Jak vytvořit laserový paprsek

Využitím síly světla pomocí laserů můžete lasery používat k nejrůznějším účelům a lépe jim porozumět studiem základní fyziky a chemie, díky nimž fungují.

Laser je obecně produkován laserovým materiálem, ať už pevným, kapalným nebo plynným, který vydává záření ve formě světla. Jako zkratka pro „zesílení světla stimulovanou emisí záření“ ukazuje metoda stimulovaných emisí, jak se lasery liší od ostatních zdrojů elektromagnetického záření. Když víte, jak tyto frekvence světla vycházejí, můžete využít jejich potenciál pro různá použití.

Lasery lze definovat jako zařízení, které aktivuje elektrony k vyzařování elektromagnetického záření. Tato laserová definice znamená, že záření může mít na elektromagnetickém spektru jakoukoli formu, od rádiových vln po paprsky gama.

Světlo laserů obecně prochází úzkou cestou, ale jsou možné i lasery se širokou škálou emitovaných vln. Prostřednictvím těchto představ o laseru si o nich můžete myslet jako o vlnách, stejně jako o vlnách oceánu na pobřeží.

Vědci popsali lasery z hlediska jejich koherence, což je vlastnost, která popisuje, zda je fázový rozdíl mezi dvěma signály v kroku a zda mají stejnou frekvenci a tvar vlny. Pokud si představíte lasery jako vlny s vrcholy, údolími a žlaby, fázový rozdíl by byl jak hodně jedné vlny není úplně synchronizováno s druhou nebo jak daleko od sebe budou dvě vlny překrývající se.

Frekvence světla je to, kolik vlnových špiček prochází daným bodem za sekundu, a vlnová délka je celá délka jedné vlny od žlabu k žlabu nebo od špičky k vrcholu.

Fotony, jednotlivci, kvantové částice energie, tvoří elektromagnetické záření laseru. Tyto kvantované pakety znamenají, že světlo laseru má vždy energii jako násobek energie a jediný foton a že přichází v těchto kvantových „paketech“. To je to, co vytváří elektromagnetické vlny částicovitý.

Mnoho typů zařízení vyzařuje lasery, například optické dutiny. Jedná se o komory, které odrážejí světlo z materiálu, který vyzařuje elektromagnetické záření zpět na sebe. Obecně jsou vyrobeny ze dvou zrcadel, jednoho na každém konci materiálu, takže když odrážejí světlo, paprsky světla zesílí. Tyto zesílené signály vystupují přes průhlednou čočku na konci laserové dutiny.

V přítomnosti zdroje energie, jako je externí baterie dodávající proud, vyzařuje materiál emitující elektromagnetické záření světlo laseru v různých energetických stavech. Tyto energetické úrovně nebo kvantové úrovně závisí na samotném zdrojovém materiálu. Vyšší energetické stavy elektronů v materiálu jsou pravděpodobněji nestabilní nebo v excitovaných stavech a laser je bude vyzařovat prostřednictvím svého světla.

Na rozdíl od jiných světel, jako je světlo z baterky, lasery vydávají světlo v pravidelných krocích samy se sebou. To znamená vrchol a koryto každé vlny laserové linie s vlnami, které přicházejí před a po, čímž je jejich světlo koherentní.

Lasery jsou navrženy tak, aby vydávaly světlo specifických frekvencí elektromagnetického spektra. V mnoha případech má toto světlo podobu úzkých, diskrétních paprsků, které lasery vyzařují na přesných frekvencích, ale některé lasery vydávají široký, souvislý rozsah světla.

Jednou z vlastností laseru napájeného externím zdrojem energie, který může nastat, je inverze populace. Jedná se o formu stimulované emise a nastává, když počet částic ve vzrušeném stavu převyšuje počet částic ve stavu nižší úrovně energie.

Když laser dosáhne populační inverze, bude množství této stimulované emise, které může světlo vytvářet, větší než množství absorpce ze zrcadel. Tím se vytvoří optický zesilovač a pokud jeden umístíte do rezonanční optické dutiny, vytvořili jste laserový oscilátor.

Tyto metody vzrušujících a emitujících elektronů tvoří základ pro to, aby lasery byly zdrojem energie, což je princip laseru, který se nachází v mnoha použitích. Kvantované úrovně, které mohou elektrony obsadit, se pohybují od nízkoenergetických, které nevyžadují uvolnění většího množství energie, a od vysokoenergetických částic, které zůstávají blízko a těsně u jádra. Když se elektron uvolní kvůli srážkám atomů mezi sebou ve správné orientaci a energetické úrovni, je to spontánní emise.

Když dojde k spontánní emisi, foton emitovaný atomem má náhodnou fázi a směr. Důvodem je, že princip neurčitosti brání vědcům ve znalosti polohy a hybnosti částice s dokonalou přesností. Čím více víte o poloze částice, tím méně víte o její hybnosti a naopak.

Energii těchto emisí můžete vypočítat pomocí Planckovy rovnice

za energiiEv joulech, frekvenceνelektronu v s^-1 a Planckova konstantah​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energii, kterou má foton, když je emitován z atomu, lze také vypočítat jako změnu energie. Chcete-li najít související frekvenci s touto změnou energie, vypočítejteνpomocí energetických hodnot této emise.

Vzhledem k široké škále použití laserů lze lasery kategorizovat podle účelu, typu světla nebo dokonce podle materiálů samotných laserů. Přijetí způsobu, jak je kategorizovat, musí zohledňovat všechny tyto dimenze laserů. Jedním ze způsobů jejich seskupení je vlnová délka světla, kterou používají.

Vlnová délka elektromagnetického záření laseru určuje frekvenci a sílu energie, kterou používají. Větší vlnová délka koreluje s menším množstvím energie a menší frekvencí. Naproti tomu větší frekvence paprsku světla znamená, že má více energie.

Lasery můžete také seskupovat podle povahy laserového materiálu. Lasery v pevné fázi používají pevnou matici atomů, jako je neodym, používaný v krystalickém hliníkovém granátu Yttrium, který obsahuje neodymové ionty pro tyto typy laserů. Plynové lasery používají směs plynů v trubici, jako je helium a neon, které vytvářejí červenou barvu. Barvicí lasery jsou vytvářeny organickými barvivovými materiály v kapalných roztocích nebo suspenzích

Lasery na barvení používají laserové médium, kterým je obvykle komplexní organické barvivo v kapalném roztoku nebo suspenzi. Polovodičové lasery používají dvě vrstvy polovodičového materiálu, které lze zabudovat do větších polí. Polovodiče jsou materiály, které vedou elektřinu pomocí síly mezi izolantem a vodičem které používají malé množství nečistot nebo zavedené chemikálie kvůli zavedeným chemikáliím nebo změnám v teplota.

Pro všechna různá použití používají všechny lasery tyto dvě složky zdroje světla ve formě pevné látky, kapaliny nebo plynu, které vydávají elektrony a něco, co tento zdroj stimuluje. Může to být jiný laser nebo spontánní emise samotného laserového materiálu.

Některé lasery používají čerpací systémy, metody zvyšování energie částic v laserovém médiu, které jim umožňují dosáhnout jejich vzrušených stavů k inverzi populace. Při optickém čerpání, které přenáší energii do laserového materiálu, lze použít plynovou výbojku. V případech, kdy se energie laserového materiálu spoléhá na srážky atomů v materiálu, se systém označuje jako srážkové čerpání.

Součásti laserového paprsku se také liší v tom, jak dlouho trvá dodání energie. Lasery s kontinuálními vlnami používají stabilní průměrný výkon paprsku. U systémů s vyšším výkonem můžete obecně upravit výkon, ale u plynových laserů s nižším výkonem, jako jsou helium-neonové lasery, je úroveň výkonu pevně stanovena na základě obsahu plynu.

Hélium-neonový laser byl první kontinuální vlnový systém a je známo, že vydává červené světlo. Historicky k buzení svého materiálu používali vysokofrekvenční signály, ale dnes používají malý výboj stejnosměrného proudu mezi elektrodami v laserové trubici.

Když jsou elektrony v heliu vzrušeny, vydávají energii neonovým atomům prostřednictvím srážek, které vytvářejí populační inverzi mezi neonovými atomy. Hélium-neonový laser může také fungovat stabilně při vysokých frekvencích. Používá se při zarovnávání potrubí, geodetickém měření a rentgenovém záření.

Tři ušlechtilé plyny, argon, krypton a xenon, prokázaly použití v laserových aplikacích napříč desítkami laserových frekvencí, které pokrývají ultrafialové až infračervené záření. Tyto tři plyny můžete také vzájemně smíchat, abyste vytvořili konkrétní frekvence a emise. Tyto plyny ve svých iontových formách nechávají své elektrony vzrušovat srážkami proti sobě, dokud nedosáhnou populační inverze.

Mnoho návrhů těchto druhů laserů vám umožní vybrat určitou vlnovou délku, kterou má dutina vyzařovat, aby se dosáhlo požadovaných frekvencí. Manipulace s dvojicí zrcadel uvnitř dutiny vám také umožní izolovat singulární frekvence světla. Tři plyny, argon, krypton a xenon, vám umožňují vybrat si z mnoha kombinací frekvencí světla.

Tyto lasery produkují výstupy, které jsou vysoce stabilní a negenerují příliš mnoho tepla. Tyto lasery vykazují stejné chemické a fyzikální principy, jaké se používají v majácích, stejně jako jasné elektrické lampy, jako jsou stroboskopy.

Lasery na kysličník uhličitý jsou nejúčinnější a nejúčinnější lasery s kontinuální vlnou. Fungují pomocí elektrického proudu v plazmové trubici, která obsahuje plynný oxid uhličitý. Kolize elektronů vzrušují tyto molekuly plynu, které poté vydávají energii. Můžete také přidat dusík, hélium, xenon, oxid uhličitý a vodu k výrobě různých frekvencí laseru.

Při pohledu na typy laseru, které lze použít v různých oblastech, můžete určit, který z nich může vytvořit velké množství energie protože mají vysokou míru účinnosti, takže používají značnou část energie, která jim byla dána, aniž by toho hodně pustili odpad. Zatímco helium-neonové lasery mají účinnost nižší než 0,1%, rychlost laserů na oxid uhličitý je asi 30 procent, což je 300krát více než u helium-neonových laserů. Navzdory tomu lasery na oxid uhličitý potřebují na rozdíl od helium-neonových laserů speciální vrstvu, aby odrážely nebo vysílaly jejich příslušné frekvence.

Excimerové lasery používají ultrafialové (UV) světlo, které, když bylo poprvé vynalezeno v roce 1975, se pokusilo vytvořit zaostřený paprsek laserů pro přesnost v mikrochirurgii a průmyslové mikrolitografii. Jejich název pochází z výrazu „excitovaný dimer“, ve kterém je dimer produktem kombinací plynů, které jsou elektricky vzrušeni konfigurací energetické úrovně, která vytváří specifické frekvence světla v UV rozsahu elektromagnetického pole spektrum.

Tyto lasery používají reaktivní plyny, jako je chlor a fluor, spolu s množstvím vzácných plynů, argonu, kryptonu a xenonu. Lékaři a vědci stále zkoumají jejich použití v chirurgických aplikacích vzhledem k tomu, jak výkonné a efektivní je lze použít pro laserové aplikace pro oční chirurgii. Excimerové lasery negenerují teplo v rohovce, ale jejich energie může narušit mezimolekulární vazby rohovková tkáň v procesu zvaném "fotoablativní rozklad", aniž by to zbytečně poškodilo oko.