Optikai kvantumgenerátor vagy lézer
A "lézer" szó az angol "Fényimpulzus a sugárzás stimulált kibocsátásával" kifejezés angol betűjének első betűiből áll, amely oroszul: a fény stimulálását stimulálja.
Vegyünk egy ilyen lézert.
Vessünk egy rudat vagy egy lemezt egy anyagból, ahonnan sugárzást szeretnénk elérni. Az anyagnak átlátszónak kell lennie, hogy a fény behatolhasson. A rudak leggyakoribb anyaga mesterségesen termesztett rubin- vagy gránátkristály (vagy üveg, amelyben kis mennyiségű neodímium ritka eleme van hozzáadásra kerül). A rudak általában 6-20 mm átmérőjűek és 10-60 centiméter hosszúak. Maga a lézert gyakran nevezik maganyagnak. Tehát a "rubin lézer" kifejezés nem azt jelenti, hogy az egész eszköz ebből a drágakőből készült. A belsejében egy mûanyag rubin egy ceruza mérete van.
A rúd mellé helyezzünk egy világítót, ez egy szivattyú lámpa. A lámpa pulzáló lesz, mint a fotósok által használt villanófények - az atomok minden folyamata egy másodperc múlva halad át, ezért hosszú időn keresztül nincs értelme. A szivattyú lámpát a rúddal együtt egy fényvisszaverővel van körülvéve, így egyetlen szivattyúvilág mennyisége sem vész el. A munkadarab végeinél két tükröt hozunk létre: mögötte - unalmas tükör, amely tükrözi az összes fényt, amely elölről áttetsző. A tükrök szigorúan párhuzamosan vannak felszerelve, és merőlegesek a rúd tengelyére. A lézer készen áll. Csatlakoztassa a vezetékeket a lámpához az áramforrásról a zárógombon és nyomja meg. A lámpa villant. Most próbáljuk kitalálni, mi történik a lézerben.
A lámpa villant. A fényenergia áramlása eltalálta a rudat. Az atomjai gyorsan izgatott állapotba fordulnak. Az ilyen izgatott atomok minden pillanatában egyre több lesz. De sokáig izgalmas állapotban élnek, átlagosan csak százmilliomodik másodpercig élnek, majd normális, kimondatlan állapotba kerülnek. Az alábbi ábra bemutatja, hogy az egyik atom mennyiségi fényt bocsátott ki, majd egy másik, egy harmadik. De ezek a mennyiségek szinte átmennek a boton. Ezért kényszerítve arra, hogy ugyanabba az irányba sugározzon néhány atomot, gyorsan elhagyják. És a lámpa ég, és az atomok, amelyek ismét fényt bocsátanak ki, izgatottak. De véletlenül több atom emittált kvantumot a rúd tengelye mentén. Az atomokkal való ütközések után a kvantumok száma megduplázódik, a sugárzás a rúd mentén mozog, és úgy növekszik, mint egy lavina. A visszapillantó tükrökben a sugárzás többször átszúrja a rudat, és kivétel nélkül kényszeríti az összes atomot, hogy az energiájuknak a teljes fényáramba való átvitelét végezze. Ez az áttetsző ablak-tükör révén ez a fény kitágul. Kitörése! Az időtartam körülbelül egy egymilliomododperc. És a lámpa ég, és a másodperc hárommilliomodik másodperc múlva minden ismét megismétli magát. És újra és újra, amíg a már megvilágított villanófény lámpa fényereje kicsi lesz ahhoz, hogy fenntartsa a generációt. A szivattyú lámpa körülbelül egy ezredmásodpercet éget, ez idő alatt negyede villan fel, ugyanabban az időben ég. De a fennmaradó időre is a lézer mintegy kétszáz villanást képes összeszerelni, és egy tizedik ezredmásodperc alatt egy fényimpulzusba olvad össze. A gyors kép azt mutatja, hogy úgy tűnik, mint egy fésű, és sok rövid csúcsból áll - külön fény villog. Ezért a lézer működési módját spike-nek hívják. vagy szabadon futó üzemmódban.
Így alakult ki és dolgozott az első, 1960-ban rubin kristályra épített lézer.
De a szivattyú lámpájának összes energiája nem lézeres villanás. A legtöbb - sajnos! - a rúd és a tükör haszontalan, sőt egyszerűen ártalmas melegítéséhez vezet. A nagy teljesítményű impulzus lézereket levegő, víz, és néha folyékony nitrogén áramlik le. Az impulzusok ismétlésének gyakorisága attól is függ, hogy a lézersugar jól képes-e ellenállni a magas hőmérsékleteknek. A neodímium és a rubin lézerek másodpercenként egy-két vakut adnak, egy lézert egy gránáton - néhány száz. A pulzáló lézer rekordgyakorisága 12 millió másodpercenként villog. Az ilyen lézerek sugárzását folyamatosnak tekintik.
Tehát mi történik, kérdezed? A lámpa fényének lendülete egyszerűen a lézerfény impulzusává vált, sőt veszteséggel is. Megéri, hogy kertet építsen?
Megérte. Az ilyen nehézséggel nyert könnyűségnek sok szokatlan tulajdonsága van.
- Először is, a sugara megy, szinte nem bővül. Ahhoz, hogy reflektorfénybe nem oszlott szét, használjon egy nagy homorú tükör és egy összetett lencserendszer, amely összegyűjti a fényt egy lámpa egy zsemle. Segít, de ez nem elég: már egy kilométeres távolságra a keresőfénytől a gerenda kétszer olyan széles lesz. A lézernél nincs szükség tükörre és lencsére. Ő nélkülük önmagában szinte párhuzamos fénysugarat bocsát ki, mert csak azok a kvanták, amelyek a rúd tengelye mentén vesznek részt a sugárzásban.
- Másodszor, a lézer által kibocsátott fény monokromatikus, csak egy hullámhosszú, egy színnel rendelkezik. A számos hullámhosszú keverékből álló fehér fény, amely optikai részeken - lencsék és prizmákon áthalad - egyszerű színekre bomlik; mindenki látta a szivárványt az égen vagy a falon, amikor a nap fénye vízcseppecskékben vagy prizmákban szétesett. Lézersugárral ez nem fog megtörténni, így egy 0,01 mm átmérőjű helyre fókuszálható.
- Harmadszor, noha a lézer a benne szivattyúzott energiának egy kis részét használja, a vaku villanása nagyon, nagyon magas lehet: száz és ezer watt. Ennek az az oka, hogy a villanó ereje megegyezik az energiával, osztva annak időtartamával - ezredmásodperc.
Az elektromos motor teljesítményét, a gőzgépet, a fűtőtestet, a sugárzást és általában az összes teljesítményt wattban (W, az angol szakirodalomban)
Gyakran említi a lézersugárzás erejét, amit wattban, kilowattban és megawattban is mérnek. Hogy ezek a fogalmak ne legyenek üres hangok, próbáljátok elképzelni, hogy mekkora kilowatt van és milyen nagy a megawatt.
Egy kilowattos energia egy másodperc alatt forraljuk fel egy kanál vizet. A 400 kilowattos kapacitású fűtőberendezés egyszerre egy liter vizet forral, és egy 1 megawatt energiaforrás 2,5 liter forrásban lévő vizet szolgáltat másodpercenként.
Emlékezve arra, hogy mennyi ideig forral a vízforraló a edényen, meg tudod képzelni, hogy milyen hatáskörök vannak rejtve a lézersugárban.
A nap, amelynek hőmérséklete 6000 fok, egy hullámhosszon sugároz a hatalom egy százalékos százalékokban (miért - lásd itt). A lézer - akár ezer watt is. Felmerül a kérdés: milyen hőmérsékletre lenne szükség az anyag felmelegítésére, hogy lángra lobbantson? A válasz megdöbbentő. A lézer ugyanolyan világosságú fényt bocsát ki, mint a testet, több száz milliárd fokos hőmérsékletre melegítve! Ő maga hidegen marad ugyanakkor. Mindenesetre azok a 100-200 fok, amelyek felmelegedhetnek, nem hasonlítanak ahhoz a hőmérséklethez, amelyet egyetlen anyag sem képes ellenállni a világnak.
Ez egy impulzus lézer. A vaku nagy hatalmat hordoz - több ezer watt. Ez a teljesítmény növelhető a teljes lézer méretének növelésével. És még egy lézert is behelyezhetsz, tükrök nélkül. Az első lézer fényének impulzusa a második lézert működésbe hozza. Mindkét fényimpulzus, ami kialakult, megkétszerezi a vaku energiáját.
De a baj: a rúd hosszának növekedésével az impulzus időtartam is növekszik - mindaddig, amíg a hosszú rúdban lévő összes atom nem bocsát ki kvantumot, az idő el fog telni. Ezenkívül a rúd méretei nem növelhetők végtelenül: minél nagyobb a rúd, annál nagyobb a fényvesztés. A rúd új szakaszának sugárzásával ilyen nehézséggel nyert kiegészítő energia teljesen elveszett a fény felszívódása miatt. Ezért a legjobb anyagok közül a rudaknak semmi értelme 50-60 cm-nél hosszabbak, ez szinte semmit nem ad, a lézeralkatrészek költségeinek észrevehető növekedése mellett. És máris olcsóak. Ennélfogva ez az út nem adhat számottevő növekedést a sugárzási teljesítményben. De még mindig van egy másik: mi van, ha lerövidítjük a kitörés idejét, több száz, ezerszer kevesebb időt vezetünk energiájához? Akkor az ereje ugyanolyan mértékben növekszik! Ezt meg kell mérni megawattokkal. Szó szerint óriási impulzus lesz.