Πώς να δημιουργήσετε μια δέσμη λέιζερ

Αξιοποιώντας τη δύναμη του φωτός μέσω των λέιζερ, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λέιζερ για διάφορους σκοπούς και να τα κατανοήσετε καλύτερα μελετώντας την υποκείμενη φυσική και χημεία που τους κάνει να λειτουργούν.

Γενικά, ένα λέιζερ παράγεται από ένα υλικό λέιζερ, είτε είναι στερεό, υγρό είτε αέριο, που εκπέμπει ακτινοβολία με τη μορφή φωτός. Ως αρκτικόλεξο για την "ενίσχυση φωτός από την διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας", η μέθοδος των διεγερμένων εκπομπών δείχνει πώς τα λέιζερ διαφέρουν από άλλες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Γνωρίζοντας πώς εμφανίζονται αυτές οι συχνότητες φωτός, μπορείτε να αξιοποιήσετε τις δυνατότητές τους για διάφορες χρήσεις.

Τα λέιζερ μπορούν να οριστούν ως μια συσκευή που ενεργοποιεί τα ηλεκτρόνια ώστε να εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτός ο ορισμός λέιζερ σημαίνει ότι η ακτινοβολία μπορεί να λάβει τη μορφή οποιουδήποτε είδους στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, από ραδιοκύματα έως ακτίνες γάμμα.

Γενικά, το φως των λέιζερ ταξιδεύει κατά μήκος ενός στενού μονοπατιού, αλλά είναι δυνατά και τα λέιζερ με ένα ευρύ φάσμα εκπεμπόμενων κυμάτων. Μέσα από αυτές τις έννοιες των λέιζερ, μπορείτε να τα θεωρήσετε ως κύματα όπως τα κύματα των ωκεανών στην παραλία.

Οι επιστήμονες έχουν περιγράψει τα λέιζερ ως προς τη συνοχή τους, ένα χαρακτηριστικό που περιγράφει εάν η διαφορά φάσης μεταξύ δύο σημάτων είναι στο βήμα και έχουν την ίδια συχνότητα και κυματομορφή. Εάν φανταστείτε τα λέιζερ ως κύματα με κορυφές, κοιλάδες και γούρνες, η διαφορά φάσης θα ήταν πώς πολύ ένα κύμα δεν είναι αρκετά συγχρονισμένο με ένα άλλο ή πόσο μακριά θα ήταν τα δύο κύματα επικάλυψη.

Η συχνότητα του φωτός είναι πόσες κορυφές κύματος διέρχονται από ένα δεδομένο σημείο σε ένα δευτερόλεπτο και το μήκος κύματος είναι ολόκληρο το μήκος ενός μόνο κύματος από γούρνα σε γούρνα ή από κορυφή σε κορυφή.

Τα φωτόνια, τα κβαντικά σωματίδια ενέργειας, αποτελούν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ενός λέιζερ. Αυτά τα κβαντικά πακέτα σημαίνουν ότι το φως ενός λέιζερ έχει πάντα την ενέργεια ως πολλαπλάσιο της ενέργειας ενός μονό φωτόνιο και ότι έρχεται σε αυτά τα κβαντικά «πακέτα». Αυτό είναι που κάνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα σωματιδίων.

Πολλοί τύποι συσκευών εκπέμπουν λέιζερ, όπως οπτικές κοιλότητες. Αυτοί είναι θάλαμοι που αντανακλούν το φως από ένα υλικό που εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πίσω στον εαυτό του. Είναι γενικά κατασκευασμένοι από δύο καθρέφτες, ένας σε κάθε άκρο του υλικού έτσι ώστε, όταν αντανακλούν το φως, οι ακτίνες του φωτός να γίνονται πιο δυνατές. Αυτά τα ενισχυμένα σήματα εξέρχονται μέσω ενός διαφανούς φακού στο άκρο της κοιλότητας του λέιζερ.

Όταν υπάρχει πηγή ενέργειας, όπως μια εξωτερική μπαταρία που τροφοδοτεί ρεύμα, το υλικό που εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπει το φως του λέιζερ σε διάφορες ενεργειακές καταστάσεις. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας, ή τα κβαντικά επίπεδα, εξαρτώνται από το ίδιο το αρχικό υλικό. Οι υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις των ηλεκτρονίων στο υλικό είναι πιο πιθανό να είναι ασταθείς ή σε διεγερμένες καταστάσεις και το λέιζερ θα τα εκπέμπει μέσω του φωτός του.

Σε αντίθεση με άλλα φώτα, όπως το φως από έναν φακό, τα λέιζερ εκπέμπουν φως σε περιοδικά βήματα με τον εαυτό του. Αυτό σημαίνει ότι η κορυφή και η κοιλότητα κάθε κύματος λέιζερ ευθυγραμμίζονται με εκείνα των κυμάτων που έρχονται πριν και μετά, καθιστώντας το φως τους συνεκτικό.

Τα λέιζερ έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να εκπέμπουν φως συγκεκριμένων συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σε πολλές περιπτώσεις, αυτό το φως παίρνει τη μορφή στενών, διακριτών δοκών που εκπέμπουν τα λέιζερ σε ακριβείς συχνότητες, αλλά ορισμένα λέιζερ εκπέμπουν ευρείες, συνεχείς περιοχές φωτός.

Ένα χαρακτηριστικό ενός λέιζερ που τροφοδοτείται από μια εξωτερική πηγή ενέργειας που μπορεί να συμβεί είναι μια αντιστροφή πληθυσμού. Αυτή είναι μια μορφή διεγερμένης εκπομπής και συμβαίνει όταν ο αριθμός του αριθμού των σωματιδίων σε μια διεγερμένη κατάσταση ξεπερνά τα αντίστοιχα σε μια κατάσταση ενέργειας χαμηλότερου επιπέδου.

Όταν το λέιζερ επιτύχει αναστροφή πληθυσμού, η ποσότητα αυτής της διεγερμένης εκπομπής που μπορεί να δημιουργήσει το φως θα είναι μεγαλύτερη από την ποσότητα απορρόφησης από τους καθρέπτες. Αυτό δημιουργεί έναν οπτικό ενισχυτή και, εάν το τοποθετήσετε μέσα σε μια συντονισμένη οπτική κοιλότητα, έχετε δημιουργήσει έναν ταλαντωτή λέιζερ.

Αυτές οι μέθοδοι συναρπαστικών και εκπομπών ηλεκτρονίων αποτελούν τη βάση για τα λέιζερ να αποτελούν πηγή ενέργειας, μια αρχή λέιζερ που βρίσκεται σε πολλές χρήσεις. Τα ποσοτικά επίπεδα που μπορούν να καταλάβουν τα ηλεκτρόνια κυμαίνονται από χαμηλής ενέργειας που δεν απαιτούν απελευθέρωση πολλής ενέργειας και σωματίδια υψηλής ενέργειας που παραμένουν κοντά και σφιχτά στον πυρήνα. Όταν το ηλεκτρόνιο απελευθερώνεται λόγω των ατόμων που συγκρούονται μεταξύ τους με τον σωστό προσανατολισμό και το επίπεδο ενέργειας, αυτό είναι αυθόρμητη εκπομπή.

Όταν συμβαίνει αυτόματη εκπομπή, το φωτόνιο που εκπέμπεται από το άτομο έχει τυχαία φάση και κατεύθυνση. Αυτό συμβαίνει επειδή η αρχή της αβεβαιότητας εμποδίζει τους επιστήμονες να γνωρίζουν τόσο τη θέση όσο και την ορμή ενός σωματιδίου με τέλεια ακρίβεια. Όσο περισσότερα γνωρίζετε για τη θέση ενός σωματιδίου, τόσο λιγότερο γνωρίζετε για την ορμή του και το αντίστροφο.

Μπορείτε να υπολογίσετε την ενέργεια αυτών των εκπομπών χρησιμοποιώντας την εξίσωση Planck

για μια ενέργειαμισε joules, συχνότηταντου ηλεκτρονίου σε s^-1 και η σταθερά του Planckη​ = ​6.63 × 10^-34 Μ² kg / δευτ.Η ενέργεια που έχει ένα φωτόνιο όταν εκπέμπεται από ένα άτομο μπορεί επίσης να υπολογιστεί ως αλλαγή στην ενέργεια. Για να βρείτε τη σχετική συχνότητα με αυτήν την αλλαγή ενέργειας, υπολογίστενχρησιμοποιώντας τις ενεργειακές τιμές αυτής της εκπομπής.

Λαμβάνοντας υπόψη το ευρύ φάσμα των χρήσεων για τα λέιζερ, τα λέιζερ μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση τον σκοπό, τον τύπο του φωτός ή ακόμη και τα ίδια τα υλικά των λέιζερ. Ερχόμενοι με έναν τρόπο κατηγοριοποίησής τους πρέπει να ληφθούν υπόψη όλες αυτές οι διαστάσεις των λέιζερ. Ένας τρόπος ομαδοποίησής τους είναι από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούν.

Το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του λέιζερ καθορίζει τη συχνότητα και την ισχύ της ενέργειας που χρησιμοποιούν. Ένα μεγαλύτερο μήκος κύματος συσχετίζεται με μικρότερη ποσότητα ενέργειας και μικρότερη συχνότητα. Αντίθετα, μια μεγαλύτερη συχνότητα μιας δέσμης φωτός σημαίνει ότι έχει περισσότερη ενέργεια.

Μπορείτε επίσης να ομαδοποιήσετε λέιζερ από τη φύση του υλικού λέιζερ. Τα λέιζερ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν μια στερεά μήτρα ατόμων όπως το νεοδύμιο που χρησιμοποιείται στον κρυσταλλικό γρανίτη αλουμινίου Υττρίου που φιλοξενεί τα ιόντα νεοδυμίου για αυτούς τους τύπους λέιζερ. Τα λέιζερ αερίου χρησιμοποιούν ένα μείγμα αερίων σε ένα σωλήνα όπως το ήλιο και το νέον που δημιουργούν ένα κόκκινο χρώμα. Τα λέιζερ βαφής δημιουργούνται από οργανικά υλικά βαφής σε υγρά διαλύματα ή αιωρήματα

Τα λέιζερ βαφής χρησιμοποιούν ένα μέσο λέιζερ που είναι συνήθως μια σύνθετη οργανική βαφή σε υγρό διάλυμα ή εναιώρημα. Τα λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιούν δύο στρώματα υλικού ημιαγωγών που μπορούν να ενσωματωθούν σε μεγαλύτερες συστοιχίες. Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που μεταφέρουν ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας την ισχύ μεταξύ μόνωσης και αγωγού που χρησιμοποιούν μικρές ποσότητες ακαθαρσιών ή χημικών που εισάγονται, λόγω εισαχθέντων χημικών ουσιών ή αλλαγών στο θερμοκρασία.

Για όλες τις διαφορετικές χρήσεις τους, όλα τα λέιζερ χρησιμοποιούν αυτά τα δύο συστατικά μιας πηγής φωτός με τη μορφή στερεού, υγρού ή αερίου που εκπέμπει ηλεκτρόνια και κάτι που διεγείρει αυτήν την πηγή. Αυτό μπορεί να είναι ένα άλλο λέιζερ ή η αυθόρμητη εκπομπή του ίδιου του υλικού λέιζερ.

Ορισμένα λέιζερ χρησιμοποιούν συστήματα άντλησης, μεθόδους αύξησης της ενέργειας των σωματιδίων στο μέσο λέιζερ που τους αφήνουν να φτάσουν στις διεγερμένες καταστάσεις τους για να κάνουν αναστροφή πληθυσμού. Μια οπτική λάμπα αερίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην οπτική άντληση που μεταφέρει ενέργεια στο υλικό λέιζερ. Σε περιπτώσεις όπου η ενέργεια του υλικού λέιζερ βασίζεται σε συγκρούσεις ατόμων εντός του υλικού, το σύστημα αναφέρεται ως αντλία σύγκρουσης.

Τα συστατικά μιας δέσμης λέιζερ ποικίλλουν επίσης στο χρόνο που χρειάζονται για την παροχή ενέργειας. Τα λέιζερ συνεχούς κύματος χρησιμοποιούν σταθερή μέση ισχύ δέσμης. Με συστήματα υψηλότερης ισχύος, μπορείτε γενικά να ρυθμίσετε την ισχύ, αλλά, με λέιζερ χαμηλότερης ισχύος όπως τα λέιζερ ηλίου-νέον, το επίπεδο ισχύος είναι σταθερό με βάση το περιεχόμενο του αερίου.

Το λέιζερ ηλίου-νέον ήταν το πρώτο σύστημα συνεχούς κύματος και είναι γνωστό ότι εκπέμπει ένα κόκκινο φως. Ιστορικά, χρησιμοποιούσαν σήματα ραδιοσυχνοτήτων για να διεγείρουν το υλικό τους, αλλά σήμερα χρησιμοποιούν μια μικρή έξοδο συνεχούς ρεύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων στο σωλήνα του λέιζερ.

Όταν τα ηλεκτρόνια στο ήλιο είναι ενθουσιασμένα, εκπέμπουν ενέργεια στα άτομα νέον μέσω συγκρούσεων που δημιουργούν αναστροφή πληθυσμού μεταξύ των ατόμων νέον. Το λέιζερ ηλίου-νέον μπορεί επίσης να λειτουργεί με σταθερό τρόπο σε υψηλές συχνότητες. Χρησιμοποιείται στην ευθυγράμμιση αγωγών, στην έρευνα και στις ακτίνες Χ.

Τρία ευγενή αέρια, αργόν, κρυπτόν και ξένον, έχουν δείξει χρήση σε εφαρμογές λέιζερ σε δεκάδες συχνότητες λέιζερ που εκτείνονται υπεριώδεις έως υπέρυθρες. Μπορείτε επίσης να αναμίξετε αυτά τα τρία αέρια το ένα με το άλλο για να παράγετε συγκεκριμένες συχνότητες και εκπομπές. Αυτά τα αέρια στις ιοντικές τους μορφές αφήνουν τα ηλεκτρόνια τους να διεγείρονται συγκρουόμενα το ένα με το άλλο έως ότου επιτύχουν αναστροφή πληθυσμού.

Πολλά σχέδια αυτού του είδους των λέιζερ θα σας επιτρέψουν να επιλέξετε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος για να εκπέμψει η κοιλότητα για να επιτύχετε τις επιθυμητές συχνότητες. Ο χειρισμός του ζεύγους καθρεπτών μέσα στην κοιλότητα μπορεί επίσης να σας επιτρέψει να απομονώσετε μοναδικές συχνότητες φωτός. Τα τρία αέρια, αργόν, κρυπτόν και ξένον, σας επιτρέπουν να επιλέξετε από πολλούς συνδυασμούς φωτεινών συχνοτήτων.

Αυτά τα λέιζερ παράγουν έξοδοι που είναι πολύ σταθερές και δεν παράγουν πολύ θερμότητα. Αυτά τα λέιζερ δείχνουν τις ίδιες χημικές και φυσικές αρχές που χρησιμοποιούνται στους φάρους καθώς και τους φωτεινούς, ηλεκτρικούς λαμπτήρες όπως τα στροβοσκόπια.

Τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι τα πιο αποτελεσματικά και αποτελεσματικά των λέιζερ συνεχούς κύματος. Λειτουργούν χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό ρεύμα σε σωλήνα πλάσματος που έχει αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων διεγείρουν αυτά τα μόρια αερίων που στη συνέχεια εκπέμπουν ενέργεια. Μπορείτε επίσης να προσθέσετε άζωτο, ήλιο, ξένον, διοξείδιο του άνθρακα και νερό για να παράγετε διαφορετικές συχνότητες λέιζερ.

Όταν εξετάζετε τους τύπους ενός λέιζερ που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικούς τομείς, μπορείτε να προσδιορίσετε ποιοι μπορούν να δημιουργήσουν μεγάλες ποσότητες ισχύος επειδή έχουν υψηλό ποσοστό απόδοσης έτσι ώστε να χρησιμοποιούν σημαντικό ποσοστό της ενέργειας που τους δίνεται χωρίς να αφήνουν πολλά απόβλητα. Ενώ τα λέιζερ ηλίου-νέον έχουν ρυθμό απόδοσης μικρότερο από 0,1%, το ποσοστό για τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι περίπου 30 τοις εκατό, 300 φορές μεγαλύτερο από αυτό των λέιζερ ηλίου-νέον. Παρ 'όλα αυτά, τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα χρειάζονται ειδική επίστρωση, σε αντίθεση με τα λέιζερ ηλίου-νέον, για να αντανακλούν ή να μεταδίδουν τις κατάλληλες συχνότητές τους.

Τα λέιζερ Excimer χρησιμοποιούν υπεριώδες φως (UV) το οποίο, όταν εφευρέθηκε για πρώτη φορά το 1975, προσπάθησε να δημιουργήσει μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ για ακρίβεια στη μικροχειρουργική και τη βιομηχανική μικρολιθογραφία. Το όνομά τους προέρχεται από τον όρο "διεγερμένο διμερές" στον οποίο ένα διμερές είναι το προϊόν συνδυασμών αερίων που είναι ηλεκτρικά ενθουσιασμένος με μια διαμόρφωση ενεργειακού επιπέδου που δημιουργεί συγκεκριμένες συχνότητες φωτός στην υπεριώδη ακτινοβολία του ηλεκτρομαγνητικού φάσμα.

Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούν αντιδραστικά αέρια όπως το χλώριο και το φθόριο μαζί με ποσότητες ευγενών αερίων αργού, κρυπτού και ξένου. Οι γιατροί και οι ερευνητές εξακολουθούν να διερευνούν τις χρήσεις τους σε χειρουργικές εφαρμογές, δεδομένου του πόσο ισχυρές και αποτελεσματικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές λέιζερ χειρουργικής οφθαλμών. Τα λέιζερ Excimer δεν παράγουν θερμότητα στον κερατοειδή, αλλά η ενέργειά τους μπορεί να σπάσει τους διαμοριακούς δεσμούς κερατοειδής ιστός σε μια διαδικασία που ονομάζεται «φωτοαποθετική αποσύνθεση» χωρίς να προκαλεί περιττή βλάβη στο μάτι.