Laser
(khuếch đại bức xạ kích thích)
Laser là một khám phá lớn khác của con người sau năng lượng hạt nhân , máy tính và chất bán dẫn từ thế kỷ 20. Nó được gọi là "con dao nhanh nhất", "thước đo chính xác nhất" và "ánh sáng rực rỡ nhất". Tên tiếng Anh Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích có nghĩa là "mở rộng bằng bức xạ kích thích". Tên đầy đủ của laser trong tiếng Anh đã thể hiện đầy đủ quy trình sản xuất laser chính. Nguyên lý của laser được phát hiện vào năm 1916 bởi nhà vật lý nổi tiếng người Mỹ Einstein.
Bức xạ kích thích nguyên tử , do đó có tên là "laser": các electron trong nguyên tử chuyển từ mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao sau khi hấp thụ năng lượng, và sau đó trở lại từ mức năng lượng cao đến mức năng lượng thấp, năng lượng được giải phóng được giải phóng dưới dạng photon. Một chùm photon (laser) bị thu hút (kích thích), trong đó tính chất quang của các photon có tính đồng nhất cao. Điều này làm cho laser tốt hơn so với nguồn sáng thông thường, laser có độ đơn sắc tốt, độ sáng cao và độ dẫn tốt.
Laser ứng dụng rất rộng, có một mác laser , hàn laser , cắt laser , sợi truyền thông quang , máy đo khoảng cách bằng laser , radar tia laser , vũ khí laser , CD , LASIK , vẻ đẹp tia laser , máy quét laser, muỗi laze , LIF NDT Công nghệ và như vậy. Hệ thống laser có thể được chia thành laser sóng liên tục và laser xung.
Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất về cơ bản là sự hấp thụ hoặc phát xạ của các photon bởi các hạt siêu nhỏ tạo nên chất , đồng thời thay đổi hiệu suất của các chuyển động của chúng.
Các hạt vi mô đều có một tập hợp các mức năng lượng cụ thể (thông thường các mức năng lượng này là rời rạc). Tại bất kỳ thời điểm nào, hạt chỉ có thể ở trạng thái tương ứng với một mức năng lượng nhất định (hoặc đơn giản được biểu thị là ở một mức năng lượng nhất định). Khi tương tác với các photon, các hạt chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác và hấp thụ hoặc bức xạ các photon tương ứng . Giá trị năng lượng của photon là chênh lệch năng lượng ΔE của hai mức năng lượng và tần số là ν = ΔE / h (h là hằng số Planck ).
1. Hấp thụ kích thích (viết tắt là hấp thụ)
Các hạt ở mức năng lượng thấp hơn bị kích thích bởi thế giới bên ngoài (nghĩa là chúng có tương tác trao đổi năng lượng với các hạt khác, chẳng hạn như không đàn hồi với photon).
Va chạm tình dục), khi năng lượng được hấp thụ, chuyển sang mức năng lượng cao hơn tương ứng với năng lượng này. Sự chuyển đổi này được gọi là sự hấp thụ kích thích.
2. Bức xạ tự phát
Trạng thái kích thích mà hạt bị kích thích đi vào không phải là trạng thái ổn định của hạt . Nếu có mức năng lượng thấp hơn có thể chấp nhận hạt, ngay cả khi không có tác động bên ngoài, hạt có xác suất nhất định, tự phát từ trạng thái kích thích mức năng lượng cao (E2) thành năng lượng thấp. Quá trình chuyển đổi trạng thái cơ bản (E1), trong khi phát ra một photon năng lượng (E2-E1) , tần số photon ν = (E2-E1) / h. Quá trình bức xạ này được gọi là phát xạ tự phát. Ánh sáng phát ra từ nhiều nguyên tử có phát xạ tự phát không có pha, trạng thái phân cực và tính đồng nhất theo hướng truyền. Nó được gọi là ánh sáng không liên tục.
3. Bức xạ kích thích , tia laser
Năm 1917, Einstein đã chỉ ra trên lý thuyết rằng ngoài bức xạ tự phát, các hạt ở mức năng lượng cao E2 có thể chuyển sang mức năng lượng thấp hơn theo một cách khác. Ông chỉ ra rằng khi một photon có tần số ν = (E2-E1) / h xảy ra, nó cũng sẽ khiến hạt chuyển nhanh từ mức năng lượng E2 sang mức năng lượng E1 với xác suất nhất định, trong khi phát ra tần số và pha với photon bên ngoài . Các photon có cùng trạng thái phân cực và hướng truyền được gọi là bức xạ kích thích .
Có thể hình dung rằng nếu một số lượng lớn các nguyên tử ở mức năng lượng cao E2, khi một photon có tần số ν = (E2-E1) / h xảy ra, các nguyên tử trên E2 bị kích thích để tạo ra bức xạ kích thích và thu được hai photon có đặc tính giống hệt nhau. kích thích hai photon và sau đó mức độ nguyên tử E2, và để sản phẩm phát xạ cưỡng bức, một photon có thể thu được bốn tính năng tương tự, có nghĩa là các tín hiệu quang ban đầu được khuếch đại. Ánh sáng này được tạo ra và khuếch đại trong bức xạ kích thích là tia laser.
Einstein 1917 đề xuất bức xạ kích thích, nhưng tia laser ra đời năm 1960, cách nhau 43 năm. Tại sao? Lý do chính là xác suất các hạt tạo ra bức xạ kích thích trong một nguồn sáng thông thường là cực kỳ nhỏ. Khi một lượng ánh sáng nhất định xảy ra trên chất hoạt động, cả bức xạ kích thích và quá trình hấp thụ kích thích tồn tại đồng thời, bức xạ kích thích làm tăng số lượng photon và sự hấp thụ kích thích làm giảm số lượng photon. Khi vật liệu ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự phân bố của các hạt ở mỗi mức năng lượng tuân theo trạng thái cân bằng của các hạt ở trạng thái cân bằng.
Quy luật phân phối. Theo định luật phân phối thống kê, số lượng hạt ở mức năng lượng thấp hơn E1 phải lớn hơn số lượng hạt ở mức năng lượng cao hơn E2. Khi ánh sáng đi qua chất làm việc, năng lượng của ánh sáng sẽ chỉ yếu đi và không tăng cường. Để bức xạ được kích thích chiếm ưu thế, số lượng hạt ở mức năng lượng cao E2 phải lớn hơn số lượng hạt ở mức năng lượng thấp E1. Phân bố này hoàn toàn ngược lại với phân bố hạt ở trạng thái cân bằng, và được gọi là phân bố đảo ngược số hạt, được gọi là đảo ngược số hạt. Làm thế nào để đạt được kỹ thuật đảo ngược số hạt là điều kiện cần thiết để tạo ra ánh sáng laser.
Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng bất kỳ chất làm việc nào, trong điều kiện kích thích thích hợp, đều có thể đạt được sự đảo ngược số hạt giữa mức năng lượng cao và thấp cụ thể của hệ thống hạt. Nếu các hạt vi mô như nguyên tử hoặc phân tử có mức năng lượng cao E2 và mức năng lượng thấp E1, thì mật độ dân số ở mức năng lượng E2 và E1 là N2 và N1, và có sự chuyển tiếp phát xạ tự phát , chuyển tiếp phát xạ kích thích và kích thích giữa hai mức năng lượng. Ba quá trình như chuyển tiếp hấp thụ . Ánh sáng phát xạ kích thích được tạo ra bởi quá trình phát xạ kích thích có cùng tần số , pha , hướng truyền và hướng phân cực như ánh sáng tới . Do đó, ánh sáng phát xạ kích thích được tạo ra bởi một số lượng lớn các hạt được kích thích bởi cùng một trường bức xạ kết hợp là kết hợp. Cả xác suất chuyển tiếp phát xạ kích thích và xác suất chuyển tiếp hấp thụ kích thích tỷ lệ thuận với mật độ năng lượng đơn sắc của trường bức xạ tới. Khi trọng số thống kê của hai mức năng lượng bằng nhau, xác suất của hai quá trình là bằng nhau. Trong trường hợp cân bằng nhiệt , N2 <N1, do đó quá trình hấp thụ tự phát chiếm ưu thế và ánh sáng thường bị suy giảm do hấp thụ kích thích khi đi qua một chất. Kích thích năng lượng bên ngoài có thể phá hủy sự cân bằng nhiệt và tạo ra N2> N1,
Trạng thái này được gọi là trạng thái đảo ngược dân số . Trong trường hợp này, quá trình phát xạ kích thích chiếm ưu thế. Sau khi ánh sáng đi qua một chất làm việc bằng laser (chất kích hoạt) có độ dài 1 ở trạng thái đảo ngược số hạt, cường độ ánh sáng được tăng lên theo thời gian eGl. G là một hệ số tỷ lệ với (N2-N1), được gọi là hệ số khuếch đại và cường độ của nó cũng liên quan đến bản chất của chất làm việc laser và tần số của sóng ánh sáng. Vật liệu kích hoạt là một bộ khuếch đại laser. Nếu một hoạt chất được đặt trong một khoang quang được hình thành bởi hai gương song song (ít nhất một trong số đó là một phần truyền) (Hình 1), các hạt ở mức năng lượng cao sẽ tự phát ra theo nhiều hướng khác nhau. Trong đó các sóng ánh sáng không trục tuyên truyền một cách nhanh chóng thoát khỏi cộng hưởng khoang bên ngoài: làn sóng quang tuyên truyền trục trong khoang tuyên truyền khứ hồi có thể, khi nó được tuyên truyền trong vật liệu laser, cường độ ngày càng tăng. Nếu khoang cộng hưởng G0l nhỏ hơn tăng tín hiệu hơn một chiều vượt qua mất mát [tam giác] (G0l tăng tín hiệu nhỏ), có thể sản xuất tự dao động . Trạng thái chuyển động của một nguyên tử có thể được chia thành các mức năng lượng khác nhau. Khi một nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp, các photon có năng lượng tương ứng (được gọi là phát xạ tự phát) được giải phóng.
Bức xạ kích thích nguyên tử , do đó có tên là "laser": các electron trong nguyên tử chuyển từ mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao sau khi hấp thụ năng lượng, và sau đó trở lại từ mức năng lượng cao đến mức năng lượng thấp, năng lượng được giải phóng được giải phóng dưới dạng photon. Một chùm photon (laser) bị thu hút (kích thích), trong đó tính chất quang của các photon có tính đồng nhất cao. Điều này làm cho laser tốt hơn so với nguồn sáng thông thường, laser có độ đơn sắc tốt, độ sáng cao và độ dẫn tốt.
Laser ứng dụng rất rộng, có một mác laser , hàn laser , cắt laser , sợi truyền thông quang , máy đo khoảng cách bằng laser , radar tia laser , vũ khí laser , CD , LASIK , vẻ đẹp tia laser , máy quét laser, muỗi laze , LIF NDT Công nghệ và như vậy. Hệ thống laser có thể được chia thành laser sóng liên tục và laser xung.
Nguyên lý laser
Các hạt vi mô đều có một tập hợp các mức năng lượng cụ thể (thông thường các mức năng lượng này là rời rạc). Tại bất kỳ thời điểm nào, hạt chỉ có thể ở trạng thái tương ứng với một mức năng lượng nhất định (hoặc đơn giản được biểu thị là ở một mức năng lượng nhất định). Khi tương tác với các photon, các hạt chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác và hấp thụ hoặc bức xạ các photon tương ứng . Giá trị năng lượng của photon là chênh lệch năng lượng ΔE của hai mức năng lượng và tần số là ν = ΔE / h (h là hằng số Planck ).
1. Hấp thụ kích thích (viết tắt là hấp thụ)
Các hạt ở mức năng lượng thấp hơn bị kích thích bởi thế giới bên ngoài (nghĩa là chúng có tương tác trao đổi năng lượng với các hạt khác, chẳng hạn như không đàn hồi với photon).
Va chạm tình dục), khi năng lượng được hấp thụ, chuyển sang mức năng lượng cao hơn tương ứng với năng lượng này. Sự chuyển đổi này được gọi là sự hấp thụ kích thích.
2. Bức xạ tự phát
Trạng thái kích thích mà hạt bị kích thích đi vào không phải là trạng thái ổn định của hạt . Nếu có mức năng lượng thấp hơn có thể chấp nhận hạt, ngay cả khi không có tác động bên ngoài, hạt có xác suất nhất định, tự phát từ trạng thái kích thích mức năng lượng cao (E2) thành năng lượng thấp. Quá trình chuyển đổi trạng thái cơ bản (E1), trong khi phát ra một photon năng lượng (E2-E1) , tần số photon ν = (E2-E1) / h. Quá trình bức xạ này được gọi là phát xạ tự phát. Ánh sáng phát ra từ nhiều nguyên tử có phát xạ tự phát không có pha, trạng thái phân cực và tính đồng nhất theo hướng truyền. Nó được gọi là ánh sáng không liên tục.
3. Bức xạ kích thích , tia laser
Năm 1917, Einstein đã chỉ ra trên lý thuyết rằng ngoài bức xạ tự phát, các hạt ở mức năng lượng cao E2 có thể chuyển sang mức năng lượng thấp hơn theo một cách khác. Ông chỉ ra rằng khi một photon có tần số ν = (E2-E1) / h xảy ra, nó cũng sẽ khiến hạt chuyển nhanh từ mức năng lượng E2 sang mức năng lượng E1 với xác suất nhất định, trong khi phát ra tần số và pha với photon bên ngoài . Các photon có cùng trạng thái phân cực và hướng truyền được gọi là bức xạ kích thích .
Có thể hình dung rằng nếu một số lượng lớn các nguyên tử ở mức năng lượng cao E2, khi một photon có tần số ν = (E2-E1) / h xảy ra, các nguyên tử trên E2 bị kích thích để tạo ra bức xạ kích thích và thu được hai photon có đặc tính giống hệt nhau. kích thích hai photon và sau đó mức độ nguyên tử E2, và để sản phẩm phát xạ cưỡng bức, một photon có thể thu được bốn tính năng tương tự, có nghĩa là các tín hiệu quang ban đầu được khuếch đại. Ánh sáng này được tạo ra và khuếch đại trong bức xạ kích thích là tia laser.
Einstein 1917 đề xuất bức xạ kích thích, nhưng tia laser ra đời năm 1960, cách nhau 43 năm. Tại sao? Lý do chính là xác suất các hạt tạo ra bức xạ kích thích trong một nguồn sáng thông thường là cực kỳ nhỏ. Khi một lượng ánh sáng nhất định xảy ra trên chất hoạt động, cả bức xạ kích thích và quá trình hấp thụ kích thích tồn tại đồng thời, bức xạ kích thích làm tăng số lượng photon và sự hấp thụ kích thích làm giảm số lượng photon. Khi vật liệu ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự phân bố của các hạt ở mỗi mức năng lượng tuân theo trạng thái cân bằng của các hạt ở trạng thái cân bằng.
Quy luật phân phối. Theo định luật phân phối thống kê, số lượng hạt ở mức năng lượng thấp hơn E1 phải lớn hơn số lượng hạt ở mức năng lượng cao hơn E2. Khi ánh sáng đi qua chất làm việc, năng lượng của ánh sáng sẽ chỉ yếu đi và không tăng cường. Để bức xạ được kích thích chiếm ưu thế, số lượng hạt ở mức năng lượng cao E2 phải lớn hơn số lượng hạt ở mức năng lượng thấp E1. Phân bố này hoàn toàn ngược lại với phân bố hạt ở trạng thái cân bằng, và được gọi là phân bố đảo ngược số hạt, được gọi là đảo ngược số hạt. Làm thế nào để đạt được kỹ thuật đảo ngược số hạt là điều kiện cần thiết để tạo ra ánh sáng laser.
Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng bất kỳ chất làm việc nào, trong điều kiện kích thích thích hợp, đều có thể đạt được sự đảo ngược số hạt giữa mức năng lượng cao và thấp cụ thể của hệ thống hạt. Nếu các hạt vi mô như nguyên tử hoặc phân tử có mức năng lượng cao E2 và mức năng lượng thấp E1, thì mật độ dân số ở mức năng lượng E2 và E1 là N2 và N1, và có sự chuyển tiếp phát xạ tự phát , chuyển tiếp phát xạ kích thích và kích thích giữa hai mức năng lượng. Ba quá trình như chuyển tiếp hấp thụ . Ánh sáng phát xạ kích thích được tạo ra bởi quá trình phát xạ kích thích có cùng tần số , pha , hướng truyền và hướng phân cực như ánh sáng tới . Do đó, ánh sáng phát xạ kích thích được tạo ra bởi một số lượng lớn các hạt được kích thích bởi cùng một trường bức xạ kết hợp là kết hợp. Cả xác suất chuyển tiếp phát xạ kích thích và xác suất chuyển tiếp hấp thụ kích thích tỷ lệ thuận với mật độ năng lượng đơn sắc của trường bức xạ tới. Khi trọng số thống kê của hai mức năng lượng bằng nhau, xác suất của hai quá trình là bằng nhau. Trong trường hợp cân bằng nhiệt , N2 <N1, do đó quá trình hấp thụ tự phát chiếm ưu thế và ánh sáng thường bị suy giảm do hấp thụ kích thích khi đi qua một chất. Kích thích năng lượng bên ngoài có thể phá hủy sự cân bằng nhiệt và tạo ra N2> N1,
Trạng thái này được gọi là trạng thái đảo ngược dân số . Trong trường hợp này, quá trình phát xạ kích thích chiếm ưu thế. Sau khi ánh sáng đi qua một chất làm việc bằng laser (chất kích hoạt) có độ dài 1 ở trạng thái đảo ngược số hạt, cường độ ánh sáng được tăng lên theo thời gian eGl. G là một hệ số tỷ lệ với (N2-N1), được gọi là hệ số khuếch đại và cường độ của nó cũng liên quan đến bản chất của chất làm việc laser và tần số của sóng ánh sáng. Vật liệu kích hoạt là một bộ khuếch đại laser. Nếu một hoạt chất được đặt trong một khoang quang được hình thành bởi hai gương song song (ít nhất một trong số đó là một phần truyền) (Hình 1), các hạt ở mức năng lượng cao sẽ tự phát ra theo nhiều hướng khác nhau. Trong đó các sóng ánh sáng không trục tuyên truyền một cách nhanh chóng thoát khỏi cộng hưởng khoang bên ngoài: làn sóng quang tuyên truyền trục trong khoang tuyên truyền khứ hồi có thể, khi nó được tuyên truyền trong vật liệu laser, cường độ ngày càng tăng. Nếu khoang cộng hưởng G0l nhỏ hơn tăng tín hiệu hơn một chiều vượt qua mất mát [tam giác] (G0l tăng tín hiệu nhỏ), có thể sản xuất tự dao động . Trạng thái chuyển động của một nguyên tử có thể được chia thành các mức năng lượng khác nhau. Khi một nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp, các photon có năng lượng tương ứng (được gọi là phát xạ tự phát) được giải phóng.
0 Nhận xét