2015 es el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz (IYL2015), que es también el año en que el Consejo Ejecutivo de la UNESCO firmó la decisión de establecer el 16 de mayo de cada año como el "Día Internacional de la Luz". La razón para elegir el 16 de mayo es...
En 2015, el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz (IYL2015), el Consejo Ejecutivo de la UNESCO firmó la decisión de designar el 16 de mayo de cada año como el Día Internacional de la Luz.
Se eligió el 16 de mayo porque el 16 de mayo de 1960, el físico estadounidense Meyman creó el primer rayo láser en la historia de la humanidad.
Meyman y el láser de rubí.
Entonces, ¿qué es exactamente un láser? ¿Y por qué es tan importante?
Para responder a estas dos preguntas, necesitamos entender las causas y consecuencias del trabajo de Meyman.
¿Por qué los objetos emiten luz?
En 1912, los físicos todavía estaban obsesionados con el aspecto del átomo, la base del mundo.
En este año, se publicaron tres artículos del físico danés Bohr, en los que Bohr aplicó la teoría cuántica al modelo del átomo de Rutherford y propuso el famoso modelo de Bohr.
El modelo de Bohr fue capaz de explicar fenómenos que no podían ser explicados por otros modelos en ese momento, y predijo algunos resultados que podrían confirmarse mediante experimentos posteriores, por lo que fue generalmente aceptado por la comunidad científica después.
El modelo de Bohr es un modelo planetario, lo que significa que los electrones cargados negativamente se mueven alrededor de un núcleo cargado positivamente como un planeta.
La sutileza del modelo de Bohr es que las órbitas de estos electrones no se eligen al azar, sino solo con algunos valores definidos.
Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno.
El orbital de electrones más interno se denomina estado fundamental, el orbital de la capa externa se denomina primer estado excitado, la capa externa es el segundo estado excitado, y así sucesivamente.
Podemos notar que las energías de los electrones de estos diferentes orbitales son diferentes, por lo que podemos "aplanar" estos orbitales y obtener algunos niveles de energía. Niveles de energía de radiación espontánea.
Debido a la conservación de la energía, los electrones quieren saltar de niveles de energía bajos a niveles de energía altos, hay que absorber la energía correspondiente del mundo exterior, a este proceso lo llamamos absorción estimulada. De igual forma, el electrón del nivel de alta energía al caer al nivel de baja energía, seguramente también liberará la energía correspondiente, está comprobado que este proceso emitirá un fotón, es decir, el electrón será luminoso, por lo que a este proceso se le llama radiación espontánea.
El principio de luminiscencia de las fuentes de luz comunes en nuestra vida es la radiación espontánea.
Lámparas fluorescentes.
Hacer que la luz "se comporte"
Hay algunos problemas con la luz producida por radiación espontánea: hay muchos niveles de energía en los átomos, y estos fotones pueden ser producidos por radiación espontánea en el primer nivel de energía, o por radiación espontánea en el tercer nivel de energía...
Esto conduce a diferentes energías de estos fotones, y la energía de un solo fotón determina la frecuencia de la luz, es decir, la frecuencia de la luz producida por la radiación espontánea es aleatoria.
Otro punto es que el momento de la radiación espontánea para producir fotones, así como la dirección del movimiento de los fotones tampoco está bajo nuestro control, lo que conducirá a la radiación espontánea para producir luz, la fase también es aleatoria.
La frecuencia y la fase mencionadas aquí son propiedades de la luz como onda electromagnética. La frecuencia puede entenderse como la velocidad de vibración de la onda de luz, que también determina el color de la luz que vemos; La fase puede entenderse como la posición de la transmisión de ondas de luz.
La luz como onda electromagnética.
En resumen, la luz generada por las fuentes de luz ordinarias es como un montón de gente abarrotando el metro, son viejos y jóvenes, hombres y mujeres, visten diferentes colores para tomar el metro, y no caminan tan rápido, algunos ya lo han hecho. en el tren, mientras algunos todavía revisan los boletos.
Esto condujo a fuentes de luz ordinarias, aunque en la vida de la iluminación ha sido suficiente para usar, pero en el campo de la investigación científica, especialmente el estudio de la naturaleza de la luz, el poder de combate es realmente general.
Finalmente, en 1917, surgió otra forma de luz, es decir, Einstein propuso la teoría de la radiación estimulada.
Radiación estimulada.
La teoría de la radiación excitada es decir, ahora suponga que el primer estado excitado en un electrón, cuando un fotón golpea, y la energía de este fotón es exactamente igual al primer estado excitado y la brecha entre el estado fundamental, entonces esta vez, el primer El estado excitado en el electrón será "tentado" para completar el caso de radiación espontánea, emitiendo un El fotón "idéntico" se libera.
Debido a la existencia de este "fotón tentado", llamamos a este proceso radiación excitada.
Si hay suficientes electrones de alta energía, este proceso continuará, eventualmente formando un gran grupo de fotones "seducidos", llamaremos a este proceso proceso de amplificación de luz, lo más importante es que la fase y frecuencia de estos fotones es exactamente la mismo. Como un ejército limpio y ordenado, y la radiación espontánea anterior "apretar el metro" es completamente diferente.
¿Cuántos pasos se necesitan para construir un láser?
El primer paso es la inversión del número de partículas.
Con la teoría de la radiación excitada, la gente se pregunta cómo usar esta teoría para construir una fuente de luz que pueda emitir una luz limpia y ordenada.
Algunos lectores pueden decir: "¿Por qué no simplemente tomar la luz y hacerla brillar? ¿Qué tiene de difícil?
Los lectores que tengan tales dudas deberían prestar atención a la palabra "suficiente" mencionada anteriormente, y no olvidar nuestro fenómeno de absorción excitada.
Si no hay suficientes electrones en niveles de alta energía, la cantidad de radiación excitada es menor que la cantidad de absorción excitada, cuando un haz de luz golpea, no se emitirá amplificación de luz, sino que será la absorción excitada de electrones del estado fundamental, lo que resultará en pérdida de luz.
De hecho, en el caso natural, el número de electrones en estado fundamental es mucho mayor que el número de electrones excitados, a temperatura ambiente, por ejemplo, un sistema de dos energías (es decir, solo el estado fundamental y el primer estado excitado de el sistema de energía) ¡el número de electrones en estado fundamental es aproximadamente 10 de 170 veces el número de electrones excitados!
Entonces, para usar el principio de radiación excitada para crear una fuente de luz, el primer problema a resolver es hacer que el número de partículas en niveles de energía más altos sea mayor que el número de partículas en niveles de energía más bajos, es decir, para lograr el número de partículas inversión
¿Cómo lograr la inversión del número de partículas?
La idea básica es bombear las partículas desde el estado fundamental al estado de alta energía, como una bomba.
Esto es más fácil dicho que hecho.
Partículas de bombeo de agua.
El segundo paso es construir un predecesor.
En 1951, el físico estadounidense Towns pensó en cómo lograr la inversión del número de partículas en la molécula de amoníaco.
La molécula de amoníaco es un sistema de dos energías, y es imposible lograr la inversión del número de partículas en circunstancias normales, porque la probabilidad de absorción excitada y radiación excitada son las mismas, y también la presencia de radiación espontánea, lo que lleva al hecho de que el número de partículas en niveles de energía más altos debe ser menor que el número de partículas en el estado fundamental.
El enfoque de Towns fue ingenioso, ya que usó un campo magnético para distinguir entre las moléculas de amoníaco en estado fundamental y en estado excitado, seleccionando las moléculas de amoníaco en estado excitado para colocarlas en una cavidad resonante de microondas, en la que se logró la inversión del número de partículas.
Tres años más tarde, con esta idea, Towns construyó el primer "MASER". ¿Qué es MASER?
MASER se llama Amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación, que se traduce como "amplificación de microondas por radiación estimulada". El láser LÁSER se denomina amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, que se traduce como "amplificación de luz por radiación estimulada".
Mencionamos anteriormente que la luz es una onda electromagnética y el microondas es otra onda electromagnética.
Las ondas electromagnéticas se pueden clasificar según su frecuencia, con microondas que van desde 300 MHz a 300 GHz, y luz visible que va desde 3,9 a 7,5 veces 10 a la 14 potencia Hz.
Por el nombre podemos ver la diferencia entre MASER y LAZER, principalmente en la diferencia de bandas de operación, MASER está a solo un paso de LASER.
Pueblos y el primer MASER.
El tercer paso es completar los tres componentes principales del láser.
La introducción de MASER resolvió el problema de inversión del número de partículas. En tan solo tres años, esta tecnología ha avanzado a pasos agigantados, y en este punto todo el mundo quiere darse prisa y dar un paso más allá convirtiendo este amplificador de microondas en un amplificador óptico y creando esa fuente de luz soñada, el láser.
Hasta ahora hemos podido resumir vagamente la composición del láser en tres componentes principales:
El primero es la necesidad de lograr la inversión del número de partículas de la sustancia, como las moléculas de amoníaco, que llamamos medio de ganancia; el segundo es el método de bombeo apropiado, lo llamamos bombeo; tercero son los pueblos mencionados anteriormente con cavidad resonante, en cuanto al papel de la cavidad resonante hablaremos más adelante.
En 1958, Towns y Shorro colaboraron en un artículo teórico que predijo la viabilidad de los láseres por primera vez desde un punto de vista teórico. En este punto, todo estaba listo para Towns, ¡excepto el viento!
El 16 de mayo de 1960, Meyman tomó un camino diferente y fue el primero en construir el primer láser en la historia de la humanidad.
La historia de cómo llegó allí Meyman primero es una historia fascinante con muchos giros y vueltas. Pero concentrémonos aquí en su láser rubí.
El diagrama esquemático del láser de rubí.
Este láser muestra muy claramente los tres componentes principales del láser, también podemos presentarlos a su vez.
Ganancia media:
El medio de ganancia elegido por Meyman es el rubí, que es trióxido de aluminio dopado con cromo.
Esquema del sistema de tres energías.
Este medio de ganancia es un sistema de tres energías, y este sistema de tres energías para lograr la inversión del número de partículas es mucho más simple que el sistema anterior de dos niveles. Hay algunas características especiales del sistema de tres niveles de Ruby, y podemos entender cómo logra la inversión del número de partículas mediante su proceso de bombeo.
En primer lugar, las partículas en estado fundamental se transportan directamente al nivel de energía E3 mediante una excitación adecuada, y existe un proceso de salto sin radiación entre los niveles de energía E3 y E2, lo que significa que las partículas en E3 correrán rápidamente hacia E2 por colisiones. , y la energía reducida se convierte en energía de movimiento térmico en lugar de luminiscencia.
Además, el estado E2 es subestable, es decir, las partículas que caen en el nivel de energía E3 pueden permanecer en el nivel de energía E2 durante mucho tiempo. Esto es equivalente a usar el nivel de energía E3 como una transición para transportar las partículas del estado fundamental a E2, y dejar que el proceso continúe, la cantidad de partículas en E2 excederá la cantidad de partículas en el estado fundamental, logrando el número de partículas inversión
De hecho, la eficiencia del láser de rubí es muy baja, solo 0.1 por ciento, lo que está limitado por el medio de ganancia, porque el sistema de tres energías requiere una energía muy alta para bombear las partículas en estado fundamental al estado de alta energía. Además, la longitud de onda de este láser es de 694,3 nm, que también está determinada por el medio de ganancia.
Con el desarrollo del láser, los tipos de medios de ganancia aumentaron gradualmente, incluidos gas, sólido, líquido, fibra, semiconductor, etc., como el puntero láser que se usa comúnmente en el aula, es un láser semiconductor.
En resumen, no importa qué medio de ganancia, debe tener un método que pueda lograr la inversión del número de partículas.
Bombeo:
La lámpara de bombeo del primer láser de rubí.
La característica más obvia del láser de Meynman es que su fuente de bombeo es una lámpara de xenón en espiral, la forma en espiral asegura que la barra de rubí se coloque entre las lámparas. Además esta lámpara sigue utilizando luz pulsada para el bombeo, lo que significa que la luz que emite no es continua, sino a ráfagas. Este es el diseño más importante de Meynman, para que la luz de bombeo continua de alta energía no dañe el cristal.
Cavidad resonante:
Diagrama esquemático de la cavidad resonante.
En los dos extremos de la barra de rubí, Meyman colocó dos espejos y cavó un pequeño agujero en el lado derecho para que la luz de la radiación excitada pudiera viajar de un lado a otro a través del medio de ganancia para "atraer" más fotones, y después de alcanzar un cierta intensidad, la luz láser sería emitida a través del pequeño agujero.
¿Cuál es el uso del láser?
Mayman realizó una conferencia de prensa después de la invención del láser, en la que un reportero hizo esta pregunta, Mayman dio 5 sugerencias: 1:
1. se utiliza para amplificar la luz, por ejemplo, al fabricar láseres de alta potencia, utilizan amplificadores ópticos para amplificar la luz más débil;
2. puede usar láseres para estudiar la materia;
3. utilizar rayos láser de alta potencia para comunicaciones espaciales;
4. utilizado para aumentar la cantidad de canales para la comunicación (esto es lo que luego surgió como comunicación por fibra óptica);
5. para enfocar el haz para producir una intensidad de luz ultra alta para cortar o soldar materiales en la industria, o para realizar cirugías en medicina, etc.
Tenemos que admirar el agudo sentido científico de Mehman, y todas estas sugerencias que hizo se cumplieron más tarde.
¿Recuerdas las características de los fotones producidos por la radiación excitada?
Tienen la misma frecuencia y fase, y el láser es esencialmente una amplificación de la luz de la radiación excitada, por lo que las dos características más importantes del láser son una buena monocromaticidad y alta energía. Estas dos características determinan los usos de los láseres, y estas son las dos direcciones del desarrollo del láser.
Una buena monocromaticidad significa que el espectro del láser es muy estrecho y puede mostrar fácilmente las características de la luz como una onda, y luego podemos usarlo para registrar información de fase.
Por ejemplo, la tecnología de fotografía holográfica inventada por el físico británico Dennis Gerber en 1947 consiste esencialmente en el uso de la fase de la luz para registrar toda la gama de información sobre el objeto, a fin de producir el efecto de una fotografía tridimensional.
Las fotografías holográficas pueden registrar no solo información frontal sino también información lateral.
Fue solo después de la invención del láser que esta tecnología estuvo disponible y fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 1971.
La alta energía se entiende bien, podemos usar láseres para grabar CD, para permitir la fusión nuclear, para cortar materiales, etc. No solo podemos generar láseres continuos de alta energía, sino que también podemos obtener láseres de alta energía con pulso muy corto. duraciones mediante la técnica de lock-film y amplificación chirp.
Diagrama de generación de pulsos con tecnología de bloqueo de película.
Los láseres de femtosegundo ahora están ampliamente disponibles, y la duración de un solo pulso es solo del orden de femtosegundos (menos 15 segundos de 10).
Con este láser podemos dar golpes precisos a una sustancia sin causar mucho daño, como una cirugía de reparación de la miopía, alterar la superficie de una sustancia, potenciar sus propiedades antisépticas, etc.
