Come creare un raggio laser

Sfruttando la potenza della luce attraverso i laser, puoi utilizzare i laser per una varietà di scopi e comprenderli meglio studiando la fisica e la chimica sottostanti che li fanno funzionare.

Generalmente, un laser è prodotto da un materiale laser, solido, liquido o gassoso, che emette radiazioni sotto forma di luce. Come acronimo di "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni", il metodo delle emissioni stimolate mostra come i laser differiscano dalle altre fonti di radiazioni elettromagnetiche. Sapere come emergono queste frequenze di luce può permetterti di sfruttare il loro potenziale per vari usi.

I laser possono essere definiti come un dispositivo che attiva gli elettroni per emettere radiazioni elettromagnetiche. Questa definizione di laser significa che la radiazione può assumere qualsiasi forma sullo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.

Generalmente la luce dei laser viaggia lungo un percorso stretto, ma sono possibili anche laser con un'ampia gamma di onde emesse. Attraverso queste nozioni di laser, puoi pensarli come onde proprio come le onde dell'oceano in riva al mare.

Gli scienziati hanno descritto i laser in termini di coerenza, una caratteristica che descrive se la differenza di fase tra due segnali è in fase e hanno la stessa frequenza e forma d'onda. Se immagini i laser come onde con picchi, valli e avvallamenti, la differenza di fase sarebbe come quanto un'onda non è del tutto sincronizzata con un'altra o quanto distanti sarebbero le due onde sovrapposizione.

La frequenza della luce è quanti picchi d'onda passano attraverso un dato punto in un secondo, e la lunghezza d'onda è l'intera lunghezza di una singola onda da valle a valle o da picco a picco.

I fotoni, singole particelle quantistiche di energia, costituiscono la radiazione elettromagnetica di un laser. Questi pacchetti quantizzati significano che la luce di un laser ha sempre l'energia come multiplo dell'energia di a singolo fotone e che arriva in questi "pacchetti" quantistici. Questo è ciò che rende le onde elettromagnetiche simile a una particella.

Molti tipi di dispositivi emettono laser, come le cavità ottiche. Queste sono camere che riflettono la luce di un materiale che emette radiazioni elettromagnetiche su se stesso. Sono generalmente costituiti da due specchi, uno a ciascuna estremità del materiale in modo tale che, quando riflettono la luce, i raggi di luce diventino più forti. Questi segnali amplificati escono attraverso una lente trasparente all'estremità della cavità laser.

In presenza di una fonte di energia, come una batteria esterna che fornisce corrente, il materiale che emette radiazione elettromagnetica emette la luce del laser a vari stati energetici. Questi livelli di energia, o livelli quantici, dipendono dal materiale di origine stesso. Gli stati ad alta energia degli elettroni nel materiale hanno maggiori probabilità di essere instabili, o in stati eccitati, e il laser li emetterà attraverso la sua luce.

A differenza di altre luci, come la luce di una torcia, i laser emettono luce in fasi periodiche con se stessi. Ciò significa che la cresta e la depressione di ogni onda di un laser si allineano con quelle delle onde che vengono prima e dopo, rendendo coerente la loro luce.

I laser sono progettati in questo modo in modo tale da emettere luce di frequenze specifiche dello spettro elettromagnetico. In molti casi, questa luce assume la forma di fasci stretti e discreti che i laser emettono a frequenze precise, ma alcuni laser emettono intervalli di luce ampi e continui.

Una caratteristica di un laser alimentato da una fonte di energia esterna che può verificarsi è un'inversione della popolazione. Questa è una forma di emissione stimolata, e si verifica quando il numero delle particelle in uno stato eccitato supera quelle in uno stato energetico di livello inferiore.

Quando il laser raggiunge l'inversione della popolazione, la quantità di questa emissione stimolata che la luce può creare sarà maggiore della quantità di assorbimento dagli specchi. Questo crea un amplificatore ottico e, se ne metti uno all'interno di una cavità ottica risonante, hai creato un oscillatore laser.

Questi metodi di eccitazione ed emissione di elettroni costituiscono la base per i laser come fonte di energia, un principio laser trovato in molti usi. I livelli quantizzati che gli elettroni possono occupare vanno da quelli a bassa energia che non richiedono molta energia per essere rilasciati e particelle ad alta energia che rimangono vicine e strette al nucleo. Quando l'elettrone viene rilasciato a causa della collisione degli atomi tra loro nel giusto orientamento e livello di energia, questa è un'emissione spontanea.

Quando si verifica un'emissione spontanea, il fotone emesso dall'atomo ha una fase e una direzione casuali. Questo perché il Principio di Indeterminazione impedisce agli scienziati di conoscere sia la posizione che la quantità di moto di una particella con perfetta precisione. Più conosci la posizione di una particella, meno conosci la sua quantità di moto e viceversa.

Puoi calcolare l'energia di queste emissioni usando l'equazione di Planck

per un'energiaEin joule, frequenzaνdell'elettrone in s^-1 e la costante di Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg/sec.L'energia che un fotone ha quando viene emesso da un atomo può essere calcolata anche come variazione di energia. Per trovare la frequenza associata a questa variazione di energia, calcolareνutilizzando i valori energetici di questa emissione.

Data l'ampia gamma di usi per i laser, i laser possono essere classificati in base allo scopo, al tipo di luce o persino ai materiali dei laser stessi. Trovare un modo per classificarli deve tenere conto di tutte queste dimensioni dei laser. Un modo per raggrupparli è la lunghezza d'onda della luce che usano.

La lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica di un laser determina la frequenza e la forza dell'energia che usano. Una maggiore lunghezza d'onda è correlata con una minore quantità di energia e una minore frequenza. Al contrario, una maggiore frequenza di un raggio di luce significa che ha più energia.

È inoltre possibile raggruppare i laser in base alla natura del materiale laser. I laser a stato solido utilizzano una matrice solida di atomi come il neodimio utilizzato nel cristallo di ittrio e alluminio granato che ospita gli ioni di neodimio per questi tipi di laser. I laser a gas utilizzano una miscela di gas in un tubo come elio e neon che creano un colore rosso. I laser a colorante sono creati da materiali coloranti organici in soluzioni liquide o sospensioni

I laser a colorante utilizzano un mezzo laser che di solito è un colorante organico complesso in soluzione liquida o sospensione. I laser a semiconduttore utilizzano due strati di materiale semiconduttore che possono essere integrati in array più grandi. I semiconduttori sono materiali che conducono elettricità sfruttando la forza tra quella di un isolante e quella di un conduttore che utilizzano piccole quantità di impurità, o sostanze chimiche introdotte, a causa di sostanze chimiche introdotte o cambiamenti in or temperatura.

Per tutti i loro diversi usi, tutti i laser utilizzano questi due componenti di una sorgente di luce sotto forma di solido, liquido o gas che emette elettroni e qualcosa per stimolare questa sorgente. Questo può essere un altro laser o l'emissione spontanea del materiale laser stesso.

Alcuni laser utilizzano sistemi di pompaggio, metodi per aumentare l'energia delle particelle nel mezzo laser che consentono loro di raggiungere i loro stati eccitati per effettuare l'inversione della popolazione. Una lampada flash a gas può essere utilizzata nel pompaggio ottico che trasporta energia al materiale laser. Nei casi in cui l'energia del materiale laser si basa su collisioni degli atomi all'interno del materiale, il sistema viene indicato come pompaggio di collisione.

I componenti di un raggio laser variano anche in quanto tempo impiegano per fornire energia. I laser ad onda continua utilizzano una potenza del raggio media stabile. Con sistemi di potenza più elevata, è generalmente possibile regolare la potenza, ma, con laser a gas di potenza inferiore come i laser elio-neon, il livello di potenza è fissato in base al contenuto del gas.

Il laser elio-neon è stato il primo sistema ad onda continua ed è noto per emettere una luce rossa. Storicamente, usavano segnali a radiofrequenza per eccitare il loro materiale, ma oggigiorno usano una piccola scarica di corrente continua tra gli elettrodi nel tubo del laser.

Quando gli elettroni nell'elio sono eccitati, cedono energia agli atomi di neon attraverso collisioni che creano un'inversione di popolazione tra gli atomi di neon. Il laser elio-neon può funzionare in modo stabile anche alle alte frequenze. Viene utilizzato nell'allineamento di condutture, nel rilevamento e nei raggi X.

Tre gas nobili, argon, krypton e xeno, hanno dimostrato di essere utilizzati nelle applicazioni laser su dozzine di frequenze laser che vanno dall'ultravioletto all'infrarosso. Puoi anche mescolare questi tre gas tra loro per produrre frequenze ed emissioni specifiche. Questi gas nelle loro forme ioniche lasciano eccitare i loro elettroni scontrandosi l'uno contro l'altro fino a raggiungere l'inversione di popolazione.

Molti progetti di questo tipo di laser ti permetteranno di selezionare una certa lunghezza d'onda che la cavità emetterà per ottenere le frequenze desiderate. La manipolazione della coppia di specchi all'interno della cavità può anche consentire di isolare singole frequenze di luce. I tre gas, argon, krypton e xeno, consentono di scegliere tra molte combinazioni di frequenze luminose.

Questi laser producono uscite altamente stabili e non generano molto calore. Questi laser mostrano gli stessi principi chimici e fisici utilizzati nei fari e nelle lampade elettriche luminose come gli stroboscopi.

I laser ad anidride carbonica sono i laser ad onda continua più efficienti ed efficaci. Funzionano utilizzando una corrente elettrica in un tubo al plasma che contiene anidride carbonica. Le collisioni di elettroni eccitano queste molecole di gas che poi emettono energia. Puoi anche aggiungere azoto, elio, xeno, anidride carbonica e acqua per produrre diverse frequenze laser.

Quando si esaminano i tipi di laser che possono essere utilizzati in aree diverse, è possibile determinare quali possono creare grandi quantità di energia perché hanno un alto tasso di efficienza tale da utilizzare una parte significativa dell'energia data loro senza lasciarne andare molto a rifiuto. Mentre i laser elio-neon hanno un tasso di efficienza inferiore allo 0,1%, il tasso per i laser ad anidride carbonica è di circa il 30%, 300 volte quello dei laser elio-neon. Nonostante ciò, i laser ad anidride carbonica necessitano di un rivestimento speciale, a differenza dei laser elio-neon, per riflettere o trasmettere le loro frequenze appropriate.

I laser ad eccimeri utilizzano la luce ultravioletta (UV) che, quando è stata inventata per la prima volta nel 1975, ha tentato di creare un raggio laser focalizzato per la precisione nella microchirurgia e nella microlitografia industriale. Il loro nome deriva dal termine "dimero eccitato" in cui un dimero è il prodotto di combinazioni di gas elettricamente eccitato con una configurazione del livello di energia che crea specifiche frequenze di luce nella gamma UV del campo elettromagnetico spettro.

Questi laser utilizzano gas reattivi come cloro e fluoro insieme a quantità di gas nobili argon, krypton e xeno. Medici e ricercatori stanno ancora esplorando i loro usi nelle applicazioni chirurgiche dato quanto potenti ed efficaci possono essere utilizzati per le applicazioni laser di chirurgia oculare. I laser ad eccimeri non generano calore nella cornea, ma la loro energia può rompere i legami intermolecolari in tessuto corneale in un processo chiamato "decomposizione fotoablativa" senza causare danni inutili al to occhio.