännökset ja kierteet eivät vaikuttaisi. Toisaalta matalan taitekertoimen pinnoite voi estää valon vuotamisen, aivan kuten vesiputki ei vuoda ja johdon eristyskerros ei johda sähköä.
Optisten kuitujen ulkonäkö ratkaisee valon lähettämisen tavan, mutta se ei tarkoita, että niiden avulla voidaan lähettää mitä tahansa valoa hyvin kauas. Vain korkea kirkkaus, puhdas väri ja hyvä suuntaava laser ovat ihanteellisin valonlähde tiedon siirtämiseen. Se syöttää valoa kuidun toisesta päästä lähes häviöttömästi ja antaa valoa toisesta päästä. Siksi optinen tiedonsiirto on pohjimmiltaan lasertiedonsiirtoa, jonka etuja ovat suuri kapasiteetti, korkea laatu, laaja materiaalivalikoima, vahva luottamuksellisuus, kestävyys jne., ja tiedemiehet pitävät sitä vallankumouksena viestinnän alalla, ja se on yksi teknologisen vallankumouksen loistavimmista saavutuksista.
Julkaisun aika: 29. kesäkuuta 2023