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激光如何工作?

  • 2024-03-29
  • Armanda
(图片来源:通过Getty图像通过Ethamphoto)

他们在杂货店扫描仪,互联网连接和汽车备用摄像头中。无论您是否意识到,您每天都会与激光互动。这种基于光的技术帮助建立了我们所生活的现代,深厚的相互联系的世界。但是,究竟是激光器,以及它们如何工作呢?

“激光”一词实际上是一个首字母缩写词。它代表“通过刺激的辐射排放来放大光”。激光通过使能量颗粒振动或“振荡式”同步而起作用,这意味着它们散发出的光波的峰值和凹槽。想想一支军队在编队中游行,与一群在城镇广场周围铣削的人相比彼得·戴尔菲特(Peter Delfyett),佛罗里达州中部大学的光子学工程师。 “这是激光光的质量,而不是我们通常习惯的不连贯的白光。”

当振动同步原子中的电子达到其最高能量状态时,它们突然逐回到低能量状态时,在此过程中发出了一种特殊的光。然后,激光设备通过在使用两个镜子之间来回弹跳来完善此灯,然后将其放置在使用之前。

有关的:在20年的追求中,揭开“量子超级化学”的奇异领域

Delfyett说:“这就是您看到的实际灯光从激光指针中出来的。”

激光技术背后的基本物理学已有一个多世纪的历史。该理论是第一个阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)于1917年提出。但是,将这些理论思想栩栩如生的研究人员将近四十年的时间要花费近四十年。

在激光器之前,有Masers-类似的技术,它使用微波而不是可见光。第一个功能性MASER是由哥伦比亚大学的一群科学家于1954年建造的。该设备使用一束高能氨分子和称为共振腔的空心围墙,以迫使微波振荡在一起。但是,它的功率输出很小 - 只有大约10纳米瓦。这比打开典型的灯泡所需的数量要少于十亿次。相比之下,世界上最强大的激光器最多可以产生10次Petawatt,约占十分之一的力量太阳。

该艺术家的概念显示了月球手电筒航天器,这是一个六单元的立方体,旨在使用特殊激光器在月球表面上寻找冰。(图片来源:NASA/ JPL-Caltech)

为了使更强大的梅尔(Maser),科学家开始研究电磁频谱。1960年,“光学仪表”(更名为激光)诞生了。并非所有激光器都在可见光光谱中运行,但它们都使用上面的频率微波辐射。

激光比MASERS有几个优势。除了由于较短的电磁波长而将更多的能量包装到光束中,激光易于构建,并且更易于精确地控制。尽管有时仍将masers用于射电望远镜和深空通信等诸如射电望远镜,但今天的激光器更为普遍。

“激光是20世纪最重要的科学和技术发明之一。”Svetlana Lukishova,纽约罗切斯特大学的纳米启发研究员。现在,从眼科手术到蚀刻玻璃再到使全球互联网连接的光纤电缆的所有用途。他们甚至在检测时空的涟漪中发挥了作用,称为引力波。这激光干涉仪重力波观测站使用两个巨大的激光器相距数千英里,以探测时空的结构。

激光技术的未来看起来同样光明。一些研究人员正在探索其成像系外行星的潜力远远超出我们的太阳系。 Delfyett和他的实验室正在研究一个项目,以使激光器的小型生动机使数据中心更小,更节能,从而减少温室气体的排放。

但是Delfyett认为,这项技术可能有我们甚至还没有梦想过的应用程序。他说:“激光的使用仅受您自己的想象力的限制。”

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