Iskorištavajući snagu svjetlosti putem lasera, lasere možete koristiti u razne svrhe i bolje ih razumjeti proučavajući temeljnu fiziku i kemiju zbog kojih rade.
Općenito, laser proizvodi laserski materijal, bio on krut, tekući ili plinski, koji odaje zračenje u obliku svjetlosti. Kao akronim za "pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja", metoda stimulirane emisije pokazuje kako se laseri razlikuju od ostalih izvora elektromagnetskog zračenja. Znajući kako se pojavljuju ove frekvencije svjetlosti, možete iskoristiti njihov potencijal za razne namjene.
Laserska definicija
Laseri se mogu definirati kao uređaj koji aktivira elektrone koji emitiraju elektromagnetsko zračenje. Ova laserska definicija znači da zračenje može poprimiti bilo koju vrstu elektromagnetskog spektra, od radio valova do gama zraka.
Općenito svjetlost lasera putuje uskim putem, ali mogući su i laseri sa širokim rasponom emitiranih valova. Kroz ove pojmove lasera, možete ih smatrati valovima baš poput oceanskih valova na morskoj obali.
Znanstvenici su lasere opisali u smislu njihove koherentnosti, značajke koja opisuje je li fazna razlika između dva signala u koraku i imaju li istu frekvenciju i valni oblik. Ako lasere zamišljate kao valove s vrhovima, dolinama i koritima, razlika u fazama bila bi kako mnogo jedan val nije sasvim sinkroniziran s drugim ili koliko bi dva vala bila udaljena preklapajući se.
Frekvencija svjetlosti je koliko vrhova valova prolazi kroz određenu točku u sekundi, a valna duljina je cijela duljina pojedinog vala od korita do korita ili od vrha do vrha.
Fotoni, pojedinci kvantne čestice energije, čine elektromagnetsko zračenje lasera. Ovi kvantizirani paketi znače da svjetlost lasera uvijek ima energiju višestruku od energije a pojedinačni foton i da dolazi u tim kvantnim "paketima". To je ono što stvara elektromagnetske valove nalik na čestice.
Kako se izrađuju laserske zrake
Mnoge vrste uređaja emitiraju lasere, poput optičkih šupljina. To su komore koje reflektiraju svjetlost od materijala koji emitira elektromagnetsko zračenje natrag na sebe. Općenito su izrađene od dva zrcala, po jedno na svakom kraju materijala, tako da, kad odražavaju svjetlost, zrake svjetlosti postaju jače. Ti pojačani signali izlaze kroz prozirnu leću na kraju laserske šupljine.
Kada je u prisutnosti izvora energije, poput vanjske baterije koja napaja struju, materijal koji emitira elektromagnetsko zračenje emitira svjetlost lasera u različitim energetskim stanjima. Te razine energije ili kvantne razine ovise o samom izvornom materijalu. Viša energetska stanja elektrona u materijalu vjerojatnije će biti nestabilna ili u pobuđenom stanju, a laser će ih emitirati kroz svoje svjetlo.
Za razliku od ostalih svjetala, poput svjetla od baterijske svjetiljke, laseri u sebi periodično daju svjetlost. To znači da se vrh i korito svakog vala lasera poklapa s valovima koji dolaze prije i poslije, čineći njihovo svjetlo koherentnim.
Laseri su dizajnirani na takav način da odaju svjetlost određenih frekvencija elektromagnetskog spektra. U mnogim slučajevima ovo svjetlo ima oblik uskih, diskretnih zraka koje laseri emitiraju na preciznim frekvencijama, ali neki laseri odašilju široke, kontinuirane domete svjetlosti.
Inverzija stanovništva
Jedna značajka lasera koji se napaja iz vanjskog izvora energije koja se može dogoditi je inverzija populacije. Ovo je oblik stimulirane emisije, a javlja se kada broj čestica u pobuđenom stanju premaši broj onih u energetskom stanju niže razine.
Kada laser postigne inverziju populacije, količina ove stimulirane emisije koju svjetlost može stvoriti bit će veća od količine apsorpcije iz zrcala. To stvara optičko pojačalo i, ako ga smjestite unutar rezonantne optičke šupljine, stvorili ste laserski oscilator.
Laserski princip
Ove metode uzbudljivih i emitirajućih elektrona čine osnovu za lasere koji su izvor energije, laserski princip koji se nalazi u mnogim primjenama. Kvantizirane razine koje elektroni mogu zauzeti kreću se od niskoenergetskih kojima nije potrebno puno energije da bi se oslobodile i visokoenergetskih čestica koje ostaju blizu jezgri i čvrsto joj stoje. Kada se elektron oslobađa zbog međusobnog sudara atoma u pravoj orijentaciji i na razini energije, to je spontana emisija.
Kada se dogodi spontana emisija, foton koji emitira atom ima slučajnu fazu i smjer. To je zato što Princip nesigurnosti sprječava znanstvenike da sa preciznošću znaju i položaj i zamah čestice. Što više znate položaj čestice, to manje znate njezin zamah i obrnuto.
Energiju tih emisija možete izračunati pomoću Planckove jednadžbe
H = h \ nu
za energijuEu džulima, frekvencijaνelektrona u s-1 i Planckova konstantah = 6.63 × 10-34 m2 kg / s.Energija koju foton ima kad se emitira iz atoma također se može izračunati kao promjena energije. Izračunajte kako biste pronašli povezanu frekvenciju s ovom promjenom energijeνkoristeći energetske vrijednosti ove emisije.
Kategoriziranje vrsta lasera
S obzirom na širok spektar uporabe lasera, laseri se mogu kategorizirati prema namjeni, vrsti svjetlosti ili čak materijalima samih lasera. Dolazeći do načina da ih kategoriziraju, potrebno je uzeti u obzir sve ove dimenzije lasera. Jedan od načina grupiranja je prema valnoj duljini svjetlosti koju koriste.
Valna duljina elektromagnetskog zračenja lasera određuje frekvenciju i snagu energije koju oni koriste. Veća valna duljina korelira s manjom količinom energije i manjom frekvencijom. Suprotno tome, veća frekvencija snopa svjetlosti znači da ima više energije.
Lasere također možete grupirati po prirodi laserskog materijala. Čvrsti laseri koriste čvrstu matricu atoma poput neodimija koji se koristi u kristalnom itrijevom aluminijskom granatu u kojem se nalaze neodimijski ioni za ove vrste lasera. Plinski laseri koriste mješavinu plinova u cijevi poput helija i neona koji stvaraju crvenu boju. Laseri za boje stvaraju se od organskih materijala za bojenje u tekućim otopinama ili suspenzijama
Laseri za bojanje koriste laserski medij koji je obično složena organska boja u tekućoj otopini ili suspenziji. Poluvodički laseri koriste dva sloja poluvodičkog materijala koji se mogu ugraditi u veće nizove. Poluvodiči su materijali koji provode električnu energiju koristeći snagu između snage izolatora i vodiča koji koriste male količine nečistoća ili kemikalija unesenih zbog unesenih kemikalija ili promjena u temperatura.
Komponente lasera
U svim različitim primjenama, svi laseri koriste ove dvije komponente izvora svjetlosti u obliku krutine, tekućine ili plina koji odaju elektrone i nešto što stimulira taj izvor. To može biti drugi laser ili spontana emisija samog laserskog materijala.
Neki laseri koriste crpne sustave, metode povećanja energije čestica u laserskom mediju koje im omogućavaju da dosegnu svoja pobuđena stanja kako bi napravili inverziju populacije. Plinska bljeskalica može se koristiti u optičkom pumpanju koje prenosi energiju na laserski materijal. U slučajevima kada se energija laserskog materijala oslanja na sudare atoma u materijalu, sustav se naziva sudaranjem.
Sastavni dijelovi laserske zrake također se razlikuju u vremenu koje im treba za isporuku energije. Laseri s kontinuiranim valom koriste stabilnu prosječnu snagu snopa. Sa sustavima veće snage, općenito možete podesiti snagu, ali, kod plinskih lasera manje snage poput helij-neonskih lasera, razina snage fiksira se na temelju sadržaja plina.
Helij-neonski laser
Helij-neonski laser bio je prvi sustav kontinuiranog vala i poznato je da odaje crveno svjetlo. Povijesno gledano, koristili su radiofrekvencijske signale da pobude svoj materijal, ali danas koriste malo istosmjerno pražnjenje između elektroda u cijevi lasera.
Kada se elektroni u heliju pobude, oni daju energiju neonskim atomima sudarima koji stvaraju inverziju populacije među neonskim atomima. Helij-neonski laser također može stabilno funkcionirati na visokim frekvencijama. Koristi se za poravnavanje cjevovoda, snimanje i rendgenske zrake.
Laseri za argon, kripton i ksenon
Tri plemenita plina, argon, kripton i ksenon, pokazali su upotrebu u laserskim aplikacijama na desetinama laserskih frekvencija koje se protežu od ultraljubičastog do infracrvenog zraka. Ova tri plina također možete međusobno miješati kako biste proizveli određene frekvencije i emisije. Ti plinovi u svojim ionskim oblicima dopuštaju da se njihovi elektroni pobude sudarajući jedni o druge dok ne postignu inverziju populacije.
Mnogi dizajni ovih vrsta lasera omogućit će vam odabir određene valne duljine koju će šupljina emitirati kako bi se postigle željene frekvencije. Manipuliranje parom zrcala unutar šupljine također vam omogućuje izoliranje pojedinačnih frekvencija svjetlosti. Tri plina, argon, kripton i ksenon, omogućuju vam da odaberete između mnogih kombinacija frekvencija svjetlosti.
Ovi laseri proizvode visoko stabilne izlaze i ne generiraju puno topline. Ovi laseri pokazuju iste kemijske i fizikalne principe koji se koriste u svjetionicima, kao i svijetle električne lampe poput stroboskopa.
Laseri ugljičnog dioksida
Ugljični dioksid laseri su najučinkovitiji i najučinkovitiji od lasera s kontinuiranim valom. Oni funkcioniraju pomoću električne struje u plazemskoj cijevi koja ima plinoviti ugljični dioksid. Sudari elektrona pobuđuju ove molekule plina koji zatim odaju energiju. Također možete dodati dušik, helij, ksenon, ugljični dioksid i vodu da biste proizveli različite laserske frekvencije.
Kada promatrate vrste lasera koji se mogu koristiti na različitim područjima, možete odrediti koji mogu stvoriti velike količine energije jer imaju visoku stopu učinkovitosti takvu da koriste značajan udio energije koja im je dana ne dopuštajući puno odlaska gubljenje. Iako helij-neonski laseri imaju učinkovitost manju od .1%, stopa za lasere s ugljikovim dioksidom je oko 30 posto, 300 puta veća od helij-neonskih lasera. Unatoč tome, laseri s ugljikovim dioksidom trebaju poseban sloj, za razliku od helij-neonskih lasera, kako bi reflektirali ili odašiljali svoje odgovarajuće frekvencije.
Excimer laseri
Eksimerni laseri koriste ultraljubičasto (UV) svjetlo koje je, kada je prvi put izumljeno 1975. godine, pokušalo stvoriti fokusirani snop lasera za preciznost u mikrokirurgiji i industrijskoj mikrolitografiji. Njihovo ime potječe od izraza "pobuđeni dimer" u kojem je dimer proizvod plinskih kombinacija koje su električno uzbuđen konfiguracijom razine energije koja stvara specifične frekvencije svjetlosti u UV području elektromagnetskog spektar.
Ovi laseri koriste reaktivne plinove poput klora i fluora, zajedno s količinama plemenitih plinova argona, kriptona i ksenona. Liječnici i istraživači još uvijek istražuju njihovu upotrebu u kirurškim primjenama s obzirom na to koliko se snažno i učinkovito mogu koristiti za laserske primjene na operacijama oka. Ekscimerni laseri ne stvaraju toplinu u rožnici, ali njihova energija može prekinuti intermolekularne veze tkivo rožnice u procesu nazvanom "fotoablativna razgradnja" bez nanošenja nepotrebnih oštećenja oko.
