A fény erejének kiaknázásával a lézerek segítségével különböző célokra használhatja a lézereket, és jobban megértheti őket azáltal, hogy tanulmányozza az alapul szolgáló fizikát és kémia működését.
Általában a lézert olyan lézeranyag állítja elő, legyen az szilárd, folyékony vagy gáz, amely fény formájában sugárzást bocsát ki. A "fénysugárzás stimulált sugárzási emisszióval" rövidítésként a stimulált emisszió módszere megmutatja, hogy a lézerek hogyan különböznek az elektromágneses sugárzás egyéb forrásaitól. Annak ismerete, hogy ezek a fényfrekvenciák hogyan jelennek meg, kiaknázhatja a különböző felhasználási lehetőségeket.
Lézeres meghatározás
A lézerek definiálhatók olyan eszközként, amely az elektronokat elektromágneses sugárzás kibocsátására aktiválja. Ez a lézer definíció azt jelenti, hogy a sugárzás bármilyen formában megjelenhet az elektromágneses spektrumban, a rádióhullámoktól a gammasugarakig.
Általában a lézerek fénye keskeny úton halad, de a kibocsátott hullámok széles tartományával rendelkező lézerek is lehetségesek. A lézerek ezen elképzelésein keresztül úgy gondolhat rájuk, mint hullámokra, mint az óceán hullámaira a tengerparton.
A tudósok koherenciájuk szempontjából írták le a lézereket, ami azt írja le, hogy a két jel közötti fáziskülönbség lépésben van-e, és ugyanazon frekvenciájuk és hullámformájuk van-e. Ha a lézereket csúcsokkal, völgyekkel és vályúkkal rendelkező hullámokként képzeled el, akkor a fáziskülönbség az lenne sok az egyik hullám nincs teljesen szinkronban a másikkal, vagy hogy a két hullám milyen távolságra lenne egymástól átfedés.
A fény frekvenciája az, hogy hány hullámcsúcs halad át egy adott ponton egy másodperc alatt, és a hullámhossz egy hullám teljes hossza vályútól vályúig vagy csúcsról csúcsra.
A fotonok, az egyedek kvantum energiarészecskéi alkotják a lézer elektromágneses sugárzását. Ezek a számszerűsített csomagok azt jelentik, hogy a lézer fényének mindig az a energiájának a többszöröse van egyetlen foton, és hogy ezekben a kvantum "csomagokban" van. Ez az, ami elektromágneses hullámokat okoz részecskeszerű.
Hogyan készülnek a lézersugarak
Sok típusú készülék bocsát ki lézert, például optikai üregeket. Ezek olyan kamrák, amelyek visszatükrözik az elektromágneses sugárzást kibocsátó anyag fényét önmagába. Általában két tükrökből készülnek, az egyik az anyag mindkét végén, így amikor visszatükrözik a fényt, a fénysugarak erősebbé válnak. Ezek az erősített jelek átlátszó lencsén keresztül távoznak a lézerüreg végén.
Energiaforrás, például áramot tápláló külső akkumulátor jelenlétében az elektromágneses sugárzást kibocsátó anyag különböző energiaállapotok esetén bocsátja ki a lézer fényét. Ezek az energiaszintek vagy kvantumszintek maguktól a forrásanyagtól függenek. Az anyagban lévő elektronok magasabb energiaállapota nagyobb valószínűséggel instabil vagy gerjesztett állapotban van, és a lézer ezeket a fényén keresztül bocsátja ki.
Más lámpákkal ellentétben, mint például egy elemlámpa fénye, a lézerek időszakosan adják le a fényt önmagával. Ez azt jelenti, hogy a lézer egyes hullámainak csúcsa és vályúja egybeesik az előtte és utána érkező hullámokéval, koherenssé téve a fényüket.
A lézereket úgy tervezték meg, hogy az elektromágneses spektrum meghatározott frekvenciájú fényeit bocsássák ki. Sok esetben ez a fény keskeny, diszkrét nyalábok formájában jelenik meg, amelyeket a lézerek pontos frekvenciákon bocsátanak ki, de egyes lézerek széles, folyamatos fénytartományokat bocsátanak ki.
Népesség inverziója
A külső energiaforrással működő lézer egyik jellemzője a populáció inverziója. Ez a stimulált emisszió egyik formája, és akkor fordul elő, amikor a gerjesztett állapotban lévő részecskék száma meghaladja az alacsonyabb szintű energia állapotú részecskék számát.
Amikor a lézer eléri a populáció inverzióját, ennek a stimulált emissziónak a fénye által létrehozott mennyisége nagyobb lesz, mint a tükrökből származó abszorpció mértéke. Ez létrehoz egy optikai erősítőt, és ha egy rezonáns optikai üregbe helyezi, akkor létrehozott egy lézer oszcillátort.
Lézerelv
Az izgalmas és az emissziós elektronok ezen módszerei alapul szolgálnak ahhoz, hogy a lézerek energiaforrásként működjenek, ez a lézerelv számos alkalmazásban megtalálható. Az elektronok által elfoglalt számszerűsített szintek az alacsony energiájúaktól, amelyek felszabadulásához nincs szükség sok energiára, és a nagy energiájú részecskéktől, amelyek a mag közelében vannak és szorosak. Amikor az elektron felszabadul az atomok egymásnak ütközése miatt a megfelelő orientációban és energia szinten, ez spontán emisszió.
Spontán emisszió bekövetkezésekor az atom által kibocsátott fotonnak véletlenszerű fázisa és iránya van. A bizonytalansági elv ugyanis megakadályozza a tudósokat abban, hogy a részecske helyzetét és lendületét is tökéletes pontossággal ismerjék meg. Minél többet tud egy részecske helyzetéről, annál kevésbé ismeri annak lendületét, és fordítva.
Kiszámíthatja ezen emissziók energiáját a Planck-egyenlet segítségével
H = h \ nu
egy energiáhozEjoule-ban, gyakoriságνaz elektron s-ben-1 és Planck állandójah = 6.63 × 10-34 m2 kg / s.Az az energia, amely a fotonnak van egy atomból kibocsátva, az energia változásaként is kiszámítható. Számítsa ki, hogy megtalálja-e az energiaváltozáshoz kapcsolódó frekvenciátνennek a kibocsátásnak az energiaértékeit felhasználva.
A lézertípusok kategorizálása
Tekintettel a lézerek széles körű felhasználására, a lézerek kategóriákba sorolhatók a cél, a fény típusa vagy akár maguk a lézerek anyagai alapján is. A kategóriákba sorolás módjának kidolgozásakor figyelembe kell venni a lézerek e dimenzióit. Csoportosításuk egyik módja az általuk használt fény hullámhossza.
A lézer elektromágneses sugárzásának hullámhossza határozza meg az általuk felhasznált energia frekvenciáját és erősségét. A nagyobb hullámhossz kisebb energiamennyiséggel és kisebb frekvenciával korrelál. Ezzel szemben a fénysugár nagyobb frekvenciája azt jelenti, hogy több energiája van.
A lézereket csoportosíthatja a lézer anyagának jellege szerint is. A szilárdtest lézerek olyan szilárd atommátrixot használnak, mint például a neodímium, amelyet az ittrium alumínium gránát kristályában használnak, amely az ilyen típusú lézerekhez a neodímiumionokat tartalmazza. A gázlézerek olyan keveréket használnak egy csőben, mint a hélium és a neon, amelyek vörös színt hoznak létre. A festéklézereket szerves festékanyagok hozzák létre folyékony oldatokban vagy szuszpenziókban
A festéklézerek olyan lézerközeget használnak, amely általában egy bonyolult szerves festék folyékony oldatban vagy szuszpenzióban. A félvezető lézerek két réteg félvezető anyagot használnak, amelyek nagyobb tömbökbe építhetők. A félvezetők olyan anyagok, amelyek villamos energiát vezetnek a szigetelő és a vezető közötti erősség felhasználásával amelyek kis mennyiségű szennyeződést vagy bevitt kémiai anyagot használnak a bejuttatott vegyi anyagok vagy az anyagváltozások miatt hőfok.
A lézerek alkatrészei
Mindenféle felhasználásukhoz minden lézer a fényforrásnak ezt a két összetevőjét használja szilárd, folyékony vagy gáz formájában, amely elektronokat bocsát ki, és valamit ennek a forrásnak az ösztönzésére. Ez lehet egy másik lézer vagy maga a lézeranyag spontán kibocsátása.
Egyes lézerek szivattyúzórendszereket alkalmaznak, a lézerközegben lévő részecskék energiájának növelésére szolgáló módszereket, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy elérjék gerjesztett állapotukat a populáció inverziója érdekében. Az optikai szivattyúzáshoz gázlámpa használható, amely energiát visz a lézer anyagába. Azokban az esetekben, amikor a lézeranyag energiája az anyagon belüli atomok ütközésén alapul, a rendszert ütközésszivattyúzásnak nevezik.
A lézersugár alkotóelemei abban is különböznek, hogy mennyi időbe telik az energia leadása. A folyamatos hullámú lézerek stabil átlagos fénysugarat használnak. Nagyobb teljesítményű rendszerekkel általában beállíthatja a teljesítményt, de alacsonyabb teljesítményű gázlézerekkel, mint például a hélium-neon lézerek, a teljesítményszint a gáz tartalma alapján rögzül.
Hélium-neon lézer
A hélium-neon lézer volt az első folyamatos hullámrendszer, és köztudottan vörös fényt bocsát ki. Történelmileg rádiófrekvenciás jeleket használtak anyaguk gerjesztésére, manapság azonban kis egyenáramú kisülést alkalmaznak a lézer csövében lévő elektródák között.
Amikor a héliumban lévő elektronok izgatottak, ütközés útján energiát adnak a neon atomoknak, amelyek populáció inverziót hoznak létre a neon atomok között. A hélium-neon lézer magas frekvenciákon is stabilan működhet. Csővezetékek igazításában, felmérésben és röntgensugarakban használják.
Argon, Krypton és Xenon Ion lézerek
Három nemesgáz, az argon, a kripton és a xenon, az ultraibolya és az infravörös tartományba eső lézerfrekvenciák tucatjaiban mutatják be alkalmazását. Keverheti ezt a három gázt egymással, hogy meghatározott frekvenciákat és emissziókat hozzon létre. Ezek a gázok ionos formájukban hagyják, hogy elektronjaik gerjesztődjenek egymásnak ütközve, amíg el nem érik a populáció inverzióját.
Az ilyen típusú lézerek sokféle kialakítása lehetővé teszi, hogy kiválasszon egy bizonyos hullámhosszat az üreg által kibocsátandó a kívánt frekvenciák elérése érdekében. Az üregen belüli tükörpár manipulálása lehetővé teszi az egyes fényfrekvenciák elkülönítését is. A három gáz, az argon, a kripton és a xenon lehetővé teszi, hogy a fényfrekvenciák számos kombinációja közül választhasson.
Ezek a lézerek nagyon stabil kimenetet produkálnak, és nem termelnek sok hőt. Ezek a lézerek ugyanazokat a kémiai és fizikai elveket mutatják, mint amelyeket a világítótornyok, valamint a fényes, elektromos lámpák, például a stroboszkópok.
Szén-dioxid lézerek
A folyamatos hullámú lézerek közül a leghatékonyabb és legeredményesebb a széndioxid lézerek. Szén-dioxid gázt tartalmazó plazmacsőben elektromos áram segítségével működnek. Az elektronütközések gerjesztik ezeket a gázmolekulákat, amelyek aztán energiát adnak ki. Hozzáadhat nitrogént, héliumot, xenont, szén-dioxidot és vizet is a különböző lézerfrekvenciák előállításához.
Ha megnézi a különböző arokban használható lézertípusokat, meghatározhatja, hogy melyek képesek nagy mennyiségű energiát létrehozni mert magas a hatásfokuk, így a nekik adott energia jelentős részét felhasználják anélkül, hogy sokat engednének Pazarlás. Míg a hélium-neon lézerek hatékonysági rátája kisebb, mint 1%, addig a szén-dioxid lézerek aránya körülbelül 30 százalék, 300-szorosa a hélium-neon lézerekének. Ennek ellenére a széndioxid lézereknek speciális bevonatra van szükségük, ellentétben a hélium-neon lézerekkel, hogy visszatükrözzék vagy továbbítsák megfelelő frekvenciájukat.
Excimer lézerek
Az excimer lézerek ultraibolya (UV) fényt használnak, amelyet, amikor először 1975-ben feltalálták, megkísérelték létrehozni a fókuszált lézersugarat a mikrokirurgia és az ipari mikrolitográfia pontossága érdekében. Nevük az "gerjesztett dimer" kifejezésből származik, amelyben a dimer az elektromos gázkombinációk terméke olyan energiaszint-konfigurációval gerjesztve, amely meghatározott fényfrekvenciákat hoz létre az elektromágneses UV-tartományban spektrum.
Ezek a lézerek reaktív gázokat, például klórt és fluort használnak, nemesgáz argon, kripton és xenon mellett. Az orvosok és kutatók még mindig vizsgálják a sebészeti alkalmazásokban történő felhasználásukat, tekintettel arra, hogy mennyire hatékonyak és hatékonyak lehetnek a szemsebészeti lézeres alkalmazásokhoz. Az excimer lézerek nem termelnek hőt a szaruhártyában, de energiájukkal megszakadhatnak az intermolekuláris kötések a szaruhártya szövete a "fotoablatív bomlás" nevű folyamatban, anélkül, hogy szükségtelen kárt okozna a szem.