So erstellen Sie einen Laserstrahl

Indem Sie die Kraft des Lichts durch Laser nutzen, können Sie Laser für eine Vielzahl von Zwecken verwenden und sie besser verstehen, indem Sie die zugrunde liegende Physik und Chemie studieren, die sie zum Funktionieren bringt.

Im Allgemeinen wird ein Laser durch ein Lasermaterial, sei es fest, flüssig oder gasförmig, erzeugt, das Strahlung in Form von Licht abgibt. Als Akronym für „Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission“ zeigt die Methode der stimulierten Emission, wie sich Laser von anderen elektromagnetischen Strahlungsquellen unterscheiden. Wenn Sie wissen, wie diese Lichtfrequenzen entstehen, können Sie ihr Potenzial für verschiedene Anwendungen nutzen.

Laser können als ein Gerät definiert werden, das Elektronen aktiviert, um elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Diese Laserdefinition bedeutet, dass Strahlung im elektromagnetischen Spektrum jede Form annehmen kann, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen.

Im Allgemeinen bewegt sich das Licht von Lasern auf einem schmalen Pfad, aber auch Laser mit einem breiten Spektrum an emittierten Wellen sind möglich. Durch diese Begriffe von Lasern können Sie sie sich als Wellen vorstellen, genau wie Meereswellen an der Küste.

Wissenschaftler haben Laser in Bezug auf ihre Kohärenz beschrieben, ein Merkmal, das beschreibt, ob die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen gleich ist und ob sie dieselbe Frequenz und Wellenform haben. Wenn Sie sich Laser als Wellen mit Spitzen, Tälern und Tälern vorstellen, wäre der Phasenunterschied wie viel eine Welle nicht ganz synchron mit einer anderen ist oder wie weit die beiden Wellen voneinander entfernt sind überlappend.

Die Lichtfrequenz gibt an, wie viele Wellenspitzen in einer Sekunde einen bestimmten Punkt durchlaufen, und die Wellenlänge ist die gesamte Länge einer einzelnen Welle von Tal zu Tal oder von Spitze zu Spitze.

Photonen, einzelne Energiequantenteilchen, bilden die elektromagnetische Strahlung eines Lasers. Diese quantisierten Pakete bedeuten, dass das Licht eines Lasers immer die Energie hat, die ein Vielfaches der Energie von a. ist einzelnes Photon und dass es in diesen Quanten-"Paketen" vorkommt. Das macht elektromagnetische Wellen partikelartig.

Viele Arten von Geräten emittieren Laser, wie beispielsweise optische Kavitäten. Dies sind Kammern, die das Licht von einem Material reflektieren, das elektromagnetische Strahlung zu sich selbst emittiert. Sie bestehen im Allgemeinen aus zwei Spiegeln, einem an jedem Ende des Materials, sodass die Lichtstrahlen stärker werden, wenn sie Licht reflektieren. Diese verstärkten Signale treten durch eine transparente Linse am Ende der Laserkavität aus.

Wenn eine Energiequelle vorhanden ist, beispielsweise eine externe Batterie, die Strom liefert, emittiert das Material, das elektromagnetische Strahlung emittiert, das Licht des Lasers in verschiedenen Energiezuständen. Diese Energieniveaus oder Quantenniveaus hängen vom Ausgangsmaterial selbst ab. Höhere Energiezustände von Elektronen im Material sind eher instabil oder in angeregten Zuständen, und der Laser emittiert diese durch sein Licht.

Im Gegensatz zu anderen Lichtern, wie zum Beispiel dem Licht einer Taschenlampe, geben Laser Licht in periodischen Schritten mit sich selbst ab. Das bedeutet, dass die Wellenberge und -tiefs jeder Welle eines Lasers mit denen der Wellen davor und danach ausgerichtet sind, wodurch ihr Licht kohärent wird.

Laser sind so konstruiert, dass sie Licht bestimmter Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums abgeben. In vielen Fällen nimmt dieses Licht die Form schmaler, diskreter Strahlen an, die die Laser mit präzisen Frequenzen emittieren, aber einige Laser geben breite, kontinuierliche Lichtbereiche ab.

Ein mögliches Merkmal eines Lasers, der von einer externen Energiequelle gespeist wird, ist eine Besetzungsinversion. Dies ist eine Form der stimulierten Emission, und sie tritt auf, wenn die Anzahl der Teilchen in einem angeregten Zustand die Anzahl der Teilchen in einem niedrigeren Energiezustand übertrifft.

Wenn der Laser eine Besetzungsinversion erreicht, ist die Menge dieser stimulierten Emission, die Licht erzeugen kann, größer als die Menge der Absorption von den Spiegeln. Dadurch entsteht ein optischer Verstärker, und wenn Sie einen in einem resonanten optischen Hohlraum platzieren, haben Sie einen Laseroszillator erstellt.

Diese Methoden der Anregung und Emission von Elektronen bilden die Grundlage für Laser als Energiequelle, ein Laserprinzip, das in vielen Anwendungen zum Einsatz kommt. Die quantisierten Ebenen, die Elektronen besetzen können, reichen von niederenergetischen, die nicht viel Energie benötigen, um freigesetzt zu werden, bis hin zu hochenergetischen Teilchen, die nahe und dicht am Kern bleiben. Wenn das Elektron aufgrund der Kollision der Atome in der richtigen Ausrichtung und im richtigen Energieniveau freigesetzt wird, handelt es sich um eine spontane Emission.

Bei spontaner Emission hat das vom Atom emittierte Photon eine zufällige Phase und Richtung. Dies liegt daran, dass das Unsicherheitsprinzip Wissenschaftler daran hindert, sowohl die Position als auch den Impuls eines Teilchens mit perfekter Präzision zu kennen. Je mehr Sie über die Position eines Teilchens wissen, desto weniger wissen Sie über seinen Impuls und umgekehrt.

Sie können die Energie dieser Emissionen mit der Planck-Gleichung berechnen

für eine EnergieEin Joule, Frequenzνdes Elektrons in s^-1 und Planck-Konstanteha​ = ​6.63 × 10^-34 ich² kg / s.Die Energie, die ein Photon hat, wenn es von einem Atom emittiert wird, kann auch als Energieänderung berechnet werden. Um die mit dieser Energieänderung verbundene Frequenz zu finden, berechneνunter Verwendung der Energiewerte dieser Emission.

Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums von Lasern können Laser nach Zweck, Lichtart oder sogar den Materialien der Laser selbst kategorisiert werden. Um sie zu kategorisieren, müssen alle diese Dimensionen von Lasern berücksichtigt werden. Eine Möglichkeit, sie zu gruppieren, ist die Wellenlänge des verwendeten Lichts.

Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung eines Lasers bestimmt die Frequenz und Stärke der verwendeten Energie. Eine größere Wellenlänge korreliert mit einer kleineren Energiemenge und einer kleineren Frequenz. Im Gegensatz dazu bedeutet eine höhere Frequenz eines Lichtstrahls, dass er mehr Energie hat.

Sie können Laser auch nach der Art des Lasermaterials gruppieren. Festkörperlaser verwenden eine feste Matrix aus Atomen wie Neodym, die im Kristall Yttrium-Aluminium-Granat verwendet wird, der die Neodym-Ionen für diese Lasertypen enthält. Gaslaser verwenden eine Mischung von Gasen in einer Röhre wie Helium und Neon, die eine rote Farbe erzeugen. Farbstofflaser werden durch organische Farbstoffmaterialien in flüssigen Lösungen oder Suspensionen erzeugt

Farbstofflaser verwenden ein Lasermedium, das normalerweise ein komplexer organischer Farbstoff in flüssiger Lösung oder Suspension ist. Halbleiterlaser verwenden zwei Schichten aus Halbleitermaterial, die in größere Arrays eingebaut werden können. Halbleiter sind Materialien, die Elektrizität mit der Stärke zwischen der eines Isolators und eines Leiters leiten conduct die geringe Mengen an Verunreinigungen oder Chemikalien verwenden, die aufgrund von eingeführten Chemikalien oder Änderungen der Temperatur.

Für alle ihre unterschiedlichen Anwendungen verwenden alle Laser diese beiden Komponenten einer Lichtquelle in Form von Festkörper, Flüssigkeit oder Gas, die Elektronen und etwas abgibt, um diese Quelle zu stimulieren. Dies kann ein anderer Laser sein oder die spontane Emission des Lasermaterials selbst.

Einige Laser verwenden Pumpsysteme, Methoden zur Erhöhung der Energie von Teilchen im Lasermedium, die es ihnen ermöglichen, ihre angeregten Zustände zu erreichen, um eine Populationsinversion zu bewirken. Beim optischen Pumpen kann eine Gasblitzlampe verwendet werden, die Energie zum Lasermaterial transportiert. In Fällen, in denen die Energie des Lasermaterials auf Kollisionen der Atome innerhalb des Materials beruht, wird das System als Kollisionspumpen bezeichnet.

Die Komponenten eines Laserstrahls unterscheiden sich auch darin, wie lange sie brauchen, um Energie zu liefern. Dauerstrichlaser verwenden eine stabile mittlere Strahlleistung. Bei Systemen mit höherer Leistung können Sie im Allgemeinen die Leistung anpassen, aber bei Gaslasern mit geringerer Leistung wie den Helium-Neon-Lasern wird die Leistung basierend auf dem Gasgehalt festgelegt.

Der Helium-Neon-Laser war das erste Dauerstrichsystem und ist dafür bekannt, rotes Licht abzugeben. Früher verwendeten sie Hochfrequenzsignale, um ihr Material anzuregen, aber heute verwenden sie eine kleine Gleichstromentladung zwischen Elektroden in der Röhre des Lasers.

Wenn die Elektronen im Helium angeregt werden, geben sie durch Kollisionen Energie an Neonatome ab, die eine Besetzungsinversion zwischen den Neonatomen erzeugen. Der Helium-Neon-Laser kann auch bei hohen Frequenzen stabil arbeiten. Es wird beim Ausrichten von Rohrleitungen, bei der Vermessung und beim Röntgen verwendet.

Drei Edelgase, Argon, Krypton und Xenon, haben sich in Laseranwendungen bei Dutzenden von Laserfrequenzen im Bereich von Ultraviolett bis Infrarot bewährt. Sie können diese drei Gase auch miteinander mischen, um bestimmte Frequenzen und Emissionen zu erzeugen. Diese Gase in ihrer ionischen Form lassen ihre Elektronen angeregt werden, indem sie gegeneinander kollidieren, bis sie eine Besetzungsinversion erreichen.

Bei vielen Designs dieser Art von Lasern können Sie eine bestimmte Wellenlänge für die Emission des Resonators auswählen, um die gewünschten Frequenzen zu erreichen. Durch die Manipulation des Spiegelpaars innerhalb des Hohlraums können Sie auch einzelne Lichtfrequenzen isolieren. Bei den drei Gasen Argon, Krypton und Xenon können Sie aus vielen Kombinationen von Lichtfrequenzen wählen.

Diese Laser erzeugen Ausgaben, die sehr stabil sind und nicht viel Wärme erzeugen. Diese Laser zeigen dieselben chemischen und physikalischen Prinzipien, die in Leuchttürmen verwendet werden, sowie helle, elektrische Lampen wie Stroboskope.

Kohlendioxidlaser sind die effizientesten und effektivsten Dauerstrichlaser. Sie funktionieren mit elektrischem Strom in einer Plasmaröhre, die Kohlendioxidgas enthält. Die Elektronenstöße regen diese Gasmoleküle an, die dann Energie abgeben. Sie können auch Stickstoff, Helium, Xenon, Kohlendioxid und Wasser hinzufügen, um verschiedene Laserfrequenzen zu erzeugen.

Wenn Sie sich die Lasertypen ansehen, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden können, können Sie feststellen, welche große Leistung erzeugen können weil sie einen hohen Wirkungsgrad haben, so dass sie einen erheblichen Teil der ihnen zugeführten Energie verbrauchen, ohne viel zu verlieren Abfall. Während Helium-Neon-Laser einen Wirkungsgrad von weniger als 0,1 % aufweisen, liegt der Wirkungsgrad bei Kohlendioxid-Lasern bei etwa 30 Prozent, 300 Mal höher als bei Helium-Neon-Lasern. Trotzdem benötigen Kohlendioxidlaser im Gegensatz zu Helium-Neon-Lasern eine spezielle Beschichtung, um ihre entsprechenden Frequenzen zu reflektieren oder zu übertragen.

Excimer-Laser verwenden ultraviolettes (UV) Licht, das bei seiner Erfindung im Jahr 1975 versuchte, einen fokussierten Laserstrahl für Präzision in der Mikrochirurgie und der industriellen Mikrolithographie zu erzeugen. Ihr Name leitet sich von dem Begriff "angeregtes Dimer" ab, bei dem ein Dimer das Produkt von Gaskombinationen ist, die elektrisch sind angeregt mit einer Energieniveaukonfiguration, die spezifische Lichtfrequenzen im UV-Bereich des elektromagnetischen. erzeugt Spektrum.

Diese Laser verwenden reaktive Gase wie Chlor und Fluor neben Mengen der Edelgase Argon, Krypton und Xenon. Ärzte und Forscher untersuchen immer noch ihre Verwendung in chirurgischen Anwendungen, da sie so leistungsstark und effektiv für Laseranwendungen in der Augenchirurgie sein können. Excimer-Laser erzeugen keine Wärme in der Hornhaut, aber ihre Energie kann intermolekulare Bindungen aufbrechen Hornhautgewebe in einem als "photoablativer Abbau" bezeichneten Prozess, ohne das Hornhautgewebe unnötig zu schädigen Auge.