Sådan oprettes en laserstråle

Ved at udnytte lysets kraft gennem lasere kan du bruge lasere til en række formål og forstå dem bedre ved at studere den underliggende fysik og kemi, der får dem til at fungere.

Generelt produceres en laser af et lasermateriale, det være sig fast, væske eller gas, der afgiver stråling i form af lys. Som akronym for "lysforstærkning ved stimuleret strålingsemission" viser metoden for stimuleret emission, hvordan lasere adskiller sig fra andre kilder til elektromagnetisk stråling. At vide, hvordan disse lysfrekvenser opstår, kan lade dig udnytte deres potentiale til forskellige anvendelser.

Lasere kan defineres som en enhed, der aktiverer elektroner til at udsende elektromagnetisk stråling. Denne laserdefinition betyder, at stråling kan have form af enhver art på det elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger til gammastråler.

Generelt bevæger lasers lys sig langs en smal sti, men lasere med en bred vifte af udsendte bølger er også mulige. Gennem disse forestillinger om lasere kan du tænke på dem som bølger ligesom havbølger på kysten.

Forskere har beskrevet lasere med hensyn til deres sammenhæng, en funktion, der beskriver, om faseforskellen mellem to signaler er i trin, og at de har samme frekvens og bølgeform. Hvis du forestiller dig lasere som bølger med toppe, dale og trug, ville faseforskellen være hvordan meget en bølge er ikke helt synkroniseret med en anden, eller hvor langt fra hinanden de to bølger ville være fra overlappende.

Frekvensen af ​​lys er, hvor mange bølgetoppe, der passerer gennem et givet punkt på et sekund, og bølgelængden er hele længden af ​​en enkelt bølge fra trug til trug eller fra top til top.

Fotoner, individer kvantepartikler af energi, udgør den laserens elektromagnetiske stråling. Disse kvantiserede pakker betyder, at lyset fra en laser altid har energien som et multiplum af energien i en enkelt foton og at det kommer i disse kvante "pakker". Dette er hvad der skaber elektromagnetiske bølger partikellignende.

Mange typer enheder udsender lasere, såsom optiske hulrum. Dette er kamre, der reflekterer lyset fra et materiale, der udsender elektromagnetisk stråling tilbage til sig selv. De er generelt lavet af to spejle, den ene i hver ende af materialet, så lysstrålene bliver stærkere, når de reflekterer lys. Disse forstærkede signaler går ud gennem en gennemsigtig linse i enden af ​​laserhulen.

Når det er i nærværelse af en energikilde, såsom et eksternt batteri, der leverer strøm, udsender materialet, der udsender elektromagnetisk stråling, laserens lys i forskellige energitilstande. Disse energiniveauer eller kvanteniveauer afhænger af selve kildematerialet. Højere energitilstande for elektroner i materialet er mere tilbøjelige til at være ustabile eller i ophidsede tilstande, og laseren udsender disse gennem sit lys.

I modsætning til andre lys, såsom lyset fra en lommelygte, afgiver lasere lys i periodiske trin med sig selv. Det betyder toppen og truget for hver bølge af en laser er i linje med bølgerne, der kommer før og efter, hvilket gør deres lys sammenhængende.

Lasere er designet på denne måde, så de afgiver lys fra specifikke frekvenser i det elektromagnetiske spektrum. I mange tilfælde tager dette lys form af smalle, diskrete stråler, som laserne udsender ved præcise frekvenser, men nogle lasere afgiver brede, kontinuerlige lysintervaller.

Et træk ved en laser, der drives af en ekstern energikilde, der kan forekomme, er en befolkningsinversion. Dette er en form for stimuleret emission, og den opstår, når antallet af antallet af partikler i en ophidset tilstand overstiger dem i en lavere energitilstand.

Når laseren opnår populationsinversion, vil mængden af ​​denne stimulerede emission, som lys kan skabe, være større end mængden af ​​absorption fra spejle. Dette skaber en optisk forstærker, og hvis du placerer en i et resonant optisk hulrum, har du oprettet en laseroscillator.

Disse metoder til spændende og udsendende elektroner danner grundlaget for, at lasere er en energikilde, et laserprincip, der findes i mange anvendelser. De kvantiserede niveauer, som elektroner kan optage, spænder fra lavenergi niveauer, der ikke kræver meget energi for at blive frigivet, og højenergipartikler, der forbliver tæt og tæt på kernen. Når elektronen frigøres på grund af atomerne kolliderer med hinanden i den rigtige orientering og energiniveau, er dette spontan emission.

Når spontan emission opstår, har fotonet, der udsendes af atomet, en tilfældig fase og retning. Dette skyldes, at usikkerhedsprincippet forhindrer forskere i at kende både en partikels position og momentum med perfekt præcision. Jo mere du kender en partikels position, jo mindre kender du dens momentum og omvendt.

Du kan beregne energien af ​​disse emissioner ved hjælp af Planck-ligningen

for en energiEi joule, frekvensνaf elektronen i s^-1 og Planck er konstanth​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Den energi, som en foton har, når den udsendes fra et atom, kan også beregnes som en ændring i energi. For at finde den tilknyttede frekvens med denne ændring i energi skal du beregneνved hjælp af energiværdierne for denne emission.

I betragtning af den brede vifte af anvendelser til lasere kan lasere kategoriseres ud fra formål, lystype eller endda selve lasermaterialerne. At komme op med en måde at kategorisere dem på skal tage højde for alle disse dimensioner af lasere. En måde at gruppere dem på er bølgelængden af ​​lys, de bruger.

Bølgelængden af ​​en lasers elektromagnetiske stråling bestemmer frekvensen og styrken af ​​den energi, de bruger. En større bølgelængde korrelerer med en mindre mængde energi og en mindre frekvens. I modsætning hertil betyder en større frekvens af en lysstråle, at den har mere energi.

Du kan også gruppere lasere efter lasermaterialets art. Solid state-lasere bruger en fast matrix af atomer såsom neodym anvendt i krystal Yttrium Aluminium Granat, der huser neodym ioner til disse typer laser. Gaslasere bruger en blanding af gasser i et rør som helium og neon, der skaber en rød farve. Farvelasere er skabt af organiske farvestofmaterialer i flydende opløsninger eller suspensioner

Farvelasere bruger et lasermedium, der normalt er et komplekst organisk farvestof i flydende opløsning eller suspension. Halvlederlasere bruger to lag halvledermateriale, der kan bygges ind i større arrays. Halvledere er materialer, der leder elektricitet ved hjælp af styrken mellem en isolator og en leder der bruger små mængder urenheder eller indført kemikalie på grund af indførte kemikalier eller ændringer i temperatur.

Til alle deres forskellige anvendelser bruger alle lasere disse to komponenter af en lyskilde i form af fast stof, væske eller gas, der afgiver elektroner og noget, der stimulerer denne kilde. Dette kan være en anden laser eller den spontane emission af selve lasermaterialet.

Nogle lasere bruger pumpesystemer, metoder til at øge partiklenes energi i lasermediet, der lader dem nå deres ophidsede tilstande for at gøre befolkningsinversion. En gasblitzlampe kan bruges til optisk pumpning, der fører energi til lasermaterialet. I tilfælde, hvor lasermaterialets energi er afhængig af kollisioner mellem atomerne i materialet, kaldes systemet kollisionspumpe.

Komponenterne i en laserstråle varierer også i, hvor lang tid det tager at levere energi. Kontinuerlige bølgelasere bruger en stabil gennemsnitlig stråleeffekt. Med højere effektsystemer kan du generelt justere strømmen, men med gaseffektlasere med lavere effekt som heliumneonlasere er effektniveauet fast baseret på gasens indhold.

Helium-neon-laseren var det første kontinuerlige bølgesystem og er kendt for at afgive et rødt lys. Historisk brugte de radiofrekvenssignaler til at excitere deres materiale, men i dag bruger de en lille jævnstrømsafladning mellem elektroderne i laserrøret.

Når elektronerne i helium er ophidsede, afgiver de energi til neonatomer gennem kollisioner, der skaber en populationsinversion blandt neonatomer. Helium-neon-laseren kan også fungere på en stabil måde ved høje frekvenser. Det bruges til at justere rørledninger, opmåling og i røntgenstråler.

Tre ædelgasser, argon, krypton og xenon, har vist anvendelse i laserapplikationer på tværs af snesevis af laserfrekvenser, der spænder over ultraviolet til infrarødt. Du kan også blande disse tre gasser med hinanden for at producere specifikke frekvenser og emissioner. Disse gasser i deres ionformer lader deres elektroner blive ophidsede ved at kollidere mod hinanden, indtil de opnår befolkningsinversion.

Mange designs af denne slags lasere giver dig mulighed for at vælge en bestemt bølgelængde, som hulrummet skal udsende for at opnå de ønskede frekvenser. Manipulering af parret af spejle i hulrummet kan også lade dig isolere enkeltfrekvenser af lys. De tre gasser, argon, krypton og xenon, giver dig mulighed for at vælge mellem mange kombinationer af lysfrekvenser.

Disse lasere producerer output, der er meget stabile og ikke genererer meget varme. Disse lasere viser de samme kemiske og fysiske principper, der bruges i fyrtårne ​​såvel som lyse, elektriske lamper som stroboskoper.

Kuldioxidlasere er de mest effektive og effektive af kontinuerlige bølgelasere. De fungerer ved hjælp af en elektrisk strøm i et plasmarør, der har kuldioxidgas. Elektronkollisionerne ophidser disse gasmolekyler, som derefter afgiver energi. Du kan også tilføje nitrogen, helium, xenon, kuldioxid og vand for at producere forskellige laserfrekvenser.

Når du ser på de typer laser, der kan bruges i forskellige områder, kan du bestemme, hvilke der kan skabe store mængder strøm fordi de har en høj effektivitetsgrad, således at de bruger en betydelig del af den energi, de får uden at lade meget gå til spild. Mens helium-neonlasere har en effektivitetsgrad på mindre end, 1%, er hastigheden for kuldioxidlasere ca. 30 procent, 300 gange den for heliumneonlasere. På trods af dette har kuldioxidlasere brug for speciel belægning i modsætning til heliumneonlasere for at reflektere eller transmittere deres passende frekvenser.

Excimer-lasere bruger ultraviolet (UV) lys, der, da de blev opfundet i 1975, forsøgte at skabe en fokuseret laserstråle til præcision inden for mikrokirurgi og industriel mikrolitografi. Deres navn kommer fra udtrykket "ophidset dimer", hvor en dimer er et produkt af gaskombinationer, der er elektrisk begejstret med en energiniveaukonfiguration, der skaber specifikke frekvenser af lys i UV-området for det elektromagnetiske spektrum.

Disse lasere bruger reaktive gasser som klor og fluor sammen med mængder af ædelgasser argon, krypton og xenon. Læger og forskere undersøger stadig deres anvendelser i kirurgiske applikationer i betragtning af hvor kraftige og effektive de kan bruges til øjenoperation laser applikationer. Excimer-lasere genererer ikke varme i hornhinden, men deres energi kan bryde intermolekylære bindinger ind hornhindevæv i en proces kaldet "fotoablativ nedbrydning" uden at forårsage unødvendig skade på øje.