Το λέιζερ είναι μια άλλη σημαντική εφεύρεση της ανθρωπότητας από τον 20ο αιώνα, ακολουθώντας την πυρηνική ενέργεια, τους υπολογιστές και τους ημιαγωγούς. Είναι γνωστό ως «το πιο γρήγορο μαχαίρι», «ο πιο ακριβής χάρακας» και «το πιο λαμπρό φως». Στις 16 Μαΐου 1960, ο Αμερικανός φυσικός Theodore Maiman εφηύρε το πρώτο λέιζερ στον κόσμο. Για πρώτη φορά, η ανθρωπότητα είχε πρόσβαση σε μια τέτοια θαυματουργή πηγή φωτός με εξαιρετική μονοχρωματικότητα, υψηλή ευθυγράμμιση και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Από την εφεύρεση του πρώτου λέιζερ το 1960, τα λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στις επικοινωνίες, την ιατρική, τη βιομηχανική παραγωγή, τα στρατιωτικά όπλα και άλλους τομείς, καθιστώντας μια τεχνολογία πολλαπλών επιστημονικών σκοπών που είχε τεράστιο αντίκτυπο στην έρευνα σε πολλούς τομείς και έχει προωθήσει τη βελτίωση της αποδοτικότητας της κοινωνικής παραγωγής. Λοιπόν, τι ακριβώς είναι ένα λέιζερ; Και πώς παράγεται;
Το λέιζερ είναι ένα αρκτικόλεξο για το "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", που σημαίνει ενίσχυση φωτός που προκαλείται από διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Όταν αυτή η τεχνολογία εισήχθη στην Κίνα το 1964, ο κ. Qian Xuesen επινόησε αυτό το όνομα για αυτήν. Στη δημοφιλή χρήση, έχει επίσης ένα μάλλον εντυπωσιακό μεταγραμμένο όνομα, "leishe". Πριν καταλάβουμε τα λέιζερ, ας δούμε πρώτα τι είναι το φως.
Το φως παράγεται από φωτόνια. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εισήγαγε για πρώτη φορά την έννοια των φωτονίων στην εργασία του για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα φωτόνια είναι ένα από τα θεμελιώδη σωματίδια που συνθέτουν την ύλη. Τα φωτόνια είναι εξαιρετικά μικρά και δεν έχουν μάζα όταν βρίσκονται σε ηρεμία. Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, όταν ένα ηλεκτρόνιο πέφτει από ένα εξωτερικό κέλυφος υψηλότερης-ενέργειας σε ένα εσωτερικό κέλυφος χαμηλότερης-ενέργειας, ο αντίστοιχος ατομικός πυρήνας απελευθερώνει ένα φωτόνιο, παράγοντας έτσι φως. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των φλοιών που περνά το ηλεκτρόνιο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του φωτονίου. Αυτή η διαδικασία είναι αναστρέψιμη. όταν προσπίπτει ένα φωτόνιο, ο ατομικός πυρήνας απορροφά το φωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, έχοντας αποκτήσει ενέργεια, μετακινείται από ένα εσωτερικό κέλυφος χαμηλότερης-ενέργειας σε ένα εξωτερικό κέλυφος υψηλότερης{10}}ενέργειας.
Το χαρακτηριστικό ενός λέιζερ είναι ότι όλα τα φωτόνια του κινούνται μαζί με το ίδιο μήκος κύματος και φάση. Σε ένα ατομικό σύστημα, τα ηλεκτρόνια κινούνται ουσιαστικά σε στρώματα. Όταν ένα άτομο επηρεάζεται από το εξωτερικό του περιβάλλον και τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας μεταβαίνουν σε χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας, υπάρχουν δύο φαινόμενα: "αυθόρμητη εκπομπή" και "διεγερμένη εκπομπή". Τα λέιζερ παράγονται μέσω διεγερμένης εκπομπής. Με απλά λόγια, ένα λέιζερ είναι η «ακτινοβολία φωτός» που εκπέμπεται όταν τα άτομα μιας ουσίας «διεγείρονται» από μια συγκεκριμένη «πηγή άντλησης».
Το λέιζερ είναι μια συσκευή που παράγει φως λέιζερ, που αποτελείται κυρίως από μια πηγή αντλίας, ένα μέσο απολαβής και μια κοιλότητα συντονισμού. Η πηγή αντλίας είναι η πηγή διέγερσης του λέιζερ, η οποία παρέχει ενέργεια σε ηλεκτρόνια χαμηλής-ενέργειας για να τα διεγείρει σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Οι κοινές πηγές αντλίας περιλαμβάνουν την οπτική διέγερση, τη διέγερση εκκένωσης αερίου, τη χημική διέγερση και τη διέγερση της πυρηνικής ενέργειας. Η κοιλότητα συντονισμού είναι το κύκλωμα μεταξύ της πηγής της αντλίας και του μέσου απολαβής, που συνήθως αποτελείται από δύο κάτοπτρα με συγκεκριμένα γεωμετρικά σχήματα και χαρακτηριστικά οπτικής ανάκλασης συνδυασμένα με συγκεκριμένο τρόπο. Αυτό επιτρέπει στο διεγερμένο φως να ταξιδεύει εμπρός και πίσω πολλές φορές μέσα στην κοιλότητα, σχηματίζοντας συνεκτικές, παρατεταμένες ταλαντώσεις που ενισχύονται και περιορίζοντας επίσης τη συχνότητα και την κατεύθυνση της δέσμης φωτός. Το μέσο απολαβής αναφέρεται στο μέσο εργασίας που ενισχύει το φως.
Από τότε που ο Αϊνστάιν πρότεινε διεγερμένη εκπομπή το 1917, οι επιστήμονες πέρασαν 43 χρόνια ακατάπαυστης εξερεύνησης προτού τελικά δημιουργήσουν το πρώτο λέιζερ στον κόσμο το 1960. Ο επιστήμονας Maiman, από τα Ερευνητικά Εργαστήρια Hughes στην Καλιφόρνια, χρησιμοποίησε μια λάμπα φλας υψηλής-εντάσεως για να φωτίσει το ρουφίδι από τα άτομα με το κόκκινο. φως. Ανοίγοντας μια τρύπα στην επιφάνεια του ρουμπίνι, η οποία ήταν επικαλυμμένη με έναν ανακλαστικό καθρέφτη, το κόκκινο φως μπορούσε να διαφύγει μέσα από αυτήν την τρύπα, παράγοντας μια εξαιρετικά συγκεντρωμένη, στενή δέσμη κόκκινου φωτός. Όταν αυτή η δέσμη κατευθυνόταν σε ένα σημείο, μπορούσε να φτάσει σε θερμοκρασίες υψηλότερες από την επιφάνεια του ήλιου. Έτσι, γεννήθηκε το πρώτο λέιζερ στον κόσμο-το ρουμπίνιο λέιζερ-, με μήκος κύματος 0,6943 μικρόμετρα. Αυτή ήταν η πρώτη ακτίνα λέιζερ που παρήχθη ποτέ από την ανθρωπότητα.
