Árið 2015 er alþjóðlegt ár ljóss og ljósrar tækni (IYL2015), sem er einnig árið sem framkvæmdastjórn UNESCO undirritaði þá ákvörðun að setja 16. maí ár hvert sem „alþjóðlegan ljósdag“. Ástæðan fyrir því að velja 16. maí er...
Árið 2015, Alþjóðlegt ár ljóss og ljóstengdrar tækni (IYL2015), undirritaði framkvæmdastjórn UNESCO þá ákvörðun að útnefna 16. maí ár hvert sem alþjóðlegan ljósdag.
16. maí var valinn vegna þess að 16. maí 1960 bjó bandaríski eðlisfræðingurinn Meyman til fyrsta leysigeisla mannkynssögunnar.
Meyman og rúbín leysirinn.
Svo hvað nákvæmlega er leysir? Og hvers vegna er það svona mikilvægt?
Til að svara þessum tveimur spurningum þurfum við að skilja orsakir og afleiðingar vinnu Meymans.
Af hverju gefa hlutir frá sér ljós?
Árið 1912 voru eðlisfræðingar enn helteknir af því hvernig atómið, undirstaða heimsins, leit út.
Á þessu ári komu út þrjár greinar eftir danska eðlisfræðinginn Bohr, þar sem Bohr beitti skammtafræði á líkan Rutherfords af frumeindinni og lagði til hið fræga Bohr líkan.
Líkan Bohrs gat útskýrt fyrirbæri sem ekki var hægt að útskýra með öðrum líkönum á þeim tíma og spáði fyrir um nokkrar niðurstöður sem hægt var að staðfesta með tilraunum síðar, svo það var almennt viðurkennt af vísindasamfélaginu eftir á.
Bohr líkanið er reikistjarnalíkan sem þýðir að neikvætt hlaðnar rafeindir fara um jákvætt hlaðinn kjarna eins og reikistjarna.
Fínleikinn við Bohr líkanið er sá að brautir þessara rafeinda eru ekki valdar af handahófi, heldur aðeins til ákveðinna gilda.
Líkan Bohrs af vetnisatóminu.
Innsta rafeindabrautin er kölluð jarðástand, svigrúmið í ytra lagi er kallað fyrsta spennt ástand, ytra lagið er annað spennt ástand, og svo framvegis.
Við getum tekið eftir því að rafeindaorka þessara mismunandi svigrúma er mismunandi, þannig að við getum „fletið“ þessar svigrúm og við fáum nokkur orkustig. Sjálfkrafa geislunarorkustig.
Vegna varðveislu orku vilja rafeindir hoppa úr lágu orkustigi yfir í háorkustig, þú verður að taka upp samsvarandi orku frá umheiminum, þetta ferli köllum við það örvað frásog. Á sama hátt mun rafeind frá háorkustigi falla niður í lágorkustig, örugglega einnig losa samsvarandi orku, það er sannað að þetta ferli mun gefa frá sér ljóseind, það er að rafeindin verður lýsandi, svo þetta ferli er kallað sjálfsprottinn geislun.
Meginreglan um ljóma algengra ljósgjafa í lífi okkar er sjálfsprottinn geislun.
Flúrljós.
Að láta ljós „hegða sér“
Það eru nokkur vandamál með ljós sem myndast með sjálfsprottinni geislun: það eru mörg orkustig í atómum og þessar ljóseindir geta verið framleiddar með sjálfsprottinni geislun á fyrsta orkustigi, eða með sjálfsprottinni geislun á þriðja orkustigi ......
Þetta leiðir til mismunandi orku þessara ljóseinda og orka eins ljóseindar ákvarðar tíðni ljóss, það er að segja að tíðni ljóss sem myndast af sjálfsprottinni geislun er tilviljunarkennd.
Annar punktur er að tímasetning sjálfkrafa geislunar til að framleiða ljóseindir, sem og stefnu ljóseindahreyfingar er heldur ekki undir okkar stjórn, sem mun leiða til sjálfkrafa geislunar til að framleiða ljós, fasinn er líka tilviljunarkenndur.
Tíðnin og fasinn sem nefndur er hér eru allir eiginleikar ljóss sem rafsegulbylgju. Tíðni má skilja sem hraða ljósbylgju titrings, sem einnig ákvarðar lit ljóssins sem við sjáum; Fasa má skilja sem stöðu ljósbylgjusendingarinnar.
Ljós sem rafsegulbylgja.
Í stuttu máli, ljósið sem myndast af venjulegum ljósgjöfum er eins og hópur af fólki að troðast í neðanjarðarlestina, þeir eru gamlir og ungir, karlkyns og kvenkyns, í mismunandi litum til að taka neðanjarðarlestina, og þeir ganga ekki eins hratt, sumir hafa þegar í lestinni, á meðan sumir eru enn að athuga miðana.
Þetta leiddi til venjulegra ljósgjafa, þó að í líftíma lýsingar hafi verið nóg að nota, en á sviði vísindarannsókna, sérstaklega rannsókn á eðli ljóss, er bardagakrafturinn í raun almennur.
Að lokum, árið 1917, kom önnur leið til ljóss á yfirborðið, það er Einstein setti fram kenninguna um örvaða geislun.
Örvuð geislun.
Ætlað geislunarkenning er að segja, nú er gert ráð fyrir að fyrsta örvaða ástand rafeindarinnar, þegar ljóseind snertir, og orka þessarar ljóseindar nákvæmlega jöfn fyrsta spenntu ástandinu og bilinu milli jarðstöðu, þá í þetta skiptið, fyrsta spennt ástand rafeindarinnar verður "freistast" til að ljúka málinu af sjálfsprottinni geislun, sem gefur frá sér "sams konar" ljóseind er sleppt.
Vegna tilvistar þessarar „freistuðu ljóseind“ köllum við þetta ferli spennta geislun.
Ef það eru nógu margar háorku rafeindir mun þetta ferli halda áfram, að lokum mynda stóran hóp af "tældum" ljóseindum, við munum kalla þetta ferli ljósmögnunarferli, það mikilvægasta er að fasi og tíðni þessara ljóseinda er nákvæmlega sama. Eins og snyrtilegur og snyrtilegur her, og ofangreind "kreista neðanjarðarlestinni" sjálfkrafa geislun er allt öðruvísi.
Hversu mörg skref þarf að byggja leysir?
Fyrsta skrefið er viðsnúning agnafjölda.
Með kenningunni um spennta geislun veltir fólk fyrir sér hvernig eigi að nota þessa kenningu til að byggja ljósgjafa sem getur gefið frá sér snyrtilegt og snyrtilegt ljós.
Sumir lesendur gætu sagt: "Af hverju ekki bara að taka ljósið og láta það skína í gegn? Hvað er svona erfitt við það?
Lesendur sem hafa slíkar efasemdir ættu að gefa gaum að orðinu „nóg“ sem áður var nefnt, og ekki gleyma fyrirbæri okkar um spennt frásog.
Ef það eru ekki nægar rafeindir á háu orkustigi, er fjöldi örvaða geislunar minni en fjöldi örtra frásogs, þegar ljósgeisli lendir, mun ekki gefa frá sér ljósmögnun, heldur verður frásog rafeinda örvaðar í jörðu, sem leiðir til í léttu tapi.
Reyndar, í náttúrulegu tilviki, er fjöldi rafeinda í grunnástandi miklu meiri en fjöldi spenntra rafeinda, við stofuhita, td tveggja orkukerfi (þ.e. aðeins jarðástand og fyrsta spennt ástand orkukerfið) fjöldi rafeinda í jörðu er um það bil 10 af 170 sinnum fjöldi spenntra rafeinda!
Svo til að nota meginregluna um spennta geislun til að búa til ljósgjafa, er fyrsta vandamálið sem þarf að leysa að gera fjölda agna við hærra orkustig meiri en fjöldi agna við lægra orkustig, það er að ná fjölda agna snúningur.
Hvernig á að ná fram viðsnúningi agnafjölda?
Grundvallarhugmyndin er að dæla agnunum úr grunnstöðu í háorkuástand, alveg eins og dæla.
Þetta er hægara sagt en gert.
Vatnsdælandi agnir.
Annað skrefið er að byggja upp forvera.
Árið 1951 hugsaði bandaríski eðlisfræðingurinn Towns hvernig hægt væri að ná fram agnatölubreytingu í ammoníaksameindinni.
Ammóníak sameindin er tveggja orkukerfi og það er ómögulegt að ná fram snúningi agnafjölda undir venjulegum kringumstæðum, vegna þess að líkurnar á örvuðu frásogi og örvaðri geislun eru þær sömu, og einnig tilvist sjálfsprottinn geislun, sem leiðir til þess að fjöldi agna við hærra orkustig verður að vera minni en fjöldi agna í jörðu.
Nálgun Towns var sniðug, þar sem hann notaði segulsvið til að greina á milli ammoníaksameinda í grunnástandi og örvuðu ástandi, þar sem hann snýr að ammoníaksameindunum í örbylgjuástandi sem settar voru í örbylgjuómunarhol, þar sem viðsnúningur agnafjölda náðist.
Þremur árum síðar, með þessari hugmynd, byggðu Towns fyrsta „MASER“. Hvað er MASER?
MASER er kallað Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, sem þýðir „mögnun örbylgjuofna með örvaðri geislun“. Laser LASER er kallaður ljósmögnun með örvunargeislun, sem þýðir "mögnun ljóss með örvaðri geislun".
Við nefndum hér að ofan að ljós er rafsegulbylgja og örbylgjuofn er önnur rafsegulbylgja.
Hægt er að flokka rafsegulbylgjur eftir tíðni þeirra, með örbylgjum á bilinu 300 MHz til 300 GHz og sýnilegt ljós á bilinu 3,9 til 7,5 sinnum 10 til 14. veldi Hz.
Af nafninu getum við séð muninn á MASER og LAZER, aðallega í muninum á starfandi hljómsveitum, MASER er aðeins einu skrefi frá LASER.
Bæir og fyrsti MASER.
Þriðja skrefið er að klára þrjá helstu þætti leysisins.
Innleiðing MASER leysti vandamálið um snúningsfjölda agna. Á aðeins þremur árum hefur þessari tækni þróast hratt og á þessum tímapunkti vilja allir drífa sig og taka skrefið lengra með því að breyta þessum örbylgjumagnara í ljósmagnara og búa til þann draumaljósgjafa, leysirinn.
Hingað til hefur okkur tekist að draga óljóst saman samsetningu leysisins þriggja meginþátta:
Í fyrsta lagi er þörf á að ná fram agnatölubreytingu efnisins, eins og ammoníaksameindir, sem við köllum ávinningsmiðil; annað er viðeigandi dæluaðferð, við köllum það dælingu; þriðja er ofangreindir bæir með resonant cavity, eins og fyrir hlutverk resonant cavity munum við tala síðar.
Árið 1958 unnu Towns og Shorro saman að fræðilegri grein sem spáði fyrir um hagkvæmni leysigeisla í fyrsta skipti frá fræðilegu sjónarhorni. Á þessum tímapunkti var allt klárt fyrir Towns, nema vindurinn!
Þann 16. maí 1960 fór Meyman aðra leið og var fyrstur til að smíða fyrsta leysirinn í mannkynssögunni.
Sagan af því hvernig Meyman komst þangað fyrst er heillandi saga með mörgum útúrsnúningum. En við skulum einbeita okkur hér að rúbín-lasernum hans.
Skýringarmynd rúbínleysisins.
Þessi leysir sýnir mjög greinilega þrjá helstu þætti leysisins, við gætum eins kynnt þá til skiptis.
Ávinningur miðlungs:
Ávinningsmiðillinn sem Meyman valdi er rúbín, sem er krómbætt áltríoxíð.
Skýringarmynd þriggja orkukerfisins.
Þessi ávinningsmiðill er þriggja orku kerfi og þetta þriggja orku kerfi til að ná fram agnafjölda snúningi er miklu einfaldara en fyrra tveggja þrepa kerfið. Það eru nokkrir sérkenni rúbína þriggja stiga kerfisins og við getum skilið hvernig það nær að snúa agnafjölda með því að dæla.
Í fyrsta lagi eru jarðefnaagnirnar fluttar beint á E3 orkustigið með viðeigandi örvun og það er geislunarlaust stökkferli á milli E3 og E2 orkustiganna, sem þýðir að agnirnar á E3 munu fljótt hlaupa til E2 við árekstra , og minni orka verður varmahreyfingarorka í stað ljóma.
Að auki er E2 ástandið undirstöðugt, það er að agnirnar sem falla á E3 orkustiginu geta verið á E2 orkustigi í langan tíma. Þetta jafngildir því að nota E3 orkustigið sem umskipti til að flytja agnirnar úr jörðu yfir í E2, og láta ferlið halda áfram, fjöldi agna í E2 mun fara yfir fjölda agna í jörðu og ná því agnafjölda snúningur.
Reyndar er skilvirkni rúbínleysisins mjög lág, aðeins 0,1 prósent , sem takmarkast af ávinningsmiðlinum, vegna þess að þriggja orkukerfið krefst mjög mikillar orku til að dæla jarðefnaögnunum til háorkuríki. Að auki er bylgjulengd þessa leysis 694,3 nm, sem ræðst einnig af ávinningsmiðlinum.
Með þróun leysis jókst tegundum ávinningsmiðils smám saman, þar á meðal gas, fast efni, vökvi, trefjar, hálfleiðara osfrv., Svo sem leysirbendillinn sem almennt er notaður í kennslustofunni er hálfleiðara leysir.
Í stuttu máli, sama hvaða ávinningsmiðill, það verður að hafa aðferð sem getur náð ögnfjöldabreytingu.
Dæla:
Dælulampi fyrsta rúbínleysisins.
Augljósasti eiginleiki Meynman leysisins er að dælugjafinn hans er spíral xenon lampi, spíralformið tryggir að rúbínstöngin sé sett á milli lampanna. Að auki notar þessi lampi enn púlsað ljós til að dæla, sem þýðir að ljósið sem það gefur frá sér er ekki stöðugt, heldur í sprengingum. Þetta er mikilvægasta hönnun Meynman, þannig að stöðugt háorkudæluljós skemmir ekki kristalinn.
Resonant hola:
Skýringarmynd af resonant hola.
Við tvo enda rúbínstangarinnar setti Meyman tvo spegla og gróf litla holu á hægri hliðina svo að ljósið frá örvuðu geisluninni gæti ferðast fram og til baka í gegnum ávinningsmiðilinn til að "loka" fleiri ljóseindir, og eftir að hafa náð ákveðinn styrkleiki, leysirljósið myndi berast í gegnum litla gatið.
Hver er notkun leysir?
Mayman hélt blaðamannafund eftir uppfinningu leysisins, þar sem blaðamaður spurði þessa spurningu, Mayman gaf 5 tillögur: 1:
1. það er notað til að magna ljós, til dæmis þegar þeir eru búnir til hástyrksleysis nota þeir sjónmagnara til að magna veikara ljósið;
2. getur notað leysir til að rannsaka efni;
3. að nota aflmikla leysigeisla fyrir geimsamskipti;
4. notað til að fjölga rásum fyrir samskipti (þetta er það sem síðar kom fram sem ljósleiðarasamskipti);
5. að stilla geislann til að framleiða ofurháan ljósstyrk til að klippa eða suða efni í iðnaði, eða til að framkvæma skurðaðgerðir í læknisfræði osfrv.
Við verðum að dást að mikilli vísindavitund Mehmans og allar þessar tillögur sem hann kom með gengu síðar fram.
Manstu eftir eiginleikum ljóseinda sem myndast af spenntri geislun?
Þeir hafa sömu tíðni og fasa og leysirinn er í meginatriðum mögnun ljóssins frá spenntri geislun, þannig að tveir mikilvægustu eiginleikar leysisins eru góð einlita og mikil orka. Þessir tveir eiginleikar ákvarða notkun leysis, og þetta eru tvær áttir leysisþróunar.
Góð einlitning þýðir að leysirófið er mjög þröngt og getur auðveldlega sýnt einkenni ljóss sem bylgju og við getum síðan notað það til að skrá fasaupplýsingar.
Til dæmis er hólógrafísk ljósmyndatækni, sem breski eðlisfræðingurinn Dennis Gerber fann upp árið 1947, í meginatriðum notkun ljósfasans til að skrá allar upplýsingar um hlutinn til að framkalla áhrif þrívíddar ljósmyndunar.
Hólógrafískar ljósmyndir geta skráð ekki aðeins framhliðarupplýsingar heldur einnig hliðarupplýsingar.
Það var fyrst eftir uppfinningu leysisins sem þessi tækni varð tiltæk og hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1971.
Háorkan er vel skilin, við getum notað leysigeisla til að brenna geisladiska, til að gera kjarnasamruna kleift, til að skera efni o.s.frv. tímalengdir með læstri filmutækni og chirp mögnun.
Skýringarmynd af púlsmyndun með filmulæsingartækni.
Femtósekúndu leysir eru nú víða fáanlegir og lengd eins púls er aðeins af stærðargráðunni femtósekúndur (mínus 15 sekúndur af 10).
Með þessum laser getum við gefið nákvæma högg á efni án þess að valda miklum skaða, svo sem viðgerðaraðgerð á nærsýni, breyta yfirborði efnis, auka sótthreinsandi eiginleika þess o.s.frv.
