Как да създадем лазерен лъч

Използвайки силата на светлината чрез лазери, можете да използвате лазери за различни цели и да ги разберете по-добре, като изучавате основната физика и химия, която ги кара да работят.

Обикновено лазерът се произвежда от лазерен материал, бил той твърд, течен или газов, който излъчва лъчение под формата на светлина. Като съкращение от „усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на лъчение“, методът на стимулирани излъчвания показва как лазерите се различават от другите източници на електромагнитно излъчване. Знаейки как тези честоти на светлината се появяват, може да ви позволи да използвате потенциала им за различни цели.

Лазерите могат да бъдат определени като устройство, което активира електроните, за да излъчват електромагнитно излъчване. Тази лазерна дефиниция означава, че радиацията може да приеме всякакъв вид на електромагнитния спектър, от радиовълни до гама лъчи.

Обикновено светлината на лазерите се движи по тесен път, но са възможни и лазери с широк спектър от излъчвани вълни. Чрез тези понятия за лазери можете да ги мислите като вълни точно като океански вълни на морския бряг.

Учените са описали лазерите по отношение на тяхната кохерентност, характеристика, която описва дали фазовата разлика между два сигнала е в стъпка и те имат еднаква честота и форма на вълната. Ако си представите лазерите като вълни с върхове, долини и корита, фазовата разлика ще бъде как много една вълна не е съвсем синхронизирана с друга или колко отдалечени биха били двете вълни припокриващи се.

Честотата на светлината е колко пикови вълни преминават през дадена точка за секунда, а дължината на вълната е цялата дължина на една вълна от корито до коритото или от пика до пика.

Фотоните, отделни квантови частици енергия, изграждат електромагнитното излъчване на лазер. Тези квантувани пакети означават, че светлината на лазера винаги има енергия, кратна на енергията на a единичен фотон и че той идва в тези квантови "пакети". Това е, което прави електромагнитните вълни подобни на частици.

Много видове устройства излъчват лазери, като оптични кухини. Това са камери, които отразяват светлината от материал, който излъчва електромагнитно излъчване обратно към себе си. Те обикновено са направени от две огледала, по едно от всеки край на материала, така че когато отразяват светлината, лъчите светлина стават по-силни. Тези усилени сигнали излизат през прозрачна леща в края на лазерната кухина.

Когато в присъствието на енергиен източник, като външна батерия, която подава ток, материалът, който излъчва електромагнитно излъчване, излъчва светлината на лазера при различни енергийни състояния. Тези енергийни нива или квантовите нива зависят от самия източник. По-високите енергийни състояния на електроните в материала са по-склонни да бъдат нестабилни или във възбудени състояния и лазерът ще ги излъчва чрез своята светлина.

За разлика от други светлини, като например светлината от фенерче, лазерите отдават светлина на периодични стъпки със себе си. Това означава, че гребенът и коритото на всяка вълна от лазер се изравняват с тези на вълните, които идват преди и след, правейки светлината им кохерентна.

Лазерите са проектирани по такъв начин, че да излъчват светлина на определени честоти от електромагнитния спектър. В много случаи тази светлина приема формата на тесни, дискретни лъчи, които лазерите излъчват с точни честоти, но някои лазери излъчват широки, непрекъснати светлинни диапазони.

Една от характеристиките на лазера, захранван от външен източник на енергия, която може да възникне, е инверсия на населението. Това е форма на стимулирано излъчване и се случва, когато броят на частиците в възбудено състояние надвишава броя на енергиите в по-ниско ниво.

Когато лазерът постигне инверсия на населението, количеството на това стимулирано излъчване, което светлината може да създаде, ще бъде по-голямо от количеството абсорбция от огледалата. Това създава оптичен усилвател и ако поставите такъв в резонансна оптична кухина, сте създали лазерен осцилатор.

Тези методи за възбуждане и излъчване на електрони формират основата за това, че лазерите са източник на енергия, лазерен принцип, който се среща в много приложения. Квантованите нива, които електроните могат да заемат, варират от нискоенергийни, които не изискват много енергия, за да се отделят, и високоенергийни частици, които остават близо и плътно до ядрото. Когато електронът се освобождава поради атомите, които се сблъскват помежду си в правилната ориентация и енергийно ниво, това е спонтанно излъчване.

Когато възникне спонтанно излъчване, фотонът, излъчен от атома, има произволна фаза и посока. Това е така, защото Принципът на несигурност пречи на учените да знаят както позицията, така и инерцията на частицата с перфектна точност. Колкото повече знаете за позицията на частицата, толкова по-малко знаете за нейния импулс и обратно.

Можете да изчислите енергията на тези емисии, като използвате уравнението на Планк

за енергияЕв джаули, честотаνна електрона в s^-1 и константата на Планкз​ = ​6.63 × 10^-34 м² kg / s.Енергията, която фотонът има, когато се излъчва от атом, също може да бъде изчислена като промяна в енергията. За да намерите свързаната честота с тази промяна в енергията, изчислетеνизползвайки енергийните стойности на тази емисия.

Предвид широкия спектър на употреба на лазерите, лазерите могат да бъдат категоризирани въз основа на предназначението, вида на светлината или дори материалите на самите лазери. Измислянето на начин за категоризирането им трябва да отчита всички тези размери на лазерите. Един от начините за групирането им е по дължината на вълната на светлината, която използват.

Дължината на вълната на лазерното електромагнитно излъчване определя честотата и силата на енергията, която те използват. По-голямата дължина на вълната корелира с по-малко количество енергия и по-малка честота. За разлика от това, по-голямата честота на лъча светлина означава, че има повече енергия.

Можете също така да групирате лазери по естеството на лазерния материал. Твърдотелните лазери използват твърда матрица от атоми като неодим, използван в кристалния итриев алуминиев гранат, в който се намират неодимовите йони за тези видове лазери. Газовите лазери използват смес от газове в тръба като хелий и неон, които създават червен цвят. Лазерите за боядисване са създадени от органични багрилни материали в течни разтвори или суспензии

Лазерите за боядисване използват лазерна среда, която обикновено е сложна органична боя в течен разтвор или суспензия. Полупроводниковите лазери използват два слоя полупроводникови материали, които могат да бъдат вградени в по-големи масиви. Полупроводниците са материали, които провеждат електричество, използвайки силата между силата на изолатора и проводника които използват малки количества примеси или химикали, въведени поради въведени химикали или промени в температура.

За всички различни приложения, всички лазери използват тези два компонента на източник на светлина под формата на твърдо вещество, течност или газ, които отделят електрони и нещо, което да стимулира този източник. Това може да бъде друг лазер или спонтанно излъчване на самия лазерен материал.

Някои лазери използват помпени системи, методи за увеличаване на енергията на частиците в лазерната среда, които им позволяват да достигнат своите възбудени състояния, за да направят инверсия на населението. Газова светкавична лампа може да се използва при оптично изпомпване, което носи енергия към лазерния материал. В случаите, когато енергията на лазерния материал разчита на сблъсъци на атомите в материала, системата се нарича изпомпване на сблъсък.

Компонентите на лазерния лъч също се различават по това колко време им отнема да доставят енергия. Лазерите с непрекъсната вълна използват стабилна средна мощност на лъча. При системите с по-голяма мощност обикновено можете да регулирате мощността, но при газови лазери с по-ниска мощност като хелий-неоновите лазери нивото на мощност се фиксира въз основа на съдържанието на газа.

Хелий-неоновият лазер е първата система с непрекъснати вълни и е известно, че излъчва червена светлина. В исторически план те използваха радиочестотни сигнали, за да възбудят своя материал, но в наши дни използват малък разряд с постоянен ток между електродите в тръбата на лазера.

Когато електроните в хелия се възбуждат, те отдават енергия на неоновите атоми чрез сблъсъци, които създават инверсия на населението сред неоновите атоми. Хелий-неоновият лазер също може да функционира стабилно при високи честоти. Използва се при подравняване на тръбопроводи, геодезия и при рентгенови лъчи.

Три благородни газа, аргон, криптон и ксенон, са показали употреба в лазерни приложения на десетки лазерни честоти, които обхващат ултравиолетовите до инфрачервените лъчи. Можете също така да смесвате тези три газа помежду си, за да генерирате специфични честоти и емисии. Тези газове в техните йонни форми позволяват на електроните им да се възбудят, като се сблъскат един в друг, докато постигнат инверсия на населението.

Много дизайни на този вид лазери ще ви позволят да изберете определена дължина на вълната, която кухината да излъчва, за да постигнете желаните честоти. Манипулирането на двойката огледала в кухината може също да ви позволи да изолирате единични честоти на светлината. Трите газа, аргон, криптон и ксенон, ви позволяват да избирате измежду много комбинации от светлинни честоти.

Тези лазери произвеждат изходи, които са силно стабилни и не генерират много топлина. Тези лазери показват същите химични и физични принципи, които се използват във фаровете, както и при ярки електрически лампи като стробоскопи.

Лазерите с въглероден диоксид са най-ефективните и ефективни от лазерите с непрекъсната вълна. Те функционират с помощта на електрически ток в плазмена тръба, която има газ от въглероден диоксид. Електронните сблъсъци възбуждат тези газови молекули, които след това отделят енергия. Можете също да добавите азот, хелий, ксенон, въглероден диоксид и вода, за да произведете различни лазерни честоти.

Когато разглеждате видовете лазери, които могат да се използват в различни области, можете да определите кой може да създаде големи количества енергия тъй като те имат висока степен на ефективност, така че да използват значителна част от енергията, която им се дава, без да оставят много да отидат отпадъци. Докато хелий-неоновите лазери имат степен на ефективност по-малка от .1%, скоростта на лазерите с въглероден диоксид е около 30%, 300 пъти по-голяма от тази на хелий-неоновите лазери. Въпреки това, лазерите с въглероден диоксид се нуждаят от специално покритие, за разлика от хелий-неоновите лазери, за да отразяват или предават техните подходящи честоти.

Ексимерните лазери използват ултравиолетова (UV) светлина, която при първото изобретение през 1975 г. се опитва да създаде фокусиран лъч от лазери за прецизност в микрохирургията и индустриалната микролитография. Името им идва от термина „възбуден димер“, при който димерът е продукт на газови комбинации, които са електрически вълнува се от конфигурация на енергийно ниво, която създава специфични честоти на светлината в UV обхвата на електромагнитния спектър.

Тези лазери използват реактивни газове като хлор и флуор заедно с количества благородни газове аргон, криптон и ксенон. Лекарите и изследователите все още проучват тяхната употреба в хирургичните приложения, като се има предвид колко мощни и ефективни могат да бъдат използвани за лазерни приложения за очна хирургия. Ексимерните лазери не генерират топлина в роговицата, но тяхната енергия може да разруши междумолекулните връзки роговична тъкан в процес, наречен "фотоаблативно разлагане", без да причинява ненужно увреждане на око.