Тэг: Лазер

ГАЗЫ, ИЗЛУЧАЮЩИЕ СВЕТ

Когда электрический ток проходит через газ, газ излучает свет. Это излучение используется во многих
электрических лампах. Флуоресцентные лампы, «неоновые» вывески, ртутные и натриевые лампы являются обычными
примерами такого электрического освещения, называемые газоразрядными лампами. Цвета газоразрядных ламп различаются
в широком диапазоне в зависимости от идентичности газа и
конструкция лампы.

Газы при атмосферном давлении не очень хорошие проводники электричества. Поэтому для пропускания тока через газ требуется специальный аппарат, называемый газоразрядной трубкой. Газоразрядная трубка обычно представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами, запаянными через ее стенки. Когда к двум электродам прикладывается напряжение и давление газа в трубке уменьшается, в конечном итоге достигается давление, при котором ток течет, и газ начинает светиться. Свечение обычно появляется, когда давление составляет от 5 до 15 торр. Неоновые вывески работают таким образом: трубка с электродами на каждом конце заполнена газом при низком давлении, и к электродам приложено высокое напряжение (обычно в диапазоне от 1000 до 5000 вольт). Идентичность газа в трубке определяет цвет свечения. Неон излучает красное свечение, гелий дает бледно-желтый, а аргон дает синий. Пары ртути также излучают синий свет, а пары натрия излучают желтый. Большинство неоновых вывесок содержат либо неоновый газ, либо смесь неона и паров ртути. Диапазон цветов, охватывающий видимый спектр, может быть получен с помощью цветных трубок или флуоресцентных покрытий внутри трубок.

Флуоресцентные лампы устроены по тому же принципу, что и неоновые лампы: стеклянная трубка, заполненная парами ртути и имеющая электроды на каждом конце. Однако внутренняя часть трубки покрыта флуоресцентным материалом, который излучает видимый свет, когда подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нм производится вместе с синим светом, который излучается, когда электрический ток проходит через пары ртути. Это ультрафиолетовое излучение невидимо, но содержит больше энергии, чем излучаемый видимый свет. Энергия ультрафиолетового света поглощается флуоресцентным покрытием внутри флуоресцентной лампы и повторно излучается в виде видимого света.

Свет, излучаемый газом при протекании через него электрического тока, возникает в результате столкновений атомов газа и электронов тока. Когда напряжение подается на два электрода газоразрядной трубки, между электродами создается электрическое поле. В электрическом поле свободный электрон будет ускоряться от отрицательного электрода к положительному электроду. Когда такой электрон сталкивается с молекулой газа на своем пути, он может передать часть своей энергии молекуле газа, создавая молекулу газа в возбужденном (высокоэнергетическом) состоянии.


e (высокая энергия) + Hg xxv Hg* + e (низкая энергия)


В этом уравнении Hg* представляет атом ртути в возбужденном состоянии. Возбужденная молекула газа не остается в состоянии высокой энергии долго. Она может вернуться в свое состояние с самой низкой энергией, основное состояние, испуская свою избыточную энергию в виде света.


Hg* xxv Hg + свет


Это источник свечения разрядной трубки.


Поскольку атомы и молекулы могут существовать только в определенных энергетических состояниях, энергия, испускаемая возбужденной молекулой, ограничена различиями между этими состояниями. Испускаются только определенные энергии света. Цвет свечения определяется энергией испускаемого света. Энергия света связана с его длиной волны уравнением E = hc/  , где  — длина волны, h — постоянная Планка (6,63  x  10  34 Дж сек), а с — скорость света (3,00 x 10 8 м/сек). Поэтому в разрядной трубке газы излучают только определенные длины волн света. 

Не все газоразрядные лампы используют газ низкого давления. В некоторых газоразрядных лампах давление газа во время работы составляет 1-2 атмосферы. Это разрядные лампы «высокого давления»



Лампы.

Примерами служат ртутные и натриевые уличные лампы. Эти лампы работают аналогично лампам низкого давления. Однако для того, чтобы ток начал течь через газ под высоким давлением, требуется очень высокое напряжение. Как только ток начинает течь, напряжение уменьшается. В этих лампах газ фактически ионизируется: электроны, перемещающиеся между электродами, имеют достаточно энергии, чтобы выбивать электроны из молекул газа.

Hg + e (высокая энергия) xxv Hg + + 2 e (низкая энергия)

Образующиеся ионы и электроны ускоряются в электрическом поле, внося вклад в ток, а также сталкиваясь с другими молекулами и возбуждая их. В разряде высокого давления концентрация возбужденных молекул намного выше, чем в разряде низкого давления. По этой причине такие лампы намного ярче и больше подходят для наружного освещения.

Газоразрядные лампы более эффективны, чем лампы накаливания. Лампы накаливания работают, нагревая вольфрамовую нить до такой степени, что она светится. Значительная часть энергии, потребляемой в этом процессе, используется для нагрева нити. Только 18% энергии, потребляемой типичной 100-ваттной лампой накаливания, преобразуется в видимый свет. Напротив, разрядные лампы преобразуют более 50% потребляемой ими энергии в видимый свет. Эффективность люминесцентных ламп приближается к 80%.

Газоразрядная трубка является сердцем многих лазеров, таких как гелий-неоновый лазер. Этот лазер содержит разрядную трубку, заполненную 85% гелия и 15% неоном под давлением 2–3 торр. На каждом конце трубки находится зеркало. Часть света, испускаемого возбужденными молекулами газа, оказывается запертой между зеркалами, многократно отражаясь вперед и назад. Когда этот свет проходит мимо возбужденных молекул газа, он стимулирует их испускать свою энергию параллельно проходящему свету. Эффект этого заключается в усилении интенсивности светового луча, запертого между зеркалами. (Слово «лазер» является аббревиатурой от light amplification by s timulated emission of r радиация.) Одно из зеркал пропускает около 1% света, и параллельный пучок монохроматического света выходит из трубки. He-Ne лазер излучает свет с длиной волны 632,8165 нм. Этот свет производится возбужденными атомами неона. Наличие гелия в разрядной трубке увеличивает интенсивность излучения неона в 200 раз. Гелий поглощает энергию электронов и передает ее неону, который является более эффективным излучателем.

НПП "Вакуумная техника", ИП Шумиловский А.В. - техническое обслуживание, ремонт всех типов вакуумных насосов, вакуумных агрегатов.

Лазер

Почему лазер превратился из средства, ищущего решение проблемы, в устройство, влияющее практически на все аспекты жизни?

Что делает лазеры такими полезными?

Наше увлечение светом начинается в раннем возрасте. Некоторые из первых вопросов, которые дети задают своим родителям, касаются света. Что такое радуга? Почему небо голубое? Что такое тени?

Поэтому неудивительно, что свет пленял философов и ученых на протяжении тысячелетий. Первый настоящий прогресс в понимании света произошел в исламский Золотой век. В 1027 году мусульманский полимат Хасан ибн аль-Хайтам, также известный как Альхазен, написал «Книгу оптики». В ней он представил новейшие знания об оптике в семи томах. Однако, что важно, он развеял популярную идею о том, что свет исходит из наших глаз, как факелы. Вместо этого аль-Хайтам доказал, что он испускается и отражается от объектов и движется по прямым линиям к нашим глазам.

До Европейской научной революции XVI века о свете узнали немного больше. С тех пор и до 1900 года был достигнут огромный прогресс. Например, Исаак Ньютон показал, что цвет — это свойство света, а не среды. Томас Янг раскрыл волновую природу света. А Джеймс Клерк Максвелл пошел дальше, математически описав свет как электромагнитную волну. Фактически, некоторые считали, что мы не только освоили свет, но и узнали все, что нужно знать о том, как работает Вселенная. Ученый лорд Кельвин утверждал: «Сейчас в физике нет ничего нового, что можно было бы открыть».

А затем появились относительность и квантовая механика. Эти возвышающиеся теории не только сформировали физику в 20 веке, они также произвели революцию в нашем понимании света.

Альберт Эйнштейн сыграл центральную роль в преобразовании нашего восприятия. Его специальная теория относительности показала, что скорость света является фундаментальной константой природы. Позднее, приведя к его общей теории относительности, эта работа поместила свет в центр нашего объяснения пространства, времени и гравитации. Но он не остановился на этом. Описание света Эйнштейном в квантовой механике привело к одному из величайших изобретений 20-го века - лазеру.

Да будет (когерентный) свет

В 1917 году ученые знали, что электроны могут поглощать и испускать свет спонтанно. Эйнштейн предположил, что электроны можно заставить испускать свет определенной длины волны.

Прошло почти 40 лет, прежде чем ученые поняли, как использовать эту идею. Но это было не в первом в мире лазере, а в Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, или сокращенно MASER. Чарльз Таунс и его коллеги из Колумбийского университета, США, изобрели MASER в 1953 году.

Первый МАЗЕР работал, посылая луч возбужденных молекул аммиака в металлическую коробку, называемую резонансной полостью. Затем эти возбужденные молекулы релаксируют в свое основное состояние, высвобождая в процессе световую энергию (фотоны). Фотоны многократно бьют туда-сюда между стенками полости. По мере того, как они это делают, они ударяют по большему количеству молекул, которые также возбуждаются. Затем эти молекулы релаксируют и высвобождают больше фотонов в повторяющемся цикле, вовлекая все больше и больше молекул. Вскоре устойчивый поток фотонов отскакивает из стороны в сторону в коробке. Выходной луч МАЗЕРа представляет собой небольшое количество накопленного излучения. Он выходит через небольшое отверстие.

Устройство делало гораздо больше, чем просто усиливало волны. MASER производил микроволны, которые были идентичны, двигались в тандеме и двигались в одном направлении. Впервые электромагнитные волны были укрощены. Но гонка по созданию аналогичного устройства, использующего видимый свет — лазера — уже началась.

Лазерная фокусировка

Таунс и несколько других американских и российских ученых могут претендовать на изобретение лазера. И долгие патентные баталии доказали, что ответ не является однозначным. Но несомненно то, что американский физик Теодор Майман из Hughes Aircraft Company построил первый работающий лазер в 1960 году.

Сначала казалось, что ученые не были уверены, что делать с новой технологией. Фактически, New York Times цитировала Меймана: «Лазер — это решение, ищущее проблему». Но исследования продолжались, несмотря ни на что.

В том же году, когда Мейман сконструировал первое устройство, были также продемонстрированы два совершенно разных типа лазера. Затем последовала стремительная серия первых изобретений, которые легли в основу сегодняшних технологий. Еще в 1961 году лазер, похожий на лазер Меймана, был впервые применен в медицине. Он успешно уничтожил опухоль сетчатки. В 1962 году был изобретен наиболее знакомый широкой публике лазер. Красный лазерный диод GaAsP (арсенид-фосфид галлия) является основой для современных красных светодиодов, используемых в таких устройствах, как CD, DVD-плееры и смартфоны. А в 1963 году инженер AT&T Bell Laboratories Чандра Кумар Наранбхай Патель изобрел лазер на углекислом газе. Этот мощный инструмент теперь используется для резки и сварки, а также в качестве лазерного скальпеля в хирургии.

Три года спустя гонконгский физик Чарльз Као сделал еще один смелый шаг. Он рассчитал, что оптические волокна, изготовленные из высокочистого стекла, могут передавать световые сигналы на большие расстояния. Определив кремний как среду, а лазеры как источник света, его работа заложила основу для глобальной оптоволоконной сети связи, которая образует основу интернета.

Лазеры повсюду

С тех пор лазеры превратились в огромное и разнообразное семейство технологий, которые так же полезны в быту, как и в космических телескопах. Они произвели революцию в области коммуникаций и вычислений. Они улучшили торговлю, промышленность и развлечения. И они сделали возможными безболезненные операции. Самое главное, что лазеры по-прежнему продвигают науку.

Например, с помощью сфокусированных лазерных лучей под давлением излучения можно сформировать оптические пинцеты. Изобретенные в 1987 году Артуром Эшкином из Bell Laboratories, эти пинцеты могут манипулировать эритроцитами, микроорганизмами и даже объектами размером с один атом. В настоящее время они широко используются для исследования механизмов жизни, поэтому Эшкин — наряду с другими пионерами лазерной техники Жераром Муру и Донной Стрикленд — был удостоен Нобелевской премии по физике 2018 года.

Как ни странно, другие типы лазеров могут охлаждать и захватывать атомы. Лазерное охлаждение работает путем тщательного размещения двух или более пересекающихся лазерных лучей. Эти лучи уменьшают импульс атомов посредством непрерывного поглощения и спонтанного испускания фотонов. Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии вещества, меньший атомный импульс (и, следовательно, меньшая кинетическая энергия) означает более низкую температуру. Интересное применение лазерного охлаждения заключается в создании конденсатов Бозе-Эйнштейна — странного состояния материи, в котором атомы группируются вместе и действуют как один огромный атом.

С точки зрения мощности, новые лазеры начинают появляться как военное оружие, способное уничтожать вражескую технику на расстоянии многих километров. Но эти портативные устройства слабы по сравнению с новейшими исследовательскими лазерами.

Например, в Национальном центре в США имеется 192 мощных лазерных луча. Эти лазеры могут создавать температуры и давления, аналогичные тем, что существуют в ядрах звезд и гигантских планет, а также внутри ядерного оружия. Помимо прочего, ученые используют этот центр для изучения сверхновых, гигантских планет и черных дыр.

Между тем, European X-ray Free-Electron Laser Facility, базирующийся в Германии, является крупнейшим в мире рентгеновским лазером. Это огромное устройство, размещенное в установке длиной 3,4 км, генерирует 27 000 сверхъярких вспышек рентгеновского излучения в секунду. Короткая длина волны рентгеновского света позволяет этому гигантскому микроскопу исследовать состав и структуру сложных биомолекул и материалов на атомном уровне. А короткие импульсы света позволяют исследователям впервые наблюдать фильмы о сверхбыстрых явлениях, таких как образование или разрыв химических связей.

Следующий большой прорыв в области лазеров может произойти в Китае. Команда из Шанхайского сверхбыстрого лазерного комплекса Superintense Ultrafast Laser Facility строит лазер непревзойденной мощности. Они надеются, что у него будет достаточно энергии, чтобы заставить электронно-позитронные пары появиться. Если им это удастся, достижение станет ошеломляющей демонстрацией квантовой механики в действии и ярким примером того, как изменилось наше владение светом и материей всего за 100 лет.