Vynález amerického fyzika Theodora Harolda Maimana v roku 1960 umožnil uskutočniť sen spisovateľov sci-fi - použiť lúč svetla ako ultra ostrý nôž a ako výkonný zváračka. Maiman zistil, že intenzitu svetla možno zvýšiť stimuláciou emisie fotónov „pumpovaním“ aktívneho materiálu energiou. Zariadenie, ktoré vytvoril, nazývané laser - skratka z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (“zosilnenie svetla stimulovanou emisiou”), umožnilo revolúciu nielen v mnohých priemyselných výrobných technikách, ale aj v medicínskych intervenčných metódach.
Takéto presné informácie môžu byť veľmi zaujímavé, napríklad v biológii na pochopenie fungovania biomolekúl. "Jódmetán je relatívne jednoduchá molekula na pochopenie procesov, ktoré sa vyskytujú, keď sú organické zlúčeniny poškodené žiarením," hovorí Artem Rudenko. "Ak existuje viac ako jedna metylová skupina, môže sa vysať viac elektrónov."
Objaviteľskému tímu sa podarilo aj teoreticky opísať túto extrémne rýchlu dynamiku. Bolo to možné vďaka novému softvéru vyvinutému pre túto príležitosť. „Nie je to len prvýkrát, čo môžeme úspešne spustiť experiment, ale je to tiež prvýkrát, čo môžeme poskytnúť numerický popis procesu,“ hovorí Sphel Sang-Kil Son, spoluautor štúdie a vedúci tímu, ktorý vyvinul analytický softvér. "Zhromaždené údaje sú veľmi dôležité pre výskum voľného elektrónového lúča, pretože podrobne ukazujú, čo sa deje počas poškodenia radiáciou."
Rôzne lasery
Maiman sa vo svojej práci opieral o Einsteinove údaje zo začiatku 20. storočia. o svetelných časticiach-fotónoch. Po druhej svetovej vojne sa v súvislosti s rozvojom radarovej techniky a rádioastronómie záujem výskumníkov sústredil na mikrovlny. Americký fyzik Charles Towns sa rozhodol zvýšiť intenzitu mikrovlnného lúča. Po excitácii molekúl amoniaku na vysokú energetickú úroveň zahrievaním alebo elektrickou stimuláciou vedec cez ne prešiel slabým mikrovlnným lúčom. Výsledkom bol výkonný zosilňovač mikrovlnného žiarenia, ktorý Townes v roku 1953 nazval „maser“. V roku 1958 Townes a Arthur Shavlov urobili ďalší krok: namiesto mikrovĺn sa pokúsili zosilniť viditeľné svetlo. Na základe týchto experimentov vytvoril Maiman v roku 1960 prvý laser. V roku 1972 bolo vynájdené flexibilné svetlovodivé vlákno, ktoré umožnilo použiť laser v chirurgii. Teraz je možné vykonať veľa operácií bez krviprelievania.
V rubínovom kryštáli oxidu hlinitého si niektoré atómy hliníka vymieňajú atómy chrómu. Atómy chrómu absorbujú zelené a modré svetlo a oddeľujú alebo odrážajú iba červené svetlo. Pre rubínový laser má kryštál tvar valca. Plne reflexné zrkadlo je umiestnené na jednom konci kryštálu a polovičné reflexné na druhom. Lampa s vysokou intenzitou má tvar špirály okolo rubínového valca, aby spôsobila, že kryštál sa rozsvieti bielym svetlom, čím sa spustí laserová odozva. Zelené a modré vlnové dĺžky tohto svetla zhášajú elektróny na atómy chrómu na vyššej energetickej úrovni.
1966: Peter Sorokin a Fritz Schäfer súčasne a nezávisle vynašli farbiaci laser.
1970: Na mníchovskom opernom festivale sa predstavila prvá laserová show na svete.
1970: Prvý prenos dát cez optický kábel.
1972-1975: Prvé laserom zaznamenané CD sú komerčne dostupné.
Po návrate do normálneho stavu elektróny vyžarujú charakteristické rubínovo červené svetlo. Zrkadlá odrážajú časť lúčov späť do rubínového kryštálu, čo spôsobuje, že ostatné atómy chrómu vyžarujú červené svetlo, kým svetelný lúč nedosiahne dostatočný výkon a nevyžaruje energiu vo forme fotónov uložených v kryštáli. Moderné lasery vytvárajú miliónkrát výkonnejšie lúče.
Laser sa líši od bežných svetelných zdrojov, ako sú volfrámové žiarovky, v dvoch veľmi dôležitých vlastnostiach vyžarovaného svetla. Prvým je konzistencia jeho svetla. Vlny vo vyžarovanom svetle sú vo vzájomnej fáze, paralelne a navzájom sa posilňujú, takže môžu cestovať na obrovské vzdialenosti bez rozptýlenia. Naopak, bežné svetlo pozostáva z lúčov rôznych vlnových dĺžok, ktoré sa ľahko rozptyľujú. Súdržnosť vám umožňuje sústrediť sa laserový lúč s veľkou presnosťou.
Kto vynašiel laser?
čo je laser?
Všetci sme si už tak zvykli na slovo LASER, že už nepredpokladáme, že je to len skratka. V skutočnosti je slovo „laser“ („laser“) tvorené začiatočnými písmenami v anglickom slovnom spojení Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, čo v preklade do ruštiny znamená „zosilnenie svetla pomocou stimulovanej emisie žiarenia“. ."
Kto vynašiel laser?
Ďalšou vlastnosťou laserov je ich sila. Hoci celková energia vyžarovaná Slnkom je oveľa väčšia ako energia vyžarovaná laserom v úzkej oblasti spektra, v ktorej laser vyžaruje, jeho energia prevyšuje energiu Slnka a všetkých ostatných známych svetelných zdrojov.
veľa plynov a zmesi plynov v prípade elektrického výboja začnú generovať laserové žiarenie. Vyznačujú sa veľmi vysokým stupňom koherencie a nízkej divergencie lúčov. Napríklad, héliový neónový laser vyžaruje viditeľné červené svetlo a používa sa v mnohých výskumoch a vzdelávacie programy. Dusíkový héliový laser generuje infračervené svetlo, má vysokú účinnosť a vysoký výstupný výkon.
Historicky sa verí, že laser vynašli ruskí vedci Basov a Prochorov v roku 1958, za čo dostali v roku 1964 Nobelovu cenu spolu s americkými mestami, ktorých prácu Prochorov pri vývoji použil. Ako prví to však vyrobili Američania rubínový laser a zaviedol sériovú výrobu, bolo to Hughes Aircraft. A ešte skôr, v roku 1916, Albert Einstein predpovedal samotnú možnosť indukcie vonkajškom elektromagnetického poľažiarenie atómov, na základe ktorého budú v budúcnosti fungovať všetky lasery.
Ak dôjde k úniku polovodičovej štruktúry tranzistorového typu, môže dôjsť aj k laserovému efektu. Výťažky a výstupný výkon týchto polovodičových laserov sú malé, ale majú vysokú účinnosť. Takéto lasery sa používajú hlavne v spojovacích systémoch.
Existujú aj chemické lasery, ktoré vznikajú ako výsledok energeticky náročných chemických reakcií, ako aj na báze farbív, ktoré po ožiarení ultrafialovým žiarením generujú laserové žiarenie. Nádoba je naplnená zriedeným plynom. Za normálnych podmienok je väčšina atómov v základnom stave.
laser dnes
Vynález lasera je jedným z najvýznamnejších objavov 20. storočia. A určite to malo hlboký vplyv na svet. Teraz neexistuje jediná oblasť, v ktorej by sa laser nepoužíval. V súčasnosti sa oblasti použitia laserov každým dňom rozširujú. Od prvého priemyselného použitia laserov na vŕtanie otvorov do rubínov hodiniek sa tieto zariadenia úspešne používajú v najväčšom rozsahu rôznych odboroch, pri používaní odlišné typy lasery.
Ak je plyn ožiarený bielym svetlom, niektoré atómy absorbujú fotóny energiou a jeden z najvzdialenejších elektrónov týchto atómov prejde do excitovaného stavu. Elektrón spravidla zostáva v excitovanom stave iba 10-8 sekúnd a spontánne sa vracia späť na nižšiu úroveň, kde atóm dopadá na fotón.
Einstein predpovedá existenciu iného typu žiarenia, nazývaného stimulovaná emisia, keďže takáto stimulovaná absorpcia je indukovaná fotónom interagujúcim s emitujúcim atómom. Namiesto toho, aby bol fotón absorbovaný atómom, spôsobí, že sa elektrón vráti do základného stavu a vyžaruje nový fotón. Po stimulovanej emisii sa teda fotóny stanú dvoma: fotón emitujúci fotón a fotón emitovaný atómom. Oba fotóny majú rovnakú energiu, šíria sa rovnakým smerom a za určitých podmienok môžu spôsobiť stimulovanú emisiu iných atómov.
Je obvyklé rozdeliť všetky laserové systémy do troch hlavných skupín: pevnolátkové lasery, plynové a polovodičové lasery. Pred časom sa objavili také systémy ako laditeľné farbivové lasery a lasery s aktivovaným sklom v tuhom stave.
Osobitné miesto medzi týmito systémami zaujíma CO2 laser, ktorý patrí do skupiny plynových laserov. Tieto typy laserov sú schopné dodávať výkon od niekoľkých wattov do desiatok kilowattov. Pretože tieto lasery vyžadujú široko používané plyny, ako sú He, Ar a CO2, sú široko používané v priemysle. A hoci účinnosť týchto laserov nie je vysoká, 5-10% z toho je dosť na to, aby boli také druhy spracovania, ako je rezanie laserom, zváranie a tepelné spracovanie, konkurencieschopné.
Po celom reťazci podobných procesov sa počet fotónov rozrastá ako lavína. Fotóny spôsobujú dva typy atómových prechodov: v stave vyššej energie alebo v stave nižšej energie. Pravdepodobnosť týchto dvoch procesov je rovnaká. Keď svetlo vstúpi do systému atómov, zvyčajne sa pozoruje iba stimulovaná absorpcia fotónov, pretože v prípade tepelnej rovnováhy je počet atómov v základnom stave oveľa väčší ako počet excitovaných atómov. Preto je počet stimulovaných emisných procesov zanedbateľne malý. Ak však nastane opačný prípad, nazývaný inverzná populácia: v excitovanom stave je viac atómov ako v základnom stave, potom sú stimulované emisné procesy väčšie ako stimulované absorpčné procesy.
Technológia rezania laserom
Najpokročilejším z dnes prezentovaných procesov je rezanie laserom. V porovnaní s inými metódami rezania: kyslíkom, plazmou atď. rezanie laserom má významné výhody, akými sú: vysoká rýchlosť a presnosť rezu.
Samotný proces však nie je taký jednoduchý, ako by sa mohlo zdať. Lúč sa privádza striktne vertikálne vzhľadom na ošetrovaný povrch pomocou zrkadlových systémov alebo optického vlákna a zaostruje sa pomocou šošovky. Lúč, ktorý sa dostane na povrch produktu, okamžite privedie materiál k bodu topenia a vyššie. Na zabezpečenie kvalitného procesu je potrebné roztavený materiál vyfúknuť, inak sa proces rezania zmení na zváranie. Väčšinou sa na to používa kyslík, dusík a iné plyny, ktoré sú vháňané špeciálnou tryskou do miesta pôsobenia ohniska. Tryska s priemerom nie väčším ako 1,5 mm pri pohybe by mala byť geometricky umiestnená na jednom mieste, čo si vyžaduje špeciálny systém, ktorý by kontroloval tlak aj potrebnú medzeru medzi povrchom dielca a tryskou. Zariadenie, ktoré priamo obsahuje zaostrovací systém a sledovací systém, sa nazýva rezacia hlava.
V dôsledku stimulovanej emisie sa počet fotónov zvyšuje a svetlo sa namiesto absorbovania zvyšuje. Takéto podmienky sa vytvárajú v laseroch. anglické slovo"laser" je skratka pre "zosilnenie svetla" stimulovanou emisiou. Laser je optické zariadenie, ktoré na výrobu energie vyžaduje externú energiu. Vyžaduje sa pre lasery.
Reverzná populácia je podporovaná vonkajším zdrojom energie: atómy absorbujú energiu zo zdroja a prechádzajú do excitovaného stavu. Metastabilita sa nazýva excitovaný stav, v ktorom môže byť elektrón prítomný oveľa dlhšie ako v normálnych excitovaných stavoch. Emitované fotóny musia opakovane prechádzať aktívnym prostredím, aby spôsobili nútenú excitáciu väčšieho počtu excitovaných atómov. To sa dosiahne použitím dvoch paralelných zrkadiel umiestnených na oboch stranách aktívneho média. Jedno zrkadlo úplne odráža svetlo a druhé zrkadlo je priesvitné - časť svetla ním prechádza a vytvára sa laserový lúč.
- Toto je prostredie, v ktorom sa vytvára inverzný súbor úrovní.
- Vzrušený stav musí byť metastabilný.
- V tomto prípade sa stimulovaná emisia uskutočňuje pred spontánnou emisiou.
Výsledkom je, že na zabezpečenie rezania dielov pozdĺž požadovaného obrysu je potrebný trojsúradnicový systém XYZ, kde pohyb reznej hlavy pozdĺž dvoch osí XY sleduje daný obrys (podľa programu) a tretia súradnica Z automaticky sleduje vzdialenosť k povrchu alebo ju manuálne nastavuje operátor. Najbežnejšími systémami sú portálové súradnicové tabuľky s „lietajúcou optikou“.
Aktívnym médiom v tomto type lasera je zmes héliových a neónových plynov umiestnená v uzavretej sklenenej trubici. Dodáva sa do potrubia vysoké napätie a dochádza k úniku plynu. Voľné elektróny generované plynovým výbojom sú urýchľované elektrickým poľom, narážajú na atómy hélia a privádzajú ich do excitovaného stavu: jeden z elektrónov atómu hélia prechádza zo základného stavu do energeticky najbližšieho stavu.
Tento stav neónu je metastabilný. Výsledná svetelná vlna odráža dve zrkadlá, opakovane prechádza aktívnym prostredím a je zosilnená stimulovanou emisiou veľkého počtu atómov. Nikolai Sabotinov z Katedry prírodných matematických vied Bulharskej akadémie vied vystúpi s prednáškou „Brómový medený laser – od vynálezu cez výskum až po výrobu“.
