2015 yil - Xalqaro yorug'lik va yorug'likka asoslangan texnologiyalar yili (IYL2015), bu yil YUNESKO Ijroiya kengashi har yili 16 mayni "Xalqaro yorug'lik kuni" sifatida belgilash to'g'risidagi qarorni imzolagan yildir. 16-mayni tanlash sababi...
2015 yilda, Xalqaro yorug'lik va yorug'likka asoslangan texnologiyalar yili (IYL2015), YUNESKO Ijroiya kengashi har yili 16 mayni Xalqaro yorug'lik kuni sifatida belgilash to'g'risida qaror imzoladi.
16 may 1960 yil 16 mayda amerikalik fizik Meyman insoniyat tarixida birinchi lazer nurini yaratgani uchun tanlangan.
Meyman va yoqut lazer.
Xo'sh, lazer aynan nima? Va nima uchun bu juda muhim?
Bu ikki savolga javob berish uchun Meyman ijodining sabab va oqibatlarini tushunishimiz kerak.
Nima uchun jismlar yorug'lik chiqaradi?
1912-yildayoq fiziklar hali ham dunyoning asosi bo‘lgan atom qanday ko‘rinishga ega ekanligi bilan shug‘ullanishgan.
Bu yili daniyalik fizik Borning uchta maqolasi nashr etildi, ularda Bor kvant nazariyasini Rezerfordning atom modeliga tatbiq etgan va mashhur Bor modelini taklif qilgan.
Bor modeli oʻsha davrda boshqa modellar bilan tushuntirib boʻlmaydigan hodisalarni tushuntira olgan va keyinchalik tajribalar bilan tasdiqlanishi mumkin boʻlgan baʼzi natijalarni bashorat qilgan, shuning uchun ham keyinchalik ilmiy jamoatchilik tomonidan umumiy qabul qilingan.
Bor modeli sayyoraviy model bo'lib, manfiy zaryadlangan elektronlar sayyora kabi musbat zaryadlangan yadro atrofida harakat qiladi.
Bor modelining nozikligi shundaki, bu elektronlarning orbitalari tasodifiy emas, balki faqat ba'zi bir aniq qiymatlarga qarab tanlanadi.
Vodorod atomining Bor modeli.
Eng ichki elektron orbital asosiy holat deb ataladi, tashqi qatlamdagi orbital birinchi qo'zg'aluvchan holat, tashqi qatlam ikkinchi qo'zg'aluvchan holat va hokazo.
Biz bu turli orbitallarning elektron energiyalari har xil ekanligini payqashimiz mumkin, shuning uchun biz bu orbitallarni "tekislashimiz" mumkin va biz ba'zi energiya darajalarini olamiz. Spontan radiatsiya energiya darajalari.
Energiyaning saqlanishi tufayli elektronlar past energiya darajasidan yuqori energiya darajasiga o'tishni xohlaydi, siz tashqi dunyodan mos keladigan energiyani o'zlashtirishingiz kerak, bu jarayonni biz uni stimulyatsiyalangan yutilish deb ataymiz. Xuddi shunday, elektron yuqori energiya darajasidan past energiya darajasiga tushishi uchun, albatta, tegishli energiyani ham chiqaradi, bu jarayon foton chiqarishi, ya'ni elektron yorug' bo'lishi isbotlangan, shuning uchun bu jarayon deyiladi. spontan nurlanish.
Hayotimizdagi umumiy yorug'lik manbalarining luminesans printsipi - spontan nurlanish.
Floresan lampalar.
Nurni "o'zini tutish"
O'z-o'zidan nurlanish natijasida paydo bo'ladigan yorug'lik bilan bog'liq ba'zi muammolar mavjud: atomlarda ko'plab energiya darajalari mavjud va bu fotonlar birinchi energiya darajasida o'z-o'zidan nurlanish yoki uchinchi energiya darajasida o'z-o'zidan nurlanish natijasida paydo bo'lishi mumkin ......
Bu bu fotonlarning turli energiyalariga olib keladi va bitta fotonning energiyasi yorug'lik chastotasini belgilaydi, ya'ni o'z-o'zidan nurlanish natijasida hosil bo'lgan yorug'lik chastotasi tasodifiydir.
Yana bir nuqta shundaki, fotonlarni ishlab chiqarish uchun o'z-o'zidan nurlanish vaqti, shuningdek, foton harakatining yo'nalishi ham bizning nazoratimiz ostida emas, bu yorug'lik ishlab chiqarish uchun spontan nurlanishga olib keladi, faza ham tasodifiydir.
Bu erda eslatib o'tilgan chastota va faza yorug'likning elektromagnit to'lqin sifatidagi barcha xususiyatlaridir. Chastotani yorug'lik to'lqinining tebranish tezligi sifatida tushunish mumkin, bu biz ko'rgan yorug'likning rangini ham belgilaydi; fazani yorug'lik to'lqinining o'tkazuvchanligi holati deb tushunish mumkin.
Elektromagnit to'lqin kabi yorug'lik.
Muxtasar qilib aytganda, oddiy yorug'lik manbalari tomonidan yaratilgan yorug'lik metroda to'plangan bir guruh odamlarga o'xshaydi, ular keksa va yosh, erkak va ayol, metroga borish uchun turli xil rangdagi kiyim kiyishadi va ular tez yurmaydilar, ba'zilari allaqachon bor. poezdda, ba'zilari esa chiptalarni tekshirmoqda.
Bu oddiy yorug'lik manbalariga olib keldi, garchi yorug'lik hayotida foydalanish uchun etarli bo'lsa-da, lekin ilmiy tadqiqotlar sohasida, ayniqsa yorug'lik tabiatini o'rganishda, jangovar kuch haqiqatan ham umumiydir.
Nihoyat, 1917 yilda yorug'likning yana bir usuli paydo bo'ldi, ya'ni Eynshteyn stimulyatsiya qilingan nurlanish nazariyasini taklif qildi.
Rag'batlantirilgan radiatsiya.
Hayajonlangan nurlanish nazariyasi shuni anglatadiki, endi elektronning birinchi qo'zg'aluvchan holati, foton urilganda va bu fotonning energiyasi birinchi qo'zg'alilgan holatga va asosiy holat orasidagi bo'shliqqa, keyin bu safar birinchi elektronning qo'zg'aluvchan holati o'z-o'zidan nurlanish holatini yakunlash uchun "vasvasaga" tushadi va "bir xil" foton chiqariladi.
Ushbu "vasvasalangan foton" mavjudligi sababli biz bu jarayonni qo'zg'atilgan nurlanish deb ataymiz.
Agar etarli darajada yuqori energiyali elektronlar mavjud bo'lsa, bu jarayon davom etadi va oxir-oqibatda "allaqachon" fotonlarning katta guruhini hosil qiladi, biz bu jarayonni yorug'likni kuchaytirish jarayoni deb ataymiz, eng muhimi, bu fotonlarning fazasi va chastotasi aynan bir xil. Toza va ozoda armiya kabi va yuqoridagi "metroni siqish" spontan nurlanish butunlay boshqacha.
Lazerni yaratish uchun qancha qadam kerak?
Birinchi qadam zarrachalar sonining inversiyasidir.
Hayajonlangan nurlanish nazariyasi bilan odamlar bu nazariyani toza va ozoda yorug'lik chiqaradigan yorug'lik manbasini qurish uchun qanday ishlatishni hayron qolishadi.
Ba'zi o'quvchilar shunday deyishlari mumkin: "Nima uchun shunchaki yorug'likni olib, uni yoritib yubormaslik kerak? Buning nimasi qiyin?
Bunday shubhalarga ega bo‘lgan kitobxonlar avval aytib o‘tilgan “yetarli” so‘ziga e’tibor qaratishlari va hayajonlangan so‘rilish hodisamizni unutmang.
Agar yuqori energiya darajasida elektronlar etarli bo'lmasa, qo'zg'atilgan nurlanish soni qo'zg'atilgan yutilish sonidan kamroq bo'lsa, yorug'lik nuri urilganda yorug'lik kuchaymaydi, lekin asosiy holat elektronning qo'zg'aluvchan yutilishi bo'ladi. yorug'likni yo'qotishda.
Aslida, tabiiy holatda, asosiy holat elektronlari soni qo'zg'atilgan elektronlar sonidan ancha ko'p bo'ladi, xona haroratida, masalan, ikki energiyali tizim (ya'ni, faqat asosiy holat va birinchi qo'zg'atilgan holat. energiya tizimi) asosiy holatdagi elektronlar soni qo'zg'atilgan elektronlar sonining 170 martadan 10 ga yaqinini tashkil qiladi!
Shunday qilib, yorug'lik manbasini yaratishda qo'zg'atilgan nurlanish printsipidan foydalanish uchun birinchi muammo - yuqori energiya darajasidagi zarrachalar sonini quyi energiya darajasidagi zarrachalar sonidan ko'proq qilish, ya'ni zarrachalar soniga erishish. inversiya.
Zarrachalar sonining o'zgarishiga qanday erishish mumkin?
Asosiy g'oya - zarrachalarni asosiy holatdan yuqori energiya holatiga, xuddi nasos kabi.
Buni aytish osonroq.
Suvni pompalovchi zarralar.
Ikkinchi bosqich - bu avvalgisini qurish.
1951 yilda amerikalik fizik Tauns ammiak molekulasida zarrachalar sonining inversiyasiga qanday erishish mumkinligi haqida o'yladi.
Ammiak molekulasi ikki energiyali tizim bo'lib, normal sharoitda zarrachalar sonining inversiyasiga erishish mumkin emas, chunki qo'zg'atilgan yutilish va qo'zg'atilgan nurlanish ehtimoli bir xil, shuningdek, o'z-o'zidan paydo bo'ladigan nurlanishning mavjudligi. yuqori energiya darajasidagi zarralar soni asosiy holatdagi zarrachalar sonidan kam bo'lishi kerak.
Townsning yondashuvi mohir edi, chunki u asosiy holat va qo'zg'atilgan ammiak molekulalarini farqlash uchun magnit maydondan foydalangan, mikroto'lqinli rezonansli bo'shliqqa joylashtiriladigan qo'zg'atilgan ammiak molekulalarini ajratib ko'rsatgan va bunda zarrachalar sonining o'zgarishiga erishilgan.
Uch yil o'tgach, bu g'oyadan foydalanib, Towns birinchi "MASER" ni qurdi. MASER nima?
MASER "rag'batlantirilgan nurlanish orqali mikroto'lqinlarni kuchaytirish" deb ataladi, bu "mikroto'lqinlarni stimulyatsiya qilingan nurlanish orqali kuchaytirish" degan ma'noni anglatadi. Lazer LAZER nurlanishni stimulyatsiya qilingan nurlanish orqali kuchaytirish deb ataladi, bu "rag'batlantirilgan nurlanish orqali yorug'likni kuchaytirish" deb tarjima qilinadi.
Biz yuqorida yorug'lik elektromagnit to'lqin, mikroto'lqin esa boshqa elektromagnit to'lqin ekanligini aytib o'tdik.
Elektromagnit to'lqinlar chastotasiga ko'ra tasniflanishi mumkin, mikroto'lqinlar 300 MGts dan 300 gigagertsgacha va ko'rinadigan yorug'lik 3,9 dan 7,5 marta 10 dan 14 gacha bo'lgan Hz.
Nomidan biz MASER va LAZER o'rtasidagi farqni ko'rishimiz mumkin, asosan operatsion diapazonlardagi farqda, MASER LASERdan atigi bir qadam narida joylashgan.
Shaharlar va birinchi MASER.
Uchinchi qadam lazerning uchta asosiy komponentini bajarishdir.
MASER ning joriy etilishi zarrachalar sonini inversiyalash masalasini hal qildi. Atigi uch yil ichida bu texnologiya jadal sur'atlar bilan rivojlandi va shu nuqtada hamma tezroq va bu mikroto'lqinli kuchaytirgichni optik kuchaytirgichga aylantirib, o'sha orzudagi yorug'lik manbai bo'lmish lazerni yaratib, tezroq qadam tashlashni xohlaydi.
Hozirgacha biz lazerning uchta asosiy komponentini noaniq tarzda umumlashtira oldik:
Birinchisi, ammiak molekulalari kabi moddaning zarracha sonining inversiyasiga erishish zarurati, biz qozonish muhitini chaqiramiz; ikkinchisi - tegishli nasos usuli, biz uni nasos deb ataymiz; uchinchisi, yuqorida qayd etilgan rezonansli bo'shliqli shaharlar, rezonans bo'shlig'ining roli haqida keyinroq gaplashamiz.
1958 yilda Tauns va Shorro nazariy nuqtai nazardan lazerlarning maqsadga muvofiqligini birinchi marta bashorat qilgan nazariy hujjat ustida hamkorlik qildilar. Bu vaqtda shaharlar uchun hamma narsa tayyor edi, shamoldan tashqari!
1960 yil 16 mayda Meyman boshqacha yo'l tutdi va insoniyat tarixida birinchi bo'lib lazerni yaratdi.
Meymanning u erga birinchi bo'lib kelgani haqidagi hikoya juda ko'p burilishlar va burilishlar bilan qiziqarli hikoya. Ammo keling, bu erda uning yoqut lazeriga e'tibor qaratamiz.
Ruby lazerining sxematik diagrammasi.
Ushbu lazer lazerning uchta asosiy komponentini juda aniq ko'rsatadi, biz ularni o'z navbatida tanishtirishimiz mumkin.
O'rtacha daromad:
Meyman tanlagan daromad muhiti yaqut bo'lib, u xromli alyuminiy trioksiddir.
Uch energiyali tizimning sxemasi.
Ushbu qozonish vositasi uch energiyali tizimdir va zarrachalar sonining inversiyasiga erishish uchun ushbu uchta energiya tizimi avvalgi ikki darajali tizimga qaraganda ancha sodda. Ruby uch darajali tizimning ba'zi bir o'ziga xos xususiyatlari bor va biz uning nasos jarayoni orqali zarrachalar sonining inversiyasiga qanday erishganini tushunishimiz mumkin.
Birinchidan, asosiy holat zarralari to'g'ridan-to'g'ri E3 energiya darajasiga mos keladigan qo'zg'alish orqali ko'chiriladi va E3 va E2 energiya darajalari o'rtasida radiatsiyasiz sakrash jarayoni mavjud, ya'ni E3 zarralari to'qnashuv orqali tezda E2 ga yuguradi. , va kamaytirilgan energiya luminesans o'rniga termal harakat energiyasiga aylanadi.
Bundan tashqari, E2 holati substabildir, ya'ni E3 energiya darajasiga tushgan zarralar uzoq vaqt davomida E2 energiya darajasida qolishi mumkin. Bu zarrachalarni asosiy holatdan E2 ga o'tkazish uchun E3 energiya darajasidan foydalanishga tengdir va jarayon davom etaveradi, E2 zarralari soni asosiy holatdagi zarrachalar sonidan oshib, zarrachalar soniga erishadi. inversiya.
Aslida, yoqut lazerining samaradorligi juda past, atigi 0,1 foizni tashkil etadi, bu daromad muhiti bilan chegaralanadi, chunki uch energiyali tizim er osti holatidagi zarrachalarni nasosga chiqarish uchun juda yuqori energiya talab qiladi. yuqori energiya holati. Bundan tashqari, ushbu lazerning to'lqin uzunligi 694,3 nm ni tashkil qiladi, bu ham daromad muhiti bilan belgilanadi.
Lazerning rivojlanishi bilan, gaz, qattiq, suyuqlik, tolalar, yarimo'tkazgichlar va boshqalarni o'z ichiga olgan daromad muhitining turlari asta-sekin o'sib bordi, masalan, sinfda tez-tez ishlatiladigan lazer ko'rsatkichi yarimo'tkazgichli lazerdir.
Muxtasar qilib aytganda, qaysi qozonish vositasi bo'lishidan qat'i nazar, u zarrachalar soni inversiyasiga erisha oladigan usulga ega bo'lishi kerak.
Nasos:
Birinchi yoqut lazerining nasos chiroqi.
Meynman lazerining eng aniq xususiyati shundaki, uning nasos manbai spiral ksenon chiroqdir, spiral shakli yoqut barni lampalar orasiga joylashtirishni ta'minlaydi. Bundan tashqari, bu chiroq nasos uchun pulsli yorug'likdan foydalanadi, ya'ni u chiqaradigan yorug'lik uzluksiz emas, balki portlashda. Bu Meynmanning eng muhim dizayni bo'lib, doimiy yuqori energiyali nasos nuri kristallga zarar etkazmaydi.
Rezonans bo'shlig'i:
Rezonans bo'shlig'ining sxematik diagrammasi.
Meyman yoqut barning ikki chetiga ikkita ko‘zgu qo‘ydi va o‘ng tomoniga kichik bir teshik qazdi, shunda qo‘zg‘atilgan nurlanish nuri ko‘proq fotonlarni “o‘ziga jalb qilish” uchun kuchayish muhiti bo‘ylab oldinga va orqaga o‘tishi mumkin edi. ma'lum bir intensivlikda, lazer nuri kichik teshikdan chiqariladi.
Lazerdan qanday foydalanish kerak?
Mayman lazer ixtiro qilinganidan keyin matbuot anjumani o'tkazdi, unda muxbir bu savolni berdi, Mayman 5 ta taklif berdi: 1:
1. yorug'likni kuchaytirish uchun ishlatiladi, masalan, yuqori quvvatli lazerlarni ishlab chiqarishda ular zaifroq yorug'likni kuchaytirish uchun optik kuchaytirgichlardan foydalanadilar;
2. materiyani o‘rganish uchun lazerlardan foydalana oladi;
3. kosmik aloqa uchun yuqori quvvatli lazer nurlaridan foydalanish;
4. aloqa uchun kanallar sonini ko'paytirish uchun foydalaniladi (bu keyinchalik optik tolali aloqa sifatida paydo bo'lgan);
5. sanoatda materiallarni kesish yoki payvandlash yoki tibbiyotda jarrohlik amaliyotini o'tkazish uchun ultra yuqori yorug'lik intensivligini ishlab chiqarish uchun nurni yo'naltirish.
Mehmonning o'tkir ilmiy tuyg'usiga qoyil qolishimiz kerak va u aytgan bu takliflarning barchasi keyinchalik amalga oshdi.
Hayajonlangan nurlanish natijasida hosil bo'lgan fotonlarning xususiyatlarini eslaysizmi?
Ular bir xil chastota va fazaga ega va lazer asosan hayajonlangan nurlanishdan yorug'likning kuchayishidir, shuning uchun lazerning ikkita eng muhim xususiyati yaxshi monoxromatiklik va yuqori energiyadir. Ushbu ikkita xususiyat lazerlardan foydalanishni belgilaydi va bular lazer rivojlanishining ikki yo'nalishidir.
Yaxshi monoxromatiklik lazer spektrining juda tor ekanligini va yorug'likning xususiyatlarini to'lqin sifatida osongina ko'rsatishini anglatadi va biz undan faza ma'lumotlarini yozish uchun foydalanishimiz mumkin.
Masalan, 1947 yilda ingliz fizigi Dennis Gerber tomonidan ixtiro qilingan gologramma foto texnologiyasi asosan uch o'lchamli fotosurat effektini yaratish uchun ob'ekt haqida to'liq ma'lumotni yozib olish uchun yorug'lik fazasidan foydalanishdir.
Golografik fotosuratlar nafaqat frontal ma'lumotlarni, balki yon ma'lumotlarni ham yozib olishi mumkin.
Lazer ixtiro qilingandan keyingina ushbu texnologiya mavjud bo'ldi va 1971 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.
Yuqori energiya yaxshi tushuniladi, biz lazerlardan CD larni yozish, yadro sintezini yoqish, materiallarni kesish va hokazolar uchun foydalanishimiz mumkin. Biz nafaqat uzluksiz yuqori energiyali lazerlarni yaratishimiz, balki juda qisqa pulsli yuqori energiyali lazerlarni ham olishimiz mumkin. qulflangan plyonka texnikasi va chirpni kuchaytirish orqali davomiylik.
Filmni qulflash texnologiyasi bilan impuls hosil qilish diagrammasi.
Femtosekund lazerlari endi keng tarqalgan bo'lib, bitta pulsning davomiyligi faqat femtosekundlar tartibida (10 soniyadan minus 15 soniya).
Ushbu lazer yordamida biz ko'p zarar etkazmasdan, masalan, miyopi tuzatish operatsiyasi, moddaning sirtini o'zgartirish, uning antiseptik xususiyatlarini yaxshilash va h.k. kabi moddalarga aniq zarba berishimiz mumkin.
