כיצד ליצור קרן לייזר

על ידי רתימת כוח האור באמצעות לייזרים, אתה יכול להשתמש בלייזרים למטרות מגוונות ולהבין אותם טוב יותר על ידי לימוד הפיזיקה והכימיה הבסיסיים שגורמים להם לעבוד.

באופן כללי, לייזר מיוצר על ידי חומר לייזר, בין אם זה מוצק, נוזלי או גז, שמפיץ קרינה בצורת אור. כראשי תיבות של "הגברת אור על ידי פליטת קרינה מגורה", שיטת הפליטה המגורה מראה כיצד לייזרים נבדלים ממקורות אחרים של קרינה אלקטרומגנטית. הידיעה כיצד תדרים אלה של האור מופיעים יכולים לאפשר לך לנצל את הפוטנציאל שלהם לשימושים שונים.

ניתן להגדיר לייזרים כמכשיר המפעיל אלקטרונים לפליטת קרינה אלקטרומגנטית. הגדרת לייזר זו פירושה שקרינה יכולה ללבוש צורה מכל סוג שהוא בספקטרום האלקטרומגנטי, מגלי רדיו ועד לקרני גמא.

בדרך כלל אור הלייזרים עובר בשביל צר, אך גם לייזרים עם מגוון רחב של גלים נפלטים אפשריים. באמצעות מושגים אלה של לייזרים, אתה יכול לחשוב עליהם כגלים בדיוק כמו גלי הים על שפת הים.

מדענים תיארו לייזרים במונחים של קוהרנטיות שלהם, תכונה המתארת ​​האם הפרש הפאזה בין שני אותות נמצא בצעד ויש להם תדר וצורת גל זהים. אם אתה מדמיין לייזרים כגלים עם פסגות, עמקים ושוקתות, ההבדל בשלב הוא איך הרבה גל אחד אינו מסונכרן לגמרי עם אחר או באיזה מרחק זה מזה יהיו שני הגלים חוֹפֵף.

תדירות האור היא כמה פסגות גלים עוברות בנקודה נתונה בשנייה, ואורך הגל הוא לכל אורכו של גל בודד משוקת אל שוקת או מפסגה לפסגה.

פוטונים, יחידים חלקיקים קוונטיים של אנרגיה, מהווים את הקרינה האלקטרומגנטית של לייזר. משמעות החבילות הכמותיות הללו היא כי לאור הלייזר יש תמיד את האנרגיה כמכפל של האנרגיה של a פוטון יחיד ושהוא מגיע ב"חבילות "קוונטיות אלה. זה מה שעושה גלים אלקטרומגנטיים דמוי חלקיקים.

סוגים רבים של מכשירים פולטים לייזרים, כגון חללים אופטיים. אלו הם חדרים המשקפים את האור מחומר הפולט קרינה אלקטרומגנטית בחזרה לעצמו. הם עשויים בדרך כלל משתי מראות, אחת בכל קצה החומר כך שכאשר הם מחזירים אור, אלומות האור מתחזקות. אותות מוגברים אלה יוצאים דרך עדשה שקופה בקצה חלל הלייזר.

כאשר בנוכחות מקור אנרגיה, כגון סוללה חיצונית המספקת זרם, החומר הפולט קרינה אלקטרומגנטית פולט את אור הלייזר במצבי אנרגיה שונים. רמות אנרגיה אלה, או רמות קוונטיות, תלויות בחומר המקור עצמו. מצבי אנרגיה גבוהים יותר של אלקטרונים בחומר נוטים יותר להיות לא יציבים, או במצבים נרגשים, והלייזר יפלוט אותם דרך אורו.

שלא כמו אורות אחרים, כמו האור מפנס, לייזרים נותנים אור בצעדים תקופתיים עם עצמם. המשמעות היא ציצת ​​השוקת של כל גל של לייזר עולה בקו אחד עם הגלים שמגיעים לפני ואחרי, מה שהופך את האור שלהם לקוהרנטי.

לייזרים מתוכננים כך כך שהם מפיצים אור של תדרים ספציפיים של הספקטרום האלקטרומגנטי. במקרים רבים, אור זה לובש צורה של קרניים צרות ונבדלות שהלייזרים פולטים בתדרים מדויקים, אך ישנם לייזרים שמסירים טווחי אור רחבים ורציפים.

אחד המאפיינים של לייזר המופעל על ידי מקור אנרגיה חיצוני העלול להתרחש הוא היפוך אוכלוסין. זוהי צורה של פליטה מגורה, והיא מתרחשת כאשר מספר מספר החלקיקים במצב נרגש עולה על מספרם הנמצאים במצב אנרגיה ברמה נמוכה יותר.

כאשר הלייזר משיג היפוך אוכלוסין, כמות הפליטה המגורה הזו שאור יכול ליצור תהיה גדולה מכמות הספיגה מהמראות. זה יוצר מגבר אופטי, ואם אתה מציב אחד בתוך חלל אופטי מהדהד, יצרת מתנד לייזר.

שיטות אלה של אלקטרונים מרגשים ופולטים מהווים את הבסיס לכך שהלייזרים הם מקור אנרגיה, עיקרון לייזר המצוי בשימושים רבים. הרמות הכמותיות שהאלקטרונים יכולים לתפוס נעות בין רמות אנרגיה נמוכות שאינן דורשות אנרגיה רבה כדי להשתחרר לבין חלקיקי אנרגיה גבוהה שנשארים קרובים וצמודים לגרעין. כאשר האלקטרון משתחרר בגלל האטומים המתנגשים זה בזה בכיוון הנכון וברמת האנרגיה, זו פליטה ספונטנית.

כאשר מתרחשת פליטה ספונטנית, לפוטון שנפלט על ידי האטום יש שלב וכיוון אקראי. הסיבה לכך היא שעקרון חוסר הוודאות מונע מדענים לדעת הן את המיקום והן את המומנטום של חלקיק בדיוק מושלם. ככל שתדעו יותר על מיקום החלקיק, כך תדעו פחות על המומנטום שלו, ולהיפך.

אתה יכול לחשב את האנרגיה של פליטות אלה באמצעות משוואת פלאנק

לאנרגיההבג'אול, תדרνשל האלקטרון בס '^-1 ופלנק קבועח​ = ​6.63 × 10^-34 M² ק"ג / שנייה.את האנרגיה שיש לפוטון בעת ​​פליטתו מאטום ניתן לחשב גם כשינוי אנרגיה. כדי למצוא את התדירות המשויכת לשינוי אנרגיה זה, חישבνתוך שימוש בערכי האנרגיה של פליטה זו.

בהתחשב במגוון הרחב של השימושים בלייזרים, ניתן לסווג לייזרים על פי מטרה, סוג האור או אפילו חומרי הלייזרים עצמם. לבוא עם דרך לסווג אותם צריך להתחשב בכל הממדים האלה של לייזרים. אחת הדרכים לקבץ אותם היא לפי אורך הגל של האור שהם משתמשים בהם.

אורך הגל של הקרינה האלקטרומגנטית של לייזר קובע את תדירות ועוצמת האנרגיה בה הם משתמשים. אורך גל גדול יותר מתואם עם כמות אנרגיה קטנה יותר ותדר קטן יותר. לעומת זאת, תדר גדול יותר של קרן אור אומר שיש לה יותר אנרגיה.

ניתן גם לקבץ לייזרים לפי אופי חומר הלייזר. לייזרים במצב מוצק משתמשים במטריצה ​​מוצקה של אטומים כמו ניאודימיום המשמשים בגרנט האלומיניום אטריום האלגנטי ובו יונים הניאודימיום עבור סוגי לייזר אלה. לייזי גז משתמשים בתערובת של גזים בצינור כמו הליום וניאון שיוצרים צבע אדום. לייזרים צבעוניים נוצרים על ידי חומרי צבע אורגניים בתמיסות נוזליות או מתלים

לייזרים לצבוע משתמשים במדיום לייזר שהוא בדרך כלל צבע אורגני מורכב בתמיסה נוזלית או בתלייה. לייזרים של מוליכים למחצה משתמשים בשתי שכבות של חומר מוליך למחצה שניתן לבנות במערכים גדולים יותר. מוליכים למחצה הם חומרים המוליכים חשמל תוך שימוש בחוזק בין זה של מבודד למוליך המשתמשים בכמויות קטנות של זיהומים, או כימיקלים שהוכנסו בגלל כימיקלים שהוכנסו או שינויים טֶמפֶּרָטוּרָה.

עם כל השימושים השונים שלהם, כל הלייזרים משתמשים בשני המרכיבים הללו של מקור אור בצורת מוצק, נוזל או גז שמסיר אלקטרונים ומשהו כדי לעורר את המקור הזה. זה יכול להיות לייזר אחר או פליטה ספונטנית של חומר הלייזר עצמו.

ישנם לייזרים המשתמשים במערכות שאיבה, שיטות להגדלת האנרגיה של חלקיקים במדיום הלייזר המאפשרים להם להגיע למצבים הנרגשים כדי להפוך את היפוך האוכלוסייה. ניתן להשתמש במנורת פלאש גז בשאיבה אופטית המובילה אנרגיה לחומר הלייזר. במקרים בהם אנרגיית חומר הלייזר נשענת על התנגשויות האטומים בתוך החומר, מכונה המערכת כשאיבת התנגשות.

המרכיבים של קרן לייזר משתנים גם כמה זמן לוקח להם לספק אנרגיה. לייזרים של גל רציף משתמשים בהספק קרן ממוצע יציב. במערכות הספק גבוה יותר, בדרך כלל ניתן לכוונן את ההספק, אך כאשר לייזרים בגז בעלי הספק נמוך יותר כמו לייזי הליום-ניאון, רמת ההספק קבועה על בסיס תוכן הגז.

לייזר הליום-ניאון היה מערכת הגלים הרציפה הראשונה וידוע שהוא פולט אור אדום. היסטורית, הם השתמשו באותות תדר רדיו כדי לרגש את החומר שלהם, אך כיום הם משתמשים בפריקה קטנה של זרם ישר בין אלקטרודות בצינור הלייזר.

כאשר האלקטרונים בהליום מתרגשים, הם מפיצים אנרגיה לאטומי ניאון באמצעות התנגשויות שיוצרות היפוך אוכלוסין בין אטומי הניאון. לייזר הליום-ניאון יכול גם לתפקד בצורה יציבה בתדרים גבוהים. הוא משמש ליישור צינורות, מדידות ובצילומי רנטגן.

שלושה גזים אצילים, ארגון, קריפטון וקסנון, הראו שימוש ביישומי לייזר על פני עשרות תדרי לייזר המשתרעים על אולטרה סגול לאינפרא אדום. אתה יכול גם לערבב את שלושת הגזים האלה זה עם זה כדי לייצר תדרים ופליטות ספציפיים. גזים אלה בצורתם היונית מאפשרים לאלקטרונים שלהם להתרגש על ידי התנגשות זה בזה עד שהם משיגים היפוך אוכלוסין.

עיצובים רבים מסוגים כאלה של לייזרים יאפשרו לך לבחור אורך גל מסוים עבור החלל שיפלט כדי להשיג את התדרים הרצויים. מניפולציה של צמד המראות בחלל יכולה גם לאפשר לך לבודד תדרים בודדים של אור. שלושת הגזים, ארגון, קריפטון וקסנון, מאפשרים לכם לבחור מתוך שילובים רבים של תדרי אור.

לייזרים אלה מייצרים יציאות יציבות מאוד ואינן מייצרות חום רב. לייזרים אלה מציגים את אותם עקרונות כימיים ופיזיקליים המשמשים במגדלורים, כמו גם מנורות חשמליות בהירות כמו סטרובוסקופים.

לייזרים פחמן דו חמצני הם היעילים והיעילים ביותר של לייזרים גל רציפים. הם פועלים באמצעות זרם חשמלי בצינור פלזמה שיש בו גז דו-חמצני. התנגשויות האלקטרונים מלהיבות את מולקולות הגז הללו שאז מפרישות אנרגיה. ניתן גם להוסיף חנקן, הליום, קסנון, פחמן דו חמצני ומים כדי לייצר תדרי לייזר שונים.

כאשר בוחנים את סוגי הלייזר שניתן להשתמש בהם בקשתות שונות, ניתן לקבוע אילו מסוגים יכולים ליצור כמויות גדולות של כוח מכיוון שיש להם שיעור יעילות גבוה כזה שהם משתמשים בחלק ניכר מהאנרגיה שניתנה להם מבלי לתת להרבה בזבוז. בעוד שלייזר הליום-ניאון יש שיעור יעילות של פחות מ -1%, השיעור עבור לייזרים פחמן דו-חמצני הוא כ -30%, פי 300 מזה של לייזרים של הליום-ניאון. למרות זאת, לייזרים של פחמן דו-חמצני זקוקים לציפוי מיוחד, בניגוד לייזרים של הליום ניאון, כדי לשקף או להעביר את התדרים המתאימים להם.

לייזרים Excimer משתמשים באור אולטרה סגול (UV) שכאשר הומצא לראשונה בשנת 1975, ניסה ליצור קרן לייזרים ממוקדת לדיוק במיקרו-כירורגיה ובמיקרוליתוגרפיה תעשייתית. שמם בא מהמונח "דימר נרגש" בו דימר הוא תוצר של שילובי גזים שהם חשמליים מתרגש עם תצורה של רמת אנרגיה שיוצרת תדרים ספציפיים של אור בתחום ה- UV של האלקטרומגנטית ספֵּקטרוּם.

לייזרים אלה משתמשים בגזים תגובתיים כמו כלור ופלואור לצד כמויות של גזים אצילים ארגון, קריפטון וקסנון. רופאים וחוקרים עדיין בוחנים את השימושים שלהם ביישומים כירורגיים בהתחשב באיזו עוצמה ויעילות הם יכולים לשמש ליישומי לייזר בכירורגיה. לייזרים של Excimer אינם מייצרים חום בקרנית, אך האנרגיה שלהם יכולה לשבור קשרים בין-מולקולריים רקמת קרנית בתהליך המכונה "פירוק פוטו-אבליטיבי" מבלי לגרום נזק מיותר ל עַיִן.