Lasersäteen luominen

Hyödyntämällä valon voimaa lasereiden avulla voit käyttää lasereita useisiin tarkoituksiin ja ymmärtää niitä paremmin tutkimalla fysiikkaa ja kemiaa, joka saa ne toimimaan.

Yleensä laser tuotetaan lasermateriaalilla, joko kiinteällä, nestemäisellä tai kaasumaisella, joka antaa säteilyä valon muodossa. Lyhenne sanoista "valon vahvistaminen stimuloidulla säteilyemissiolla", stimuloitujen päästöjen menetelmä osoittaa, kuinka laserit eroavat muista sähkömagneettisen säteilyn lähteistä. Tietäen kuinka nämä valotaajuudet syntyvät, voit antaa sinun hyödyntää niiden potentiaalia erilaisiin käyttötarkoituksiin.

Laserit voidaan määritellä laitteeksi, joka aktivoi elektroneja lähettämään sähkömagneettista säteilyä. Tämä lasermääritys tarkoittaa, että säteily voi olla minkäänlaista sähkömagneettisella spektrillä, radioaalloista gammasäteihin.

Yleensä lasereiden valo kulkee kapeaa polkua pitkin, mutta myös laserit, joilla on laaja valikoima säteileviä aaltoja, ovat mahdollisia. Näiden lasereiden käsitteiden avulla voit ajatella niitä aaltoina aivan kuten meren aaltoja meren rannalla.

Tutkijat ovat kuvanneet lasereita niiden koherenssin suhteen, ominaisuus, joka kuvaa, onko vaiheiden ero kahden signaalin välillä portaittain ja onko niillä sama taajuus ja aaltomuoto. Jos kuvittelette lasereita aaltoina, joissa on piikkejä, laaksoja ja kaukaloja, vaihe-ero olisi miten paljon yksi aalto ei ole aivan synkronoitu toisen kanssa tai kuinka kaukana toisistaan ​​aallot olisivat päällekkäinen.

Valotaajuus on kuinka monta aaltohuippua kulkee tietyn pisteen läpi sekunnissa, ja aallonpituus on yksittäisen aallon koko pituus kaukalosta kouruun tai huipusta huippuun.

Fotonit, yksilöiden energian kvanttihiukkaset, muodostavat laserin sähkömagneettisen säteilyn. Nämä kvantisoidut paketit tarkoittavat, että laserin valolla on aina energiaa a: n energian kerrannaisena yksi fotoni ja että se tulee näihin kvanttipakkauksiin. Tämä tekee sähkömagneettisia aaltoja hiukkasmainen.

Monen tyyppiset laitteet lähettävät lasereita, kuten optisia onteloita. Nämä ovat kammioita, jotka heijastavat valoa materiaalista, joka lähettää sähkömagneettista säteilyä takaisin itseensä. Ne on yleensä valmistettu kahdesta peilistä, yksi materiaalin kummastakin päästä siten, että kun he heijastavat valoa, valonsäteet vahvistuvat. Nämä vahvistetut signaalit poistuvat läpinäkyvän linssin läpi laserontelon päässä.

Kun läsnä on energialähde, kuten virtaa syöttävä ulkoinen akku, sähkömagneettista säteilyä lähettävä materiaali lähettää laserin valoa eri energiatiloissa. Nämä energiatasot eli kvanttitasot riippuvat itse lähtöaineesta. Materiaalissa olevien elektronien korkeammat energiatilat ovat todennäköisemmin epävakaita tai viritetyissä tiloissa, ja laser lähettää niitä valonsa kautta.

Toisin kuin muut valot, kuten taskulampun valo, laserit lähettävät valoa säännöllisin väliajoin itsensä kanssa. Tämä tarkoittaa, että laserin jokaisen aallon harjanne ja syvennys ovat linjassa niiden kanssa, jotka tulevat ennen ja jälkeen, jolloin niiden valo on yhtenäinen.

Laserit on suunniteltu siten, että ne lähettävät sähkömagneettisen spektrin tiettyjen taajuuksien valoa. Monissa tapauksissa tämä valo on kapeiden, erillisten säteiden muodossa, joita laserit lähettävät tarkoilla taajuuksilla, mutta jotkut laserit lähettävät laajaa, jatkuvaa valoa.

Yksi ulkoisen energialähteen käyttämän laserin ominaisuus on väestön inversio. Tämä on eräänlainen stimuloitu emissio, ja se tapahtuu, kun viritetyssä tilassa olevien hiukkasten lukumäärä ylittää alemman tason energiatilassa olevien hiukkasten määrän.

Kun laser saavuttaa väestön inversion, tämän stimuloidun säteilyn määrä, jonka valo voi luoda, on suurempi kuin peilien absorboinnin määrä. Tämä luo optisen vahvistimen, ja jos sijoitat sen resonanssin optiseen onteloon, olet luonut laseroskillaattorin.

Nämä jännittävien ja säteilevien elektronien menetelmät muodostavat perustan sille, että laserit ovat energialähde, monissa käyttötavoissa esiintyvä laserperiaate. Kvantitoidut tasot, joita elektronit voivat käyttää, vaihtelevat matalan energian tasoista, joiden vapautuminen ei vaadi paljon energiaa, ja korkean energian hiukkasista, jotka pysyvät lähellä ja tiukasti ytimen kanssa. Kun elektroni vapautuu atomien törmäämän keskenään oikeassa suunnassa ja energiatasolla, tämä on spontaania emissiota.

Kun tapahtuu spontaania emissiota, atomin lähettämällä fotonilla on satunnainen vaihe ja suunta. Tämä johtuu siitä, että epävarmuusperiaate estää tutkijoita tietämästä hiukkasen sijaintia ja liikemäärää täydellä tarkkuudella. Mitä enemmän tiedät hiukkasen sijainnin, sitä vähemmän tiedät sen liikkeen ja päinvastoin.

Voit laskea näiden päästöjen energian Planckin yhtälön avulla

energiaa vartenEjouleina, taajuusνelektronin s^-1 ja Planckin vakioh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energia, joka fotonilla on, kun se lähtee atomista, voidaan myös laskea energian muutoksena. Laske tähän energiamuutokseen liittyvä taajuus laskemallaνkäyttämällä tämän päästön energia-arvoja.

Kun otetaan huomioon lasereiden laaja käyttöalue, laserit voidaan luokitella käyttötarkoituksen, valotyypin tai jopa itse lasereiden materiaalien perusteella. Kun keksitään tapa luokitella ne, on otettava huomioon kaikki nämä lasereiden mitat. Yksi tapa ryhmittää heidät on niiden käyttämän valon aallonpituus.

Laserin sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus määrää niiden käyttämän energian taajuuden ja voimakkuuden. Suurempi aallonpituus korreloi pienemmän energiamäärän ja pienemmän taajuuden kanssa. Sen sijaan suurempi valonsäteen taajuus tarkoittaa, että sillä on enemmän energiaa.

Voit myös ryhmitellä laserit lasermateriaalin luonteen mukaan. Kiinteän olomuodon laserit käyttävät kiinteää atomimatriisia, kuten neodyymiä, jota käytetään kristalli Yttrium Aluminium Garnetissa, joka sisältää neodyymi-ionit tämäntyyppisille lasereille. Kaasulaserit käyttävät heliumin ja neonin kaltaisessa putkessa olevien kaasujen seosta, joka luo punaisen värin. Värilaserit syntyvät orgaanisista väriaineista nestemäisissä liuoksissa tai suspensioissa

Värilasereissa käytetään laserväliainetta, joka on yleensä monimutkainen orgaaninen väri nestemäisessä liuoksessa tai suspensiossa. Puolijohdelaserit käyttävät kahta puolijohdemateriaalikerrosta, jotka voidaan rakentaa suurempiin ryhmiin. Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka johtavat sähköä käyttämällä eristimen ja johtimen voiman välistä voimaa jotka käyttävät pieniä määriä epäpuhtauksia tai lisättyjä kemikaaleja johtuen kemikaaleista tai muutoksista lämpötila.

Kaikissa eri käyttötarkoituksissa kaikki laserit käyttävät näitä kahta valonlähteen komponenttia kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen muodon muodossa, joka vapauttaa elektroneja ja jotain tämän lähteen stimuloimiseksi. Tämä voi olla toinen laser tai itse lasermateriaalin spontaani säteily.

Jotkut laserit käyttävät pumppujärjestelmiä, menetelmiä laserväliaineessa olevien hiukkasten energian lisäämiseksi, jotka antavat niiden saavuttaa viritetyt tilansa populaation kääntämiseksi. Optisessa pumppauksessa voidaan käyttää kaasulamppua, joka kuljettaa energiaa lasermateriaaliin. Tapauksissa, joissa lasermateriaalin energia perustuu materiaalin atomien törmäyksiin, järjestelmää kutsutaan törmäyspumppaukseksi.

Lasersäteen komponentit vaihtelevat myös siinä, kuinka kauan ne kuluttavat energiaa. Jatkuvaaaltolaserit käyttävät vakaata keskimääräistä säteilytehoa. Suuremmilla tehojärjestelmillä voit yleensä säätää tehoa, mutta pienitehoisemmilla kaasulasereilla, kuten helium-neonlaserit, tehotaso on kiinteä kaasun sisällön perusteella.

Helium-neonlaseri oli ensimmäinen jatkuva aaltojärjestelmä ja sen tiedetään päästävän punaisen valon. Historiallisesti he käyttivät radiotaajuussignaaleja materiaalinsa virittämiseen, mutta nykyään he käyttävät pientä tasavirran purkausta laserputken elektrodien välillä.

Kun heliumin elektronit ovat innoissaan, ne luovuttavat energiaa neoniatomeille törmäysten kautta, jotka aiheuttavat populaation inversiota neonatomien joukossa. Helium-neonlaseri voi toimia myös vakaasti korkeilla taajuuksilla. Sitä käytetään putkistojen kohdistamisessa, mittauksessa ja röntgensäteissä.

Kolme jalokaasua, argon, krypton ja ksenoni, ovat osoittaneet käyttöä lasersovelluksissa kymmenillä lasertaajuuksilla, jotka ulottuvat ultraviolettista infrapunaan. Voit myös sekoittaa nämä kolme kaasua keskenään tuottamaan tiettyjä taajuuksia ja päästöjä. Nämä kaasut ionimuodossa antavat elektroniensa innostua törmäämällä toisiaan vastaan, kunnes ne saavuttavat väestön inversion.

Monien tällaisten lasereiden mallien avulla voit valita tietyn aallonpituuden ontelolle, joka päästää haluttujen taajuuksien saavuttamiseksi. Peiliparin käsitteleminen ontelossa voi myös antaa sinun eristää yksittäisiä valotaajuuksia. Kolmen kaasun, argonin, kryptonin ja ksenonin, avulla voit valita monista valotaajuuksien yhdistelmistä.

Nämä laserit tuottavat erittäin vakaita lähtöjä, jotka eivät tuota paljon lämpöä. Nämä laserit osoittavat samoja kemiallisia ja fysikaalisia periaatteita kuin majakoissa, samoin kuin kirkkaat, sähkölamput, kuten stroboskoopit.

Hiilidioksidilaserit ovat tehokkaimpia ja tehokkaimpia jatkuvan aallon lasereista. Ne toimivat käyttämällä sähkövirtaa plasmaputkessa, jossa on hiilidioksidikaasua. Elektronitörmäykset innostavat näitä kaasumolekyylejä, jotka sitten luovuttavat energiaa. Voit myös lisätä typpeä, heliumia, ksenonia, hiilidioksidia ja vettä tuottamaan erilaisia ​​lasertaajuuksia.

Tarkasteltaessa eri tyyppisiä lasereita, joita voidaan käyttää eri aareilla, voit määrittää, mitkä niistä voivat tuottaa suuria määriä virtaa koska niiden hyötysuhde on korkea siten, että he käyttävät merkittävän osan heille annetusta energiasta päästämättä paljon mennä jätteet. Vaikka helium-neonlaserien hyötysuhde on alle .1%, hiilidioksidilaserien nopeus on noin 30 prosenttia, 300 kertaa helium-neonlaserien. Tästä huolimatta hiilidioksidilaserit tarvitsevat erityispinnoitteen, toisin kuin helium-neonlaserit, heijastamaan tai siirtämään sopivia taajuuksiaan.

Excimer-laserit käyttävät ultraviolettivaloa (UV), joka ensimmäisen kerran keksimällä vuonna 1975 yritti luoda tarkennetun lasersäteen tarkkuutta varten mikrokirurgiassa ja teollisessa mikrolitografiassa. Heidän nimensä tulee termistä "viritetty dimeeri", jossa dimeeri on sähköisesti muodostuvien kaasuyhdistelmien tuote innoissaan energiatasokokoonpanolla, joka luo tietyt valotaajuudet sähkömagneettisen UV-alueelle taajuuksia.

Nämä laserit käyttävät reaktiivisia kaasuja, kuten klooria ja fluoria, jalometalliarkkien argonin, kryptonin ja ksenonin rinnalla. Lääkärit ja tutkijat tutkivat edelleen niiden käyttöä kirurgisissa sovelluksissa, kun otetaan huomioon, kuinka tehokkaita ja tehokkaita niitä voidaan käyttää silmäkirurgian lasersovelluksissa. Eksimeerilaserit eivät tuota lämpöä sarveiskalvossa, mutta niiden energia voi rikkoa molekyylien välisiä sidoksia sarveiskalvokudos prosessissa, jota kutsutaan "fotoablatiiviseksi hajoamiseksi" aiheuttamatta tarpeetonta vahinkoa silmä.