Coherent Işık Şafakı: Einstein'ın Ruby'ye olan Bakıştan

16 Mayıs 1960 tarihinde fizikçi Theodore Maiman tarafından Hughes Research Laboratories'de gösterildi, 20. yüzyılın en dönüştürücü mühendislik başarılarından biri olarak duruyor. Bu cihaz - yoğun bir ışık üretmenin mümkün olmadığı - sadece tıp, iletişim, üretim ve temel araştırma için vazgeçilmez hale geldi. hikaye, Albert Einstein'ın 1917'de teorik bir anlayışla başlar ve bir DNA rublu kristalinde parmak izi yok.

Teorik Vakıflar: Emisyon ve Nüfus İnversiyonları

Tüm lazerlerin temel prensibi şöyledir:0) Emisyon[Dönemli emisyonlar[Dönemli), bir konsept Einstein, 1917 yılında radyasyon teorisinde tanıtıldı. Heyecan verici bir atom veya molekülün, aynı enerjiden başka bir foton yayıldığı zaman belirli bir enerji olasılığını ortaya çıkarabilir.

On yıllardır, fikir büyük ölçüde teorik olarak kalmıştır. Pratik zorluklar dayanılmazydı: Charles Townes'in 1950'lerde ortaya çıkardığı bir ortam bulmak, Columbia Üniversitesi'nde Gordon ve Herbert Zeiger ile çalışmak, daha düşük bir durumda daha fazla atomlar, Stimated Emission of Radyasyon) amonyak gaz kullanarak heyecan verici bir boşluk inşa etti.

Maser Precedent ve Işık Yolu Işık

Townes'in amonyak maskotu 24 GHz'de işletildi ve iktidardan 10 nanowatt üretti - Sovyetler Birliği'nde bağımsız olarak üç seviyeli bir enerji planı kullanarak benzer bir yöntem önermişti, daha sonra lazer tasarımı için heyecan verici molekülleri teşvik etti.

Optik Maser için Yarış

Birkaç araştırma grubu, osilasyon için gerekli olan “optik maskot” olarak adlandırdığı şeyi takip etti: elde edilen ortamdaki bir nüfus tanıma, belirli dalgalarda geri bildirimde bulunan ve Gordon Gould'un sürekliliği için yeterli pompa gücü kullanan bir tasarım yayınladı.

Teorik ilerlemeye rağmen, ilk çalışan cihaz elusive kaldı. Birçok araştırmacı, optik pompalamanın - sağlam bir kristalin heyecanını heyecanlandırmak için bir flaş lambası kullanarak - kayıpların üstesinden gelmek için yeterince nüfus inversiyonunu asla üretemedi.Mevcut optik özellikler ve güçlü absorpsiyon grupları, bu da bir flaş lambasıyla pompalanabilirdi.

İlk Başarılı Lazer: Theodore Maiman'ın Ruby Lazeri

16 Mayıs 1960 tarihinde, Maiman, kromat iyonlarının yüksek enerji seviyelerinde yüksek enerjili bir lambayı bir çubukta fırlattı - bir ışık oksit, bu metalarcalık durumu ve zemini arasında oluşturulan bir nüfusla birlikte, bir kaç tane iyonun yüksek enerji seviyesine heyecanlandığında, bir miktar sıvıyaklı bir şekilde, bir şişenin ömrüne kadar küçük bir ışıkla bir miktar salaktığa yol açtı.

[0]Maiman'ın ilk lazeri, bir milisaniyeden daha az kalıcı olan 10 bin watt'ın tepeden bir gücü üretti.[4] Sürekli değil – ama konseptin açıklanmamış olduğunu kanıtladı:2.

Ruby Lazerinin Anahtar Teknik Detayları

  • [FONT:0)Gain ortası: [Dönetici: [Dönetici: nm) S.N. (Al2O3: Cr3+) Kromium iyonları, üç seviyeli lazer operasyonu için enerji seviyelerini sağlar, yaklaşık 400 nm ve 550 nm üzerinde merkezi ile xenon flaş lambalarının emisyon spektrumunu örtüşür.
  • [FONT:0]Pumping yöntemi: [Dönetici: 1) Yüksek çözünürlükte xenon flaş lambası geniş spektrumlu ışık. lamba optik darbeyi en üst düzeye çıkarmak için ruby çubuğu etrafında sarsıldı.
  • [FONT:0]Resonator: [Dönetici:[Dönetici] Paralel aynalar gümüşle kaplıydı – yaklaşık% 95 yansıma ile bir tane. Ayna, ayakta dalga modlarını desteklemek için çubuk uzunluğuna eşleştirildi.
  • [FONT=0)Output özellikleri:[Dönetici:0) [Döneticileri:[Döneticileri: [Döneticileri: [Döneticileri: [Döneticileri: [Düzücükler: [Döneticileri: [Döneticileri) ancak henüz yok olan, darbenin çıktı enerjisi milijoule aralığındaydı.
  • [FONT:0)Cooling:[Dönetici:[Dönemli)) Kumaş hava soğutmalı, ikinci bir pulu termal hasardan kaçınmak için sınırlandırılmıştır.

Maiman'ın başarısı, ay içinde, diğer gruplar farklı malzemeler kullanarak lazerler gösterdi: Ali Javan, William Bennett ve Donald Herriott, Aralık 1960'ta ilk helium-n gazon lazerini inşa etti, 1.15 mikrometers'ta sürekli olarak ışık aldı; ve 1962'de ilk yarı iletken lazer GE, IBM ve MIT'de gruplar tarafından bağımsız olarak rapor edildi.

Lazer Ailesini Genişletmek: Ruby'den Her Dalga Uzunluğa

İlk lazer sadece başlangıçtı. Araştırmacılar, farklı dalgalar, güç seviyelerinde çalışan lazerler ve operasyonel modlar geliştirdiler. Lazer teknolojisinin erken çeşitlendirilmesinde bazı önemli kilometreler şunlardır:

  • [FONT=0)Helium-Neon (HeNe) Lazer (1960): Sürekli dalga (CW) çıktısı, daha sonra 632.8 nm'de görünür kırmızıda görünür. HeNe lazer, stabil, düşük maliyetli çıktı nedeniyle standart oldu.
  • [Diode) Lazer (1962): Optik Compact, verimli ve elektriksel olarak pompalanan ilk cihazlar sadece krigen sıcaklıklarında pullanmış modda çalışır, ancak hızlı ilerleme 1970'te oda-yeşil ısıtılır. Diode lazerler artık fiber optik iletişim, lazer baskı, optik depolama ve tüketici elektronik elektronik.
  • [FO2 Laser (1964): [Dönetici: 0,6 mikrometrede 10.6 mikrometrede yüksek enerjili bir gaz lazeri, kilovatlara ulaşan enerji seviyelerinin% 20'sini aşarak, CO2 lazeri, endüstriyel kesim, kaynak, engraving ve cerrahi prosedürler için işhor haline geldi.
  • [FONT:0)Nd:YAG Laser (1964): Neodymium-doped ytrium alüminyum garnet, 1064 nm'de e-devlet lazeri mükemmel bir kiriş kalitesi ile yüksek zirve gücü birleştirir, endüstriyel işleme, tıbbi tedaviler ve bilimsel araştırmalarda çok yönlü yapar. Frekans, 532 nm pompalanması için yeşil ışık üretir.
  • [FONT:0]Dye Laser (1966):[Dye Laser], organik boyaları elde edilen ortalık olarak kullanarak, bu lazerler görünür spektrumda geniş bir tonability sunar. Spektroskop ve atomik fizikte araştırmacıların herhangi bir dalga boyun eğlendirici band içinde seçmelerine izin verir.
  • [FONT:0)Excimer Lazerleri (1970'ler): ), CASIK ve diğer refraktif ameliyatlar gibi nadir gaz halleri kullanan Ultraviolet puld lazerler.
  • [FONT:0]Fiber Lasers (1980s-1990s): [Döneticileri kullanarak nadir optik fiberler elde edilen orta, fiber lazerler olağanüstü verimlilik, kiriş kalitesi ve termal yönetim sunar.

Bugün, lazerler, telekomünikasyon için mikrowattlardan gelen (zenginsiz nm) uzak kızılötesi (quantum kalibreli lazerler) ile sadece 10 mikrometrenin ötesindeki lazerler tarafından eşleştirilir.

Lazerin Bilimsel Uygulamaları

Onun algısından, lazer devrimci bir bilimsel araç olarak kabul edildi. eşsiz özellikleri -monochromatik, tutarlılık, yönality ve yüksek parlaklık - daha önce hayal gücü ile sınırlı olan deneyler ve teknolojiler.

Tıp ve Cerrahi

Lazerler kesme için eşsiz bir hassasiyet sağlar, ablating ve LASIK prosedürlerinde reraktif hataların yanı sıra, fotokoagülasyon ile birlikte farmakolojide kullanılmaktadır.Inexcimer lazer[Dönetici lazerler) lazerler, korelasyonlar için lazerler ve dövmeler için rekoratif olarak absorbe edilir.

Telekomünikasyon ve Veri Ağları

Optik fiber iletişim - küresel internetin arka kemiği - neredeyse tamamen yarı iletken lazerlerde bağımsız olarak.Bu lazerler, genellikle 1310 nm veya 1550 nm'de silik fiberlerin tek bir fiber ile ikinci bir şekilde aktarıldığı, fiber yükselteçleri (EDFA) elektrik-division multiplexing (DWDM) ile birkaç tane lazer kanalını, yaklaşık olarak on dört tane yüksek seviyeli bir fiber kanalda taşımaya izin vermeden önce iki katına çıkar.

Spectroskop ve Atom Fiziği

Lazer spektroskopi atomların ve moleküllerin incelenmesini devrimleştirdi.ETHFLT:0)Tunable diyot lazerler[Döneticileri) araştırmacıların 1 kHz altında lineerlerle belirli enerji geçişlerine izin verdi, geleneksel ışık kaynakları ile görünmez olan yapıların çözümü.(Nobeltroskopi, 1997) - Bu, ikinci lazerli ısıtımının ölçümlerini sağlayan, atomik oksijenli ve tuzakların ardından tekrarladı.

Malzeme İşleme ve İmalat

Endüstriyel lazerler -özellikle CO2, Nd:YAG, disk ve fiber lazerler - en az ısıtılmış bölgelerin, metallerin, seramiklerin, kompozitlerin ve yarı iletkenlerin, ince filmdeki boyanıcılarının, seçici lazer sinerjitlerin (SLS) ve optik tabakaların mekanikleştirilmesi gibi eklenmiş lazerler için çok katmanlı fiber lazerler kullanılarak, betonlar ve betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar, betonlar,

Ölçme ve Metroloji

Lazerlerle Interferometri, optik bileşenlere sahiptir. Frekanslı lazerler - sıcaklıklı bir lazerler, atom ve optik alanların olağanüstü hassas uçları ile bağlantı kurmasını sağlar. Comb tabanlı spektroskoplar, araştırmacıların moleküler spektral dalga yayılımını ölçmek için izin verir. Frekans söndürücü (Işık algılama ve Ranging) haritaları ve optik yüzeysel yüzeysel yüzeysel yüzeysel hızları ölçerek ölçen bir ağ geçidi.

Temel Araştırma ve Sınır Bilimi

  • [FONT=0]Laser-indüklenmiş füzyon: [Dönetici: 0 [Dönetici: 0) Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvar, 1'de füzyon reaksiyonlarından elde edilen 19 yıllık bir kilometrelik bir ultraviyole ışıktan tırmalara kadar uzanan 192 lazer kirişi kullanır.
  • [FONT:0) GBfast Science:[DÜDÜT:1] Femtosan ve ikinci lazerler kimyasal reaksiyonları, elektron dinamikleri ve lattice vibrasyonları gerçek zamanlı olarak ortaya koyarlar. Pump-probe spectroskopu, fotosentezlerin temel adımlarını, vizyonu ve moleküler bağ formasyonlarını yerli zaman ölçeklerinde ortaya koyar.
  • [FONT:0) Uzay araştırmaları:[Dönetici:[Dönetici: 0 ) Ay'da uzay astronotları tarafından Dünya-Moon mesafesini hassas bir şekilde ölçmek için Ay'a yerleştirilen retroreflektörleri kullanmaktadır. Mars yörüngeleri harita üstografiye kadar lazer kanal ve Dünya arasındaki yüksek bant genişliği bağlantıları için dağıtılır.
  • [FONT:0)Environmental izleme: [DDYT:1] Diferansiyel absorpsiyon LIDAR (DIAL) atmosferik gaz konsantrasyonlarını ölçmektedir -ozon, metan, karbon dioksit - aralıksız ve hava ile LIDAR sistemleri, kirliliğini izler ve sera gazı emisyonlarını azaltır.

Bilim ve Toplum Üzerine Etkisi

Lazer neredeyse her bilim ve teknoloji alanını yeniden şekillendirdi. Lazer spekülatif gücünü yansıtacak şekilde birden çok Nobel Ödülü kazandı: Townes, Basov ve Prokhorov (1964) lazer için yol açan masko Prensipleri için; Dennis Gabor ve Arthur Schawlow (1981) lazer spektroskopi ve Gérard'ın lazer fotospektifleri için lazerli foto-sapucuları ve lazerleri için özel olarak lazerli hassaslar için.

Bu buluş aynı zamanda tüm endüstrileri de teşvik etti. Küresel lazer pazarı yılda 20 milyar dolardan fazla değere sahip, uygulama akışı savunma (hedet tasarım, aralık bulma, yönlendirilen enerji), tıbbi cihazlar, malzemeler işleme, telekomünikasyon ve eğlence. Lazer teknolojisi, hızlı bir şekilde gelişmeye devam ediyor, atomik ölçeklerde önemli olan yüksek enerji ve lazerler için yüksek enerjili bir pompalar yaratıyor.

İleriye bakın: Sonraki Frontier

Maiman'ın ilk pulsuna dayanan altı yıl, lazerler optik parametrik chirped-pulse amplitüdün (OPCPA) daha önce mekanik atomik yapıların hızlandırılmasına izin veren yüksek çözünürlükte ışıkların yüksek çözünürlükte olduğu kadar yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan optik atomik hızlar ve optik atomik hızlar için yüksek çözünürlüktedir.

Lazerlerin tarihi ve uygulamaları hakkında daha fazla okuma için bakınız:

  • [0]Maiman'ın orijinal kağıdı:0)Doğa[D:2]).
  • [0]AIP Fizik Bugün İlk lazer üzerinde makale).
  • [FONT:0) Tıpta Laser uygulamaları (PMC)).
  • [0]Dönetici bilim ve teknoloji (Optica)).