Năm 2015 là Năm quốc tế về ánh sáng và các công nghệ dựa trên ánh sáng (IYL2015), cũng là năm Ban chấp hành UNESCO ký quyết định lấy ngày 16 tháng 5 hàng năm là “Ngày quốc tế ánh sáng”. Lý do chọn ngày 16 tháng 5 là...
Năm 2015, Năm Quốc tế về Ánh sáng và Công nghệ dựa trên Ánh sáng (IYL2015), Ban Chấp hành UNESCO đã ký quyết định chọn ngày 16 tháng 5 hàng năm là Ngày Quốc tế Ánh sáng.
Ngày 16 tháng 5 được chọn vì ngày 16 tháng 5 năm 1960, nhà vật lý người Mỹ Meyman đã tạo ra chùm tia laze đầu tiên trong lịch sử nhân loại.
Meyman và tia laser hồng ngọc.
Vậy chính xác tia laser là gì? Và tại sao nó lại quan trọng như vậy?
Để trả lời hai câu hỏi này, chúng ta cần hiểu nguyên nhân và hậu quả của công việc của Meyman.
Tại sao các vật thể phát ra ánh sáng?
Trở lại năm 1912, các nhà vật lý vẫn bị ám ảnh bởi nguyên tử, nền tảng của thế giới, trông như thế nào.
Trong năm này, ba bài báo của nhà vật lý Đan Mạch Bohr đã được xuất bản, trong đó Bohr áp dụng lý thuyết lượng tử cho mô hình nguyên tử của Rutherford và đề xuất mô hình Bohr nổi tiếng.
Mô hình của Bohr đã có thể giải thích các hiện tượng mà các mô hình khác không thể giải thích được vào thời điểm đó và dự đoán một số kết quả có thể được xác nhận bằng các thí nghiệm sau đó, vì vậy nó thường được cộng đồng khoa học chấp nhận sau đó.
Mô hình Bohr là mô hình hành tinh, nghĩa là các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh một hạt nhân mang điện tích dương giống như một hành tinh.
Điểm tinh tế của mô hình Bohr là quỹ đạo của các electron này không được chọn một cách ngẫu nhiên mà chỉ theo một số giá trị xác định.
Mô hình nguyên tử hydro của Bohr.
Quỹ đạo electron trong cùng được gọi là trạng thái cơ bản, quỹ đạo ở lớp ngoài cùng được gọi là trạng thái kích thích thứ nhất, lớp ngoài cùng là trạng thái kích thích thứ hai, v.v.
Chúng ta có thể nhận thấy rằng năng lượng electron của các quỹ đạo khác nhau này là khác nhau, vì vậy chúng ta có thể "làm phẳng" các quỹ đạo này và chúng ta có được một số mức năng lượng. Các mức năng lượng bức xạ tự phát.
Vì sự bảo toàn năng lượng, các electron muốn nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, bạn phải hấp thụ năng lượng tương ứng từ thế giới bên ngoài, quá trình này chúng tôi gọi là hấp thụ kích thích. Tương tự như vậy, điện tử từ mức năng lượng cao rơi xuống mức năng lượng thấp, chắc chắn cũng sẽ giải phóng năng lượng tương ứng, người ta chứng minh rằng quá trình này sẽ phát ra một photon, tức là điện tử sẽ phát sáng, vì vậy quá trình này được gọi là bức xạ tự phát.
Nguyên tắc phát quang của các nguồn sáng phổ biến trong cuộc sống của chúng ta là bức xạ tự phát.
đèn huỳnh quang.
Làm ánh sáng "ứng xử"
Có một số vấn đề với ánh sáng được tạo ra bởi bức xạ tự phát: có nhiều mức năng lượng trong nguyên tử, và những photon này có thể được tạo ra bởi bức xạ tự phát ở mức năng lượng thứ nhất, hoặc bởi bức xạ tự phát ở mức năng lượng thứ ba......
Điều này dẫn đến năng lượng khác nhau của các photon này và năng lượng của một photon đơn lẻ xác định tần số ánh sáng, nghĩa là tần số ánh sáng do bức xạ tự phát tạo ra là ngẫu nhiên.
Một điểm nữa là thời điểm bức xạ tự phát tạo ra photon, cũng như hướng chuyển động của photon cũng không nằm trong tầm kiểm soát của chúng ta, điều này sẽ dẫn đến bức xạ tự phát tạo ra ánh sáng, pha cũng ngẫu nhiên.
Tần số và pha được đề cập ở đây là tất cả các tính chất của ánh sáng dưới dạng sóng điện từ. Tần số có thể được hiểu là tốc độ dao động của sóng ánh sáng, nó cũng quyết định màu sắc của ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy; pha có thể hiểu là vị trí truyền sóng ánh sáng.
Ánh sáng dưới dạng sóng điện từ.
Nói tóm lại, ánh sáng do các nguồn sáng thông thường tạo ra giống như một đám người đang chen chúc trên tàu điện ngầm, già trẻ lớn bé, nam nữ mặc trang phục khác màu đi tàu điện ngầm, đi không nhanh bằng, có người đã có rồi. trên tàu, trong khi một số vẫn đang kiểm tra vé.
Điều này dẫn đến các nguồn sáng thông thường, mặc dù trong cuộc sống ánh sáng đã đủ dùng, nhưng trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đặc biệt là nghiên cứu về bản chất của ánh sáng, sức chiến đấu thực sự rất chung chung.
Cuối cùng, vào năm 1917, một cách khác để ánh sáng xuất hiện, đó là Einstein đề xuất lý thuyết về bức xạ kích thích.
bức xạ kích thích.
Lý thuyết bức xạ kích thích có nghĩa là, bây giờ giả sử rằng trạng thái kích thích đầu tiên trên một electron, khi một photon đập vào, và năng lượng của photon này chính xác bằng trạng thái kích thích đầu tiên và khoảng cách giữa trạng thái cơ bản, sau đó lần này, lần đầu tiên trạng thái kích thích trên electron sẽ bị "cám dỗ" để hoàn thành trường hợp bức xạ tự phát, phát ra một Photon "giống hệt" được giải phóng.
Vì sự tồn tại của "photon bị cám dỗ" này, chúng tôi gọi quá trình này là bức xạ kích thích.
Nếu có đủ các electron năng lượng cao, quá trình này sẽ tiếp tục, cuối cùng tạo thành một nhóm lớn các photon bị "dụ dỗ", chúng ta sẽ gọi quá trình này là quá trình khuếch đại ánh sáng, điều quan trọng nhất là pha và tần số của các photon này phải chính xác như nhau. Giống như một đội quân gọn gàng và ngăn nắp, và bức xạ tự phát "ép tàu điện ngầm" ở trên là hoàn toàn khác nhau.
Cần bao nhiêu bước để chế tạo một tia laze?
Bước đầu tiên là nghịch đảo số hạt.
Với lý thuyết về bức xạ kích thích, người ta tự hỏi làm thế nào để sử dụng lý thuyết này để xây dựng một nguồn sáng có thể phát ra ánh sáng gọn gàng và ngăn nắp.
Một số độc giả có thể nói, "Tại sao không lấy ánh sáng và chiếu xuyên qua nó? Có gì khó khăn về nó?
Những độc giả có nghi ngờ như vậy nên chú ý đến từ "đủ" đã đề cập trước đó, và đừng quên hiện tượng hấp thụ kích thích của chúng tôi.
Nếu không có đủ điện tử ở mức năng lượng cao, số lượng bức xạ kích thích ít hơn số lượng hấp thụ bị kích thích, khi một chùm ánh sáng chiếu vào, sẽ không phát ra sự khuếch đại ánh sáng, mà sẽ bị hấp thụ điện tử ở trạng thái cơ bản, dẫn đến trong mất mát ánh sáng.
Thực tế, trong trường hợp tự nhiên, số lượng electron ở trạng thái cơ bản lớn hơn nhiều so với số lượng electron bị kích thích, ở nhiệt độ phòng chẳng hạn, hệ hai năng lượng (nghĩa là chỉ có trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích thứ nhất của hệ thống năng lượng) số lượng electron ở trạng thái cơ bản là khoảng 10 trên 170 lần số lượng electron bị kích thích!
Vì vậy muốn sử dụng nguyên lý bức xạ kích thích để tạo ra nguồn sáng thì vấn đề đầu tiên cần giải quyết là làm sao cho số hạt ở mức năng lượng cao hơn lớn hơn số hạt ở mức năng lượng thấp hơn, tức là đạt được số hạt nghịch đảo.
Làm thế nào để đạt được sự đảo ngược số lượng hạt?
Ý tưởng cơ bản là bơm các hạt từ trạng thái cơ bản lên trạng thái năng lượng cao, giống như một cái bơm.
Nói thì dễ hơn là làm.
hạt bơm nước.
Bước thứ hai là xây dựng một tiền thân.
Năm 1951, nhà vật lý người Mỹ Towns đã nghĩ ra cách đạt được sự đảo ngược số hạt trong phân tử amoniac.
Phân tử amoniac là một hệ thống hai năng lượng và không thể đạt được sự đảo ngược số hạt trong các trường hợp bình thường, bởi vì xác suất hấp thụ kích thích và bức xạ kích thích là như nhau, và cũng có sự hiện diện của bức xạ tự phát, dẫn đến thực tế là số hạt ở mức năng lượng cao hơn phải ít hơn số hạt ở trạng thái cơ bản.
Cách tiếp cận của Towns thật tài tình, khi ông sử dụng từ trường để phân biệt giữa các phân tử amoniac ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, chọn ra các phân tử amoniac ở trạng thái kích thích để đặt trong khoang cộng hưởng vi sóng, trong đó đạt được sự đảo ngược số lượng hạt.
Ba năm sau, sử dụng ý tưởng này, Towns đã chế tạo chiếc "MASER" đầu tiên. MASER là gì?
MASER có tên gọi là Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tạm dịch là “khuếch đại vi sóng bằng bức xạ kích thích”. Laser LASER được gọi là light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tạm dịch là “khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích”.
Chúng tôi đã đề cập ở trên rằng ánh sáng là sóng điện từ và lò vi sóng là một sóng điện từ khác.
Sóng điện từ có thể được phân loại theo tần số của chúng, với vi sóng nằm trong khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz và ánh sáng khả kiến nằm trong khoảng từ 3,9 đến 7,5 lần 10 đến 14 Hz.
Ngay từ cái tên, chúng ta có thể thấy sự khác biệt giữa MASER và LAZER, chủ yếu là ở sự khác biệt về băng tần hoạt động, MASER chỉ cách LASER một bước.
Thị trấn và MASER đầu tiên.
Bước thứ ba là hoàn thành ba thành phần chính của laser.
Sự ra đời của MASER đã giải quyết vấn đề nghịch đảo số hạt. Chỉ trong ba năm, công nghệ này đã phát triển vượt bậc và tại thời điểm này, mọi người đều muốn nhanh lên và tiến thêm một bước nữa bằng cách biến bộ khuếch đại vi sóng này thành bộ khuếch đại quang học và tạo ra nguồn sáng mơ ước đó, tia laser.
Cho đến nay, chúng tôi đã có thể tóm tắt một cách mơ hồ về thành phần của ba thành phần chính của laser:
Đầu tiên là cần phải đạt được sự đảo ngược số lượng hạt của chất, giống như các phân tử amoniac, chúng tôi gọi là môi trường khuếch đại; thứ hai là phương pháp bơm thích hợp, chúng tôi gọi nó là bơm; thứ ba là các Towns có hốc cộng hưởng đã nói ở trên, còn về vai trò của hốc cộng hưởng chúng ta sẽ nói sau.
Năm 1958, Towns và Shorro hợp tác trong một bài báo lý thuyết lần đầu tiên dự đoán tính khả thi của laser từ quan điểm lý thuyết. Tại thời điểm này, mọi thứ đã sẵn sàng cho Towns, ngoại trừ gió!
Vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, Meyman rẽ sang một con đường khác và là người đầu tiên chế tạo ra tia laser đầu tiên trong lịch sử nhân loại.
Câu chuyện về cách Meyman đến đó đầu tiên là một câu chuyện hấp dẫn với nhiều khúc ngoặt. Nhưng hãy tập trung ở đây vào tia laser hồng ngọc của anh ấy.
Sơ đồ của laser ruby.
Laser này cho thấy rất rõ ràng ba thành phần chính của laser, chúng tôi cũng có thể lần lượt giới thiệu chúng.
Đạt được phương tiện:
Môi trường khuếch đại được chọn bởi Meyman là ruby, đó là triôxit nhôm pha tạp crom.
Sơ đồ của hệ thống ba năng lượng.
Phương tiện khuếch đại này là một hệ thống ba năng lượng và hệ thống ba năng lượng này để đạt được sự đảo ngược số lượng hạt đơn giản hơn nhiều so với hệ thống hai cấp trước đó. Có một số tính năng đặc biệt của hệ thống ba cấp độ ruby, và chúng ta có thể hiểu làm thế nào nó đạt được sự đảo ngược số hạt bằng quá trình bơm của nó.
Đầu tiên, các hạt ở trạng thái cơ bản được vận chuyển trực tiếp đến mức năng lượng E3 bằng một kích thích thích hợp và có một quá trình nhảy vọt không bức xạ giữa các mức năng lượng E3 và E2, nghĩa là các hạt trên E3 sẽ nhanh chóng chạy đến E2 do va chạm , và năng lượng giảm đi trở thành năng lượng chuyển động nhiệt thay vì phát quang.
Ngoài ra, trạng thái E2 là ổn định phụ, nghĩa là các hạt rơi vào mức năng lượng E3 có thể duy trì ở mức năng lượng E2 trong một thời gian dài. Điều này tương đương với việc sử dụng mức năng lượng E3 làm bước chuyển để vận chuyển các hạt từ trạng thái cơ bản sang E2, và cứ để quá trình này tiếp diễn, số hạt trong E2 sẽ vượt quá số hạt ở trạng thái cơ bản, đạt được số hạt nghịch đảo.
Trên thực tế, hiệu suất của laser hồng ngọc rất thấp, chỉ 0.1% , bị giới hạn bởi môi trường khuếch đại, vì hệ thống ba năng lượng cần năng lượng rất cao để bơm các hạt ở trạng thái cơ bản tới trạng thái năng lượng cao. Ngoài ra, bước sóng của tia laser này là 694,3nm, cũng được xác định bởi môi trường khuếch đại.
Với sự phát triển của laser, các loại môi trường khuếch đại dần dần tăng lên, bao gồm khí, rắn, lỏng, sợi quang, chất bán dẫn, v.v., chẳng hạn như con trỏ laser thường được sử dụng trong lớp học là laser bán dẫn.
Nói tóm lại, bất kể phương tiện khuếch đại nào, nó phải có một phương pháp có thể đạt được sự đảo ngược số lượng hạt.
bơm:
Đèn bơm của laser hồng ngọc đầu tiên.
Đặc điểm rõ ràng nhất của laser Meynman là nguồn bơm của nó là một đèn xenon xoắn ốc, hình dạng xoắn ốc đảm bảo rằng thanh hồng ngọc được đặt giữa các đèn. Ngoài ra, đèn này vẫn sử dụng ánh sáng xung để bơm, nghĩa là ánh sáng nó phát ra không liên tục mà theo từng đợt. Đây là thiết kế quan trọng nhất của Meynman, để ánh sáng bơm năng lượng cao liên tục không làm hỏng tinh thể.
Khoang cộng hưởng:
Sơ đồ khoang cộng hưởng.
Ở hai đầu của thanh hồng ngọc, Meyman đặt hai chiếc gương và đào một lỗ nhỏ ở phía bên phải để ánh sáng từ bức xạ kích thích có thể truyền qua lại môi trường khuếch đại để "dụ" thêm photon, và sau khi đạt đến một cường độ nhất định, ánh sáng laze sẽ được phát ra qua lỗ nhỏ.
Công dụng của laze là gì?
Mayman đã tổ chức một cuộc họp báo sau khi phát minh ra tia laze, trong đó có một phóng viên đặt câu hỏi này, Mayman đưa ra 5 gợi ý: 1:
1. Nó được sử dụng để khuếch đại ánh sáng, ví dụ, khi chế tạo laser công suất cao, họ sử dụng bộ khuếch đại quang học để khuếch đại ánh sáng yếu hơn;
2. có thể sử dụng tia laser để nghiên cứu vật chất;
3. sử dụng chùm tia laser công suất cao để liên lạc trong không gian;
4. được sử dụng để tăng số lượng kênh truyền thông (đây là thứ sau này nổi lên như truyền thông cáp quang);
5. Tập trung chùm tia để tạo ra cường độ ánh sáng cực cao để cắt hoặc hàn vật liệu trong công nghiệp, hoặc để thực hiện phẫu thuật trong y học, v.v.
Chúng ta phải khâm phục óc khoa học nhạy bén của Mehman, và tất cả những gợi ý mà ông ấy đưa ra sau đó đều được ứng nghiệm.
Hãy nhớ các đặc điểm của photon được tạo ra bởi bức xạ kích thích?
Chúng có cùng tần số và pha, bản chất laze là sự khuếch đại ánh sáng từ bức xạ kích thích nên hai đặc tính quan trọng nhất của laze là tính đơn sắc tốt và năng lượng cao. Hai đặc điểm này xác định việc sử dụng laser và đây là hai hướng phát triển của laser.
Tính đơn sắc tốt có nghĩa là phổ laser rất hẹp và có thể dễ dàng hiển thị các đặc tính của ánh sáng dưới dạng sóng, sau đó chúng ta có thể sử dụng nó để ghi lại thông tin về pha.
Ví dụ, công nghệ ảnh ba chiều do nhà vật lý người Anh Dennis Gerber phát minh vào năm 1947 về cơ bản là sử dụng pha ánh sáng để ghi lại toàn bộ thông tin về vật thể, nhằm tạo ra hiệu ứng chụp ảnh ba chiều.
Ảnh ba chiều có thể ghi lại không chỉ thông tin phía trước mà còn cả thông tin bên.
Chỉ sau khi phát minh ra tia laser, công nghệ này mới có sẵn và được trao giải Nobel Vật lý năm 1971.
Năng lượng cao được hiểu rõ, chúng ta có thể sử dụng tia laze để ghi đĩa CD, kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân, cắt vật liệu, v.v. Chúng ta không chỉ có thể tạo ra tia laze năng lượng cao liên tục mà còn có thể thu được tia laze năng lượng cao với xung rất ngắn thời lượng bằng kỹ thuật phim khóa và khuếch đại chirp.
Sơ đồ tạo xung với công nghệ film lock.
Laser Femto giây hiện đã phổ biến rộng rãi và thời lượng của một xung đơn chỉ theo thứ tự femto giây (âm 15 giây của 10).
Với tia laser này, chúng ta có thể tạo ra những cú đánh chính xác vào một chất mà không gây ra nhiều thiệt hại, chẳng hạn như phẫu thuật sửa chữa cận thị, thay đổi bề mặt của một chất, tăng cường tính chất sát trùng của nó, v.v.
