Industrieanwendungen von in einem Labor angebauten Edelsteinen - Rubin-Laserstäbe

Industrieanwendungen von in einem Labor angebauten Edelsteinen - Rubin-Laserstäbe

Kurz nachdem die Idee des Lasers vorgeschlagen wurde, wurden Rubine zum ersten Mal verwendet, um den weltweit ersten Laser herzustellen.und ungefähr 0Cr3+ ersetzt die Position von Al3+ im Kristall und gehört optisch zu einem negativen einsachsigen Kristall.5 cm bis 2 cm Durchmesser und 4 cm bis 16 cm LängeEs kann je nach Cr-Dopingkonzentration des Stäbens wie eine sehr hellrosa Glasstange oder eine sehr tiefrötlich-braune Farbe erscheinen.Unter der Bestrahlung einer Xe (Xenon) -Lampe, die Elektronen, die ursprünglich im Grundzustand E1 im Rubinkristall waren, absorbieren die von der Xe-Lampe emittierten Photonen und werden auf das Energieniveau E3 erregt.

Die durchschnittliche Lebensdauer von Partikeln auf der Energieebene E3 ist sehr kurz (ca. 10-9 Sekunden).Die Lebensdauer von Elektronen auf der Energieebene E2 ist sehr langEine große Anzahl von Partikeln akkumuliert sich daher auf der Energieebene E2, was eine Partikelzahl-Inversion zwischen E2 und E1 bildet.Der Kristall hat eine Verstärkungseffekt auf Photonen mit einer Frequenz ν, die hν=E2 - E1 erfülltWenn die Verstärkung G groß genug ist, um die Schwellenbedingungen zu erfüllen, gibt es an einigen Spiegelenden eine Laserausgabe von 694,3 nm.

Obwohl die Effizienz des Rubinlasers nicht hoch ist, nur 0,1%, und es erzeugt dunkelrotes Licht von 694,3 nm, aufgrund seiner extrem einfachen und repräsentativen Struktur,die mit der Struktur des derzeit am weitesten verbreiteten YAG-Lasers übereinstimmtDie Rubinstange, so dick wie ein Stift und so lang wie ein Finger, wird mit einerSie können leicht durch das Eisenblatt durchdringen und sich von der Mondoberfläche reflektieren lassen, um erkannt zu werden.Diese Laser wurden vor der Erfindung der viel effizienteren YAG-Laserstaben (1% bis 3%), weit verbreitet in Laserschneidmaschinen und Bohrmaschinen eingesetzt.und viele militärische nicht-tödliche Waffen auch kleinere Rubinstäbe angenommen.

Der Einzelkristall Rubin hat hohe Festigkeit, große Härte,hohe Verschleißfestigkeit, ausgezeichnetWärmeleitfähigkeit, geringer Expansionskoeffizient, hervorragende thermische Stabilität, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe dielektrische Eigenschaften.Es hat eine hohe Durchlässigkeit in einem breiten Spektralbereich (250-5500 nm)Es wird in der Produktion von Hochleistungslaserfenstern, Infrarotfenstern und Multiespektralfenstern verschiedener Formen und Spezifikationen eingesetzt.sowie in High-Tech-Feldern wie Raketenkapseln, lichttransmittierende Spiegel, optische Linsen und medizinisch-chirurgische Klingen.

Die Geburt des Rubinlasers

Der Rubinlaser wurde 1960 in den Hughes Research Laboratories in den Vereinigten Staaten geboren.Wo der Physiker Theodore Maiman Forschungen zur Verstärkung der Mikrowellenstrahlung durch stimulierte Emission durchführteZu dieser Zeit hatten die Wissenschaftler bereits ein gewisses Verständnis für die atomaren Energieniveaus und die Prinzipien der stimulierten Emission.Die Anwendung dieser Theorien auf den optischen Frequenzbereich, um eine Lichtquelle mit hoher Intensität und Kohärenz zu erreichen, blieb eine große Herausforderung..

Maiman richtete seine Aufmerksamkeit auf Rubinkristalle.Seine einzigartige Kristallstruktur und die Eigenschaften des Energieniveaus machten ihn zu einem idealen Kandidaten für die Erzeugung von Laserlicht.Maiman beschichtete die beiden Enden einer Rubinstange mit Silber, um in einer resonierenden optischen Höhle als Spiegel zu dienen.

Wenn die Taschenlampe ein starkes Licht ausstrahlte, absorbierten die Chrom-Ionen im Rubin die Energie und wechselten vom Grundzustand in einen aufgeregten Zustand.,Sie begannen eine stimulierte Emission zu erfahren, die rote Photonen mit einer Wellenlänge von 694,3 Nanometern freisetzte.Stimulation zusätzlicher Chrom-Ionen zur Emission identischer PhotonenDiese Kettenreaktion erzeugte einen leistungsstarken, hochrichtungsorientierten und kohärenten Laserstrahl.

Auf diese Weise entstand der weltweit erste Rubinlaser, dessen leuchtend roter Strahl die Dunkelheit durchdrang, wie ein Beginn neuer technologischer Versprechungen, was das Zeitalter des Lasers einleitete.

Das Funktionsprinzip des Lasers

Aus der Quantenmechanik ist bekannt, dass die Energie eines Atoms, das auf Elektronen außerhalb des Kerns basiert, diskontinu ist und in einzelne Energieniveaus unterteilt ist.,Wenn ein Photon (ein Lichtstrahl) mit entsprechender Energie auf ein Atom in einem erregtem Zustand ausgestrahlt wird,Das Atom wird auf sein niedrigeres Energieniveau sinken und ein zweites Photon emittieren, genau das gleiche wie das erste..
 

Im Laser werden seltene Erdenpartikel (Gain Substanzen) zwischen zwei Spiegeln platziert.Die durch stimulierte Strahlung erzeugten Photonen verbreiten sich zwischen den Spiegeln und wirken als stimulierte Strahlungsquellen, um neue Photonen zu erzeugen.Auf diese Weise kann ein Laser kontinuierlich produziert werden. und basierend darauf, die Photonen, die durch den Laser produziert werden, sind alle gleich, mit der gleichen Energie, Richtung und Phase.

Die tiefgreifende Wirkung des Rubinlasers

Die Entstehung des Rubinlasers verursachte Schockwellen in den Wissenschafts- und Technologiegemeinschaften und lieferte beispiellose Instrumente für die Forschung in Bereichen wie Physik, Chemie und Biologie.Die Fähigkeit des Lasers, hohe Energie zu erzeugen, stark fokussierte Balken revolutionierten industrielle Prozesse wie Schneiden, Schweißen und Bohren, wodurch die Effizienz und Präzision drastisch verbessert wurden.

Im medizinischen Bereich ist die Laserchirurgie zu einer gängigen Praxis geworden, insbesondere in der Ophthalmologie und kosmetischen Verfahren, da sie Patienten ein geringeres Trauma und eine schnellere Genesung bietet.Die hohe Frequenz und Bandbreite von Laserlicht legte den Grundstein für die Glasfasertechnologie, ermöglicht eine schnellere und weitergehende Übertragung von Informationen und bringt das Konzept eines "globalen Dorfes" näher an die Realität.

Im militärischen Bereich hat sich die Entwicklung von Laserwaffen zu einem Schwerpunkt für viele Nationen entwickelt.und ihre Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen deuten darauf hin, dass sie eine zentrale Rolle in zukünftigen Kriegen spielen könnten..

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