2015 est l'Année internationale de la lumière et des technologies basées sur la lumière (IYL2015), qui est également l'année où le Conseil exécutif de l'UNESCO a signé la décision de faire du 16 mai de chaque année la « Journée internationale de la lumière ». La raison du choix du 16 mai est...
En 2015, l'Année internationale de la lumière et des technologies basées sur la lumière (IYL2015), le Conseil exécutif de l'UNESCO a signé la décision de désigner le 16 mai de chaque année comme la Journée internationale de la lumière.
Le 16 mai a été choisi car le 16 mai 1960, le physicien américain Meyman a créé le premier faisceau laser de l'histoire de l'humanité.
Meyman et le laser rubis.
Alors, qu'est-ce qu'un laser exactement ? Et pourquoi est-ce si important ?
Pour répondre à ces deux questions, nous devons comprendre les causes et les conséquences du travail de Meyman.
Pourquoi les objets émettent-ils de la lumière ?
En 1912, les physiciens étaient encore obsédés par l'apparence de l'atome, fondement du monde.
Cette année-là, trois articles du physicien danois Bohr ont été publiés, dans lesquels Bohr appliquait la théorie quantique au modèle atomique de Rutherford et proposait le célèbre modèle de Bohr.
Le modèle de Bohr était capable d'expliquer des phénomènes qui ne pouvaient pas être expliqués par d'autres modèles à ce moment-là, et a prédit certains résultats qui pourraient être confirmés par des expériences plus tard, il a donc été généralement accepté par la communauté scientifique par la suite.
Le modèle de Bohr est un modèle planétaire, ce qui signifie que les électrons chargés négativement se déplacent autour d'un noyau chargé positivement comme une planète.
La subtilité du modèle de Bohr est que les orbites de ces électrons ne sont pas choisies au hasard, mais seulement à certaines valeurs définies.
Modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène.
L'orbite électronique la plus interne est appelée l'état fondamental, l'orbite de la couche externe est appelée le premier état excité, la couche externe est le deuxième état excité, et ainsi de suite.
Nous pouvons remarquer que les énergies électroniques de ces différentes orbitales sont différentes, nous pouvons donc "aplatir" ces orbitales, et nous obtenons des niveaux d'énergie. Niveaux d'énergie de rayonnement spontané.
En raison de la conservation de l'énergie, les électrons veulent passer de niveaux d'énergie faibles à des niveaux d'énergie élevés, vous devez absorber l'énergie correspondante du monde extérieur, ce processus que nous appelons l'absorption stimulée. De même, l'électron du niveau d'énergie élevé pour tomber au niveau d'énergie faible, va certainement également libérer l'énergie correspondante, il est prouvé que ce processus émettra un photon, c'est-à-dire que l'électron sera lumineux, ce processus est donc appelé rayonnement spontané.
Le principe de luminescence des sources lumineuses courantes dans notre vie est le rayonnement spontané.
Lampes fluorescentes.
Faire « se comporter » la lumière
Il y a quelques problèmes avec la lumière produite par rayonnement spontané : il y a plusieurs niveaux d'énergie dans les atomes, et ces photons peuvent être produits par rayonnement spontané au premier niveau d'énergie, ou par rayonnement spontané au troisième niveau d'énergie ......
Cela conduit à différentes énergies de ces photons, et l'énergie d'un seul photon détermine la fréquence de la lumière, c'est-à-dire que la fréquence de la lumière produite par le rayonnement spontané est aléatoire.
Un autre point est que le moment du rayonnement spontané pour produire des photons, ainsi que la direction du mouvement des photons ne sont pas non plus sous notre contrôle, ce qui conduira à un rayonnement spontané pour produire de la lumière, la phase est également aléatoire.
La fréquence et la phase mentionnées ici sont toutes des propriétés de la lumière en tant qu'onde électromagnétique. La fréquence peut être comprise comme la vitesse de vibration de l'onde lumineuse, qui détermine également la couleur de la lumière que nous voyons ; La phase peut être comprise comme la position de transmission de l'onde lumineuse.
La lumière comme une onde électromagnétique.
En bref, la lumière générée par les sources lumineuses ordinaires est comme un groupe de personnes qui se pressent dans le métro, ils sont vieux et jeunes, hommes et femmes, portant des couleurs différentes pour prendre le métro, et ils ne marchent pas aussi vite, certains ont déjà dans le train, tandis que certains vérifient encore les billets.
Cela a conduit à des sources lumineuses ordinaires, bien que dans la vie de l'éclairage ait été suffisant à utiliser, mais dans le domaine de la recherche scientifique, en particulier l'étude de la nature de la lumière, la puissance de combat est vraiment générale.
Enfin, en 1917, une autre voie vers la lumière a fait surface, c'est-à-dire qu'Einstein a proposé la théorie du rayonnement stimulé.
Rayonnement stimulé.
La théorie du rayonnement excité c'est-à-dire, supposons maintenant que le premier état excité sur un électron, lorsqu'un photon frappe, et l'énergie de ce photon exactement égale au premier état excité et à l'écart entre l'état fondamental, puis cette fois, le premier état excité sur l'électron sera "tenté" pour compléter le cas d'un rayonnement spontané, émettant un Le photon "identique" est libéré.
En raison de l'existence de ce « photon tenté », nous appelons ce processus le rayonnement excité.
S'il y a suffisamment d'électrons de haute énergie, ce processus se poursuivra, formant éventuellement un grand groupe de photons "séduits", nous appellerons ce processus le processus d'amplification de la lumière, le plus important est que la phase et la fréquence de ces photons soient exactement la même. Comme une armée propre et bien rangée, et le rayonnement spontané ci-dessus "presser le métro" est complètement différent.
Combien d'étapes faut-il pour fabriquer un laser ?
La première étape est l'inversion du nombre de particules.
Avec la théorie du rayonnement excité, les gens se demandent comment utiliser cette théorie pour construire une source de lumière capable d'émettre une lumière nette et ordonnée.
Certains lecteurs peuvent dire : « Pourquoi ne pas simplement prendre la lumière et la faire briller ? Qu'y a-t-il de si difficile ?
Les lecteurs qui ont de tels doutes devraient prêter attention au mot "assez" mentionné précédemment, et n'oubliez pas notre phénomène d'absorption excitée.
S'il n'y a pas assez d'électrons à des niveaux d'énergie élevés, le nombre de rayonnement excité est inférieur au nombre d'absorption excitée, lorsqu'un faisceau de lumière frappe, ne sera pas émis une amplification de la lumière, mais sera l'absorption excitée par l'électron à l'état fondamental, résultant en perte de lumière.
En fait, dans le cas naturel, le nombre d'électrons de l'état fondamental est beaucoup plus grand que le nombre d'électrons excités, à température ambiante, par exemple, un système à deux énergies (c'est-à-dire uniquement l'état fondamental et le premier état excité de système énergétique), le nombre d'électrons de l'état fondamental est d'environ 10 fois 170 fois le nombre d'électrons excités !
Ainsi, afin d'utiliser le principe du rayonnement excité pour créer une source lumineuse, le premier problème à résoudre est de rendre le nombre de particules à des niveaux d'énergie plus élevés supérieur au nombre de particules à des niveaux d'énergie plus faibles, c'est-à-dire d'atteindre le nombre de particules inversion.
Comment obtenir l'inversion du nombre de particules ?
L'idée de base est de pomper les particules de l'état fondamental à l'état de haute énergie, tout comme une pompe.
C'est plus facile à dire qu'à faire.
Particules de pompage d'eau.
La deuxième étape consiste à créer un prédécesseur.
En 1951, le physicien américain Towns réfléchit à la manière d'inverser le nombre de particules dans la molécule d'ammoniac.
La molécule d'ammoniac est un système à deux énergies, et il est impossible d'obtenir une inversion du nombre de particules dans des circonstances normales, car la probabilité d'absorption excitée et de rayonnement excité est la même, ainsi que la présence de rayonnement spontané, ce qui conduit au fait que le nombre de particules à des niveaux d'énergie plus élevés doit être inférieur au nombre de particules à l'état fondamental.
L'approche de Towns était ingénieuse, car il a utilisé un champ magnétique pour faire la distinction entre les molécules d'ammoniac à l'état fondamental et à l'état excité, en distinguant les molécules d'ammoniac à l'état excité à placer dans une cavité résonnante à micro-ondes, dans laquelle l'inversion du nombre de particules a été réalisée.
Trois ans plus tard, utilisant cette idée, Towns construit le premier "MASER". Qu'est-ce que MASER ?
MASER est appelé Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ce qui se traduit par "amplification des micro-ondes par rayonnement stimulé". Laser LASER est appelé amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, ce qui se traduit par "amplification de la lumière par rayonnement stimulé".
Nous avons mentionné ci-dessus que la lumière est une onde électromagnétique et que les micro-ondes sont une autre onde électromagnétique.
Les ondes électromagnétiques peuvent être classées selon leur fréquence, avec des micro-ondes allant de 300 MHz à 300 GHz, et la lumière visible allant de 3,9 à 7,5 fois 10 à la puissance 14 Hz.
D'après le nom, nous pouvons voir la différence entre MASER et LAZER, principalement dans la différence de bandes de fonctionnement, MASER n'est qu'à un pas de LASER.
Les villes et le premier MASER.
La troisième étape consiste à compléter les trois composants principaux du laser.
L'introduction de MASER a résolu le problème d'inversion du nombre de particules. En seulement trois ans, cette technologie a progressé à pas de géant, et à ce stade, tout le monde veut se dépêcher et aller plus loin en transformant cet amplificateur micro-ondes en amplificateur optique et en créant cette source de lumière de rêve, le laser.
Jusqu'à présent, nous avons pu résumer vaguement la composition du laser en trois composants principaux :
Le premier est la nécessité d'obtenir une inversion du nombre de particules de la substance, comme les molécules d'ammoniac, que nous appelons le milieu amplificateur ; la seconde est la méthode de pompage appropriée, nous l'appelons pompage ; le troisième est les villes mentionnées ci-dessus avec cavité résonnante, quant au rôle de la cavité résonnante, nous en parlerons plus tard.
En 1958, Towns et Shorro ont collaboré à un article théorique qui prédisait pour la première fois la faisabilité des lasers d'un point de vue théorique. A ce stade, tout était prêt pour Towns, sauf le vent !
Le 16 mai 1960, Meyman a pris un chemin différent et a été le premier à construire le premier laser de l'histoire de l'humanité.
L'histoire de la façon dont Meyman y est arrivé en premier est une histoire fascinante avec de nombreux rebondissements. Mais concentrons-nous ici sur son laser à rubis.
Le diagramme schématique du laser à rubis.
Ce laser montre très clairement les trois composants majeurs du laser, autant les présenter tour à tour.
Gain moyen :
Le milieu de gain choisi par Meyman est le rubis, qui est du trioxyde d'aluminium dopé au chrome.
Schéma du système à trois énergies.
Ce milieu de gain est un système à trois énergies, et ce système à trois énergies pour réaliser l'inversion du nombre de particules est beaucoup plus simple que le système à deux niveaux précédent. Le système rubis à trois niveaux présente certaines caractéristiques particulières, et nous pouvons comprendre comment il réalise l'inversion du nombre de particules par son processus de pompage.
Premièrement, les particules de l'état fondamental sont transportées directement au niveau d'énergie E3 par une excitation appropriée, et il y a un processus de saut sans rayonnement entre les niveaux d'énergie E3 et E2, ce qui signifie que les particules sur E3 se dirigeront rapidement vers E2 par collisions. , et l'énergie réduite devient une énergie de mouvement thermique au lieu d'une luminescence.
De plus, l'état E2 est sous-stable, c'est-à-dire que les particules tombant au niveau d'énergie E3 peuvent rester longtemps au niveau d'énergie E2. Cela équivaut à utiliser le niveau d'énergie E3 comme transition pour transporter les particules de l'état fondamental à E2, et laisser le processus se poursuivre, le nombre de particules dans E2 dépassera le nombre de particules dans l'état fondamental, atteignant le nombre de particules inversion.
En fait, l'efficacité du laser à rubis est très faible, seulement 0,1 %, ce qui est limité par le milieu de gain, car le système à trois énergies nécessite une énergie très élevée pour pomper les particules à l'état fondamental vers le état de haute énergie. De plus, la longueur d'onde de ce laser est de 694,3 nm, qui est également déterminée par le milieu de gain.
Avec le développement du laser, les types de milieu de gain ont progressivement augmenté, y compris le gaz, le solide, le liquide, la fibre, le semi-conducteur, etc., comme le pointeur laser couramment utilisé en classe est un laser à semi-conducteur.
En bref, quel que soit le milieu de gain, il doit avoir une méthode qui peut réaliser l'inversion du nombre de particules.
Pompage:
La lampe à pompe du premier laser à rubis.
La caractéristique la plus évidente du laser de Meynman est que sa source de pompage est une lampe au xénon en spirale, la forme en spirale garantit que la barre de rubis est placée entre les lampes. De plus cette lampe utilise toujours la lumière pulsée pour le pompage, ce qui signifie que la lumière qu'elle émet n'est pas continue, mais en rafales. C'est la conception la plus importante de Meynman, de sorte que la lumière de pompage continue à haute énergie n'endommage pas le cristal.
Cavité résonnante :
Schéma de principe de la cavité résonnante.
Aux deux extrémités de la barre de rubis, Meyman a placé deux miroirs et a creusé un petit trou dans le côté droit afin que la lumière du rayonnement excité puisse voyager d'avant en arrière à travers le milieu de gain pour "attirer" plus de photons, et après avoir atteint un certaine intensité, la lumière laser serait émise à travers le petit trou.
A quoi sert le laser ?
Mayman a tenu une conférence de presse après l'invention du laser, au cours de laquelle un journaliste a posé cette question, Mayman a donné 5 suggestions : 1 :
1. il est utilisé pour amplifier la lumière, par exemple, lors de la fabrication de lasers à haute puissance, ils utilisent des amplificateurs optiques pour amplifier la lumière la plus faible ;
2. peut utiliser des lasers pour étudier la matière ;
3. utiliser des faisceaux laser de grande puissance pour les communications spatiales ;
4. utilisé pour augmenter le nombre de canaux de communication (c'est ce qui est devenu plus tard la communication par fibre optique);
5. focaliser le faisceau pour produire une intensité lumineuse ultra-élevée pour couper ou souder des matériaux dans l'industrie, ou pour effectuer une intervention chirurgicale en médecine, etc.
Nous devons admirer le sens scientifique aigu de Mehman, et toutes ces suggestions qu'il a faites se sont réalisées plus tard.
Vous souvenez-vous des caractéristiques des photons produits par un rayonnement excité ?
Ils ont la même fréquence et la même phase, et le laser est essentiellement une amplification de la lumière du rayonnement excité, de sorte que les deux caractéristiques les plus importantes du laser sont une bonne monochromaticité et une énergie élevée. Ces deux caractéristiques déterminent les usages des lasers, et ce sont les deux directions du développement du laser.
Une bonne monochromaticité signifie que le spectre laser est très étroit et peut facilement montrer les caractéristiques de la lumière sous forme d'onde, et nous pouvons ensuite l'utiliser pour enregistrer des informations de phase.
Par exemple, la technologie photo holographique inventée par le physicien britannique Dennis Gerber en 1947 est essentiellement l'utilisation de la phase de la lumière pour enregistrer toute la gamme d'informations sur l'objet, de manière à produire l'effet de la photographie en trois dimensions.
Les photographies holographiques peuvent enregistrer non seulement des informations frontales mais également des informations latérales.
Ce n'est qu'après l'invention du laser que cette technologie est devenue disponible et a reçu le prix Nobel de physique en 1971.
La haute énergie est bien comprise, on peut utiliser des lasers pour graver des CD, pour permettre la fusion nucléaire, pour découper des matériaux, etc. Non seulement on peut générer des lasers à haute énergie en continu, mais on peut aussi obtenir des lasers à haute énergie avec des impulsions très courtes durées au moyen de la technique du film verrouillé et de l'amplification du chirp.
Schéma de génération d'impulsions avec la technologie de verrouillage de film.
Les lasers femtosecondes sont maintenant largement disponibles et la durée d'une seule impulsion n'est que de l'ordre de la femtoseconde (moins 15 secondes sur 10).
Avec ce laser, nous pouvons délivrer des coups précis sur une substance sans causer beaucoup de dommages, comme la chirurgie réparatrice de la myopie, la modification de la surface d'une substance, l'amélioration de ses propriétés antiseptiques, etc.
