레이저 빔을 만드는 방법

레이저를 통해 빛의 힘을 활용하면 다양한 목적으로 레이저를 사용할 수 있으며 레이저를 작동시키는 기본 물리학 및 화학을 연구함으로써 레이저를 더 잘 이해할 수 있습니다.

일반적으로 레이저는 빛의 형태로 복사를 방출하는 고체, 액체 또는 기체와 같은 레이저 재료로 생성됩니다. "방사선의 자극 방출에 의한 광 증폭"의 약자 인 자극 방출 방법은 레이저가 다른 전자기 방사선원과 어떻게 다른지 보여줍니다. 이러한 빛의 주파수가 어떻게 나타나는지 알면 다양한 용도로 잠재력을 활용할 수 있습니다.

레이저는 전자를 활성화하여 전자기 방사선을 방출하는 장치로 정의 할 수 있습니다. 이 레이저 정의는 방사선이 전파에서 감마선에 이르기까지 전자기 스펙트럼에서 모든 종류의 형태를 취할 수 있음을 의미합니다.

일반적으로 레이저의 빛은 좁은 경로를 따라 이동하지만 광범위한 방출 파장을 가진 레이저도 가능합니다. 이러한 레이저 개념을 통해 해변의 파도와 같은 파도라고 생각할 수 있습니다.

과학자들은 레이저를 일관성 측면에서 설명했는데, 이는 두 신호 간의 위상차가 단계적이며 동일한 주파수와 파형을 갖는지 여부를 설명하는 기능입니다. 레이저를 최고점, 최저점, 최저점이있는 파동으로 상상한다면 위상차는 한 파동이 다른 파동과 거의 일치하지 않거나 두 파동이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 중복.

빛의 주파수는 1 초에 주어진 지점을 통과하는 파고의 수이며 파장은 최저점에서 최저점까지 또는 최고점에서 최고점까지 단일 파동의 전체 길이입니다.

에너지의 개별 양자 입자 인 광자는 레이저의 전자기 복사를 구성합니다. 이러한 양자화 된 패킷은 레이저의 빛이 항상 에너지의 배수로 에너지를 갖는다는 것을 의미합니다. 단일 광자는 이러한 양자 "패킷"으로 제공됩니다. 이것이 전자파를 만드는 것 입자처럼.

많은 유형의 장치가 광학 캐비티와 같은 레이저를 방출합니다. 이들은 전자기 복사를 다시 방출하는 물질의 빛을 반사하는 챔버입니다. 그들은 일반적으로 두 개의 거울로 만들어지며, 재료의 각 끝에 하나씩 빛을 반사 할 때 빛의 광선이 더 강해집니다. 이러한 증폭 된 신호는 레이저 캐비티 끝에있는 투명 렌즈를 통해 배출됩니다.

전류를 공급하는 외부 배터리와 같은 에너지 원이있을 때 전자기 복사를 방출하는 물질은 다양한 에너지 상태에서 레이저의 빛을 방출합니다. 이러한 에너지 수준 또는 양자 수준은 소스 물질 자체에 따라 다릅니다. 물질에서 전자의 에너지 상태가 높을수록 불안정하거나 여기 상태 일 가능성이 높으며 레이저는 빛을 통해이를 방출합니다.

손전등의 빛과 같은 다른 빛과 달리 레이저는 주기적으로 빛을 발산합니다. 즉, 레이저의 각 파동의 볏과 골이 앞뒤로 오는 파동과 정렬되어 빛이 일관되게 만듭니다.

레이저는 전자기 스펙트럼의 특정 주파수의 빛을 발산하도록 설계되었습니다. 대부분의 경우이 빛은 레이저가 정확한 주파수로 방출하는 좁고 불연속적인 빔의 형태를 취하지 만 일부 레이저는 광범위하고 연속적인 빛을 발산합니다.

발생할 수있는 외부 에너지 원에 의해 구동되는 레이저의 한 가지 특징은 인구 반전입니다. 이것은 자극 방출의 한 형태로 여기 상태의 입자 수가 낮은 에너지 상태의 입자 수보다 많을 때 발생합니다.

레이저가 인구 반전을 달성 할 때 빛이 생성 할 수있는이 자극 방출량은 거울에서 흡수되는 양보다 더 커집니다. 이것은 광 증폭기를 생성하고 공진 광 공동 내부에 하나를 배치하면 레이저 발진기를 생성 한 것입니다.

전자를 여기시키고 방출하는 이러한 방법은 레이저가 에너지 원이되는 기초를 형성하며, 이는 많은 용도에서 발견되는 레이저 원리입니다. 전자가 차지할 수있는 양자화 된 수준은 방출되는 데 많은 에너지를 필요로하지 않는 저에너지 수준과 핵에 가깝고 밀착 된 고 에너지 입자까지 다양합니다. 원자가 올바른 방향과 에너지 준위로 충돌하여 전자가 방출 될 때 이것은 자발적 방출입니다.

자발적 방출이 발생하면 원자에서 방출되는 광자는 임의의 위상과 방향을 갖습니다. 불확실성 원리는 과학자가 입자의 위치와 운동량을 완벽하게 정확하게 알 수 없도록하기 때문입니다. 입자의 위치를 ​​더 많이 알수록 그 운동량에 대해 덜 알 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

플랑크 방정식을 사용하여 이러한 배출의 에너지를 계산할 수 있습니다.

에너지를 위해이자형줄 단위, 주파수νs의 전자^-1 및 플랑크 상수h​ = ​6.63 × 10^-34 미디엄² kg / s.광자가 원자에서 방출 될 때 갖는 에너지는 에너지의 변화로 계산 될 수도 있습니다. 이 에너지 변화와 관련된 주파수를 찾으려면 다음을 계산하십시오.ν이 방출의 에너지 값을 사용합니다.

레이저의 광범위한 용도를 감안할 때 레이저는 목적, 빛의 유형 또는 레이저 자체의 재료에 따라 분류 할 수 있습니다. 이들을 분류하는 방법을 고안하려면 이러한 모든 레이저 치수를 고려해야합니다. 그것들을 그룹화하는 한 가지 방법은 그들이 사용하는 빛의 파장에 의한 것입니다.

레이저 전자기 방사의 파장은 레이저가 사용하는 에너지의 주파수와 강도를 결정합니다. 더 큰 파장은 더 적은 양의 에너지와 더 작은 주파수와 관련이 있습니다. 대조적으로, 광선의 주파수가 클수록 더 많은 에너지가 있음을 의미합니다.

레이저 재료의 특성에 따라 레이저를 그룹화 할 수도 있습니다. 고체 레이저는 이러한 유형의 레이저를위한 네오디뮴 이온을 수용하는 크리스탈 이트륨 알루미늄 가넷에 사용되는 네오디뮴과 같은 원자의 고체 매트릭스를 사용합니다. 가스 레이저는 헬륨과 네온과 같은 튜브에 혼합 된 가스를 사용하여 붉은 색을 만듭니다. 염료 레이저는 액체 용액 또는 현탁액의 유기 염료 재료로 생성됩니다.

염료 레이저는 일반적으로 액체 용액 또는 현탁액에서 복잡한 유기 염료 인 레이저 매체를 사용합니다. 반도체 레이저는 더 큰 어레이에 구축 할 수있는 두 층의 반도체 재료를 사용합니다. 반도체는 절연체와 도체 사이의 강도를 이용하여 전기를 전도하는 물질입니다. 소량의 불순물을 사용하거나 화학 물질을 도입하거나 온도.

모든 다른 용도를 위해 모든 레이저는 고체, 액체 또는 가스 형태의 광원의 두 가지 구성 요소를 사용하여 전자를 방출 하고이 광원을 자극합니다. 이것은 또 다른 레이저이거나 레이저 재료 자체의 자발적인 방출 일 수 있습니다.

일부 레이저는 펌핑 시스템, 레이저 매질의 입자 에너지를 증가시키는 방법을 사용하여 여기 상태에 도달하여 인구 반전을 만듭니다. 레이저 재료에 에너지를 전달하는 광학 펌핑에 가스 플래시 램프를 사용할 수 있습니다. 레이저 재료의 에너지가 재료 내의 원자 충돌에 의존하는 경우 시스템을 충돌 펌핑이라고합니다.

레이저 빔의 구성 요소는 에너지를 전달하는 데 걸리는 시간도 다릅니다. 연속파 레이저는 안정적인 평균 빔 파워를 사용합니다. 고출력 시스템에서는 일반적으로 출력을 조정할 수 있지만 헬륨-네온 레이저와 같은 저출력 가스 레이저의 경우 출력 수준은 가스 함량에 따라 고정됩니다.

헬륨-네온 레이저는 최초의 연속파 시스템이었으며 적색광을 발산하는 것으로 알려져 있습니다. 역사적으로 그들은 물질을 자극하기 위해 무선 주파수 신호를 사용했지만 오늘날에는 레이저 튜브의 전극 사이에 작은 직류 방전을 사용합니다.

헬륨의 전자가 여기되면 네온 원자 사이에 인구 반전을 만드는 충돌을 통해 네온 원자에 에너지를 방출합니다. 헬륨-네온 레이저는 또한 고주파에서 안정적인 방식으로 기능 할 수 있습니다. 파이프 라인 정렬, 측량 및 X- 레이에 사용됩니다.

아르곤, 크립톤 및 크세논의 세 가지 희가스는 자외선에서 적외선에 이르는 수십 개의 레이저 주파수에 걸쳐 레이저 응용 분야에서 사용되는 것으로 나타났습니다. 이 세 가지 가스를 서로 혼합하여 특정 주파수와 방출을 생성 할 수도 있습니다. 이온 형태의 이러한 가스는 집단 반전을 달성 할 때까지 서로 충돌하여 전자를 여기시킵니다.

이러한 종류의 레이저에 대한 많은 설계를 통해 원하는 주파수를 얻기 위해 공동이 방출 할 특정 파장을 선택할 수 있습니다. 공동 내에서 한 쌍의 거울을 조작하면 빛의 단일 주파수를 분리 할 수도 있습니다. 아르곤, 크립톤 및 크세논의 세 가지 가스를 사용하면 다양한 광 주파수 조합 중에서 선택할 수 있습니다.

이 레이저는 매우 안정적이고 많은 열을 발생시키지 않는 출력을 생성합니다. 이 레이저는 스트로보 스코프와 같은 밝은 전기 램프뿐만 아니라 등대에서 사용되는 것과 동일한 화학적 및 물리적 원리를 보여줍니다.

이산화탄소 레이저는 연속파 레이저 중에서 가장 효율적이고 효과적입니다. 이산화탄소 가스가있는 플라즈마 튜브의 전류를 사용하여 작동합니다. 전자 충돌은 이러한 가스 분자를 자극하여 에너지를 방출합니다. 질소, 헬륨, 크세논, 이산화탄소 및 물을 추가하여 다양한 레이저 주파수를 생성 할 수도 있습니다.

다른 분야에서 사용될 수있는 레이저의 유형을 살펴보면 어떤 레이저가 많은 양의 전력을 생성 할 수 있는지 확인할 수 있습니다. 왜냐하면 그들은 많은 것을 보내지 않고 그들에게 주어진 에너지의 상당 부분을 사용할 정도로 높은 효율을 가지고 있기 때문입니다. 낭비. 헬륨-네온 레이저의 효율은 0.1 % 미만이지만 이산화탄소 레이저의 비율은 약 30 %로 헬륨-네온 레이저의 300 배입니다. 그럼에도 불구하고 이산화탄소 레이저는 적절한 주파수를 반사하거나 전송하기 위해 헬륨-네온 레이저와 달리 특수 코팅이 필요합니다.

엑시머 레이저는 1975 년 처음 발명되었을 때 미세 수술 및 산업용 마이크로 리소그래피의 정밀성을 위해 집중된 레이저 빔을 생성하려고 시도한 자외선 (UV)을 사용합니다. 그들의 이름은 "여기 된 이량 체"라는 용어에서 유래되었으며 이량 체는 전기적으로 가스 조합의 산물입니다. 전자기의 UV 범위에서 특정 빛의 주파수를 생성하는 에너지 레벨 구성으로 여기됩니다. 스펙트럼.

이 레이저는 염소 및 불소와 같은 반응성 가스를 아르곤, 크립톤 및 크세논의 비활성 가스와 함께 사용합니다. 의사와 연구자들은 안구 수술 레이저 응용 분야에 얼마나 강력하고 효과적인지 고려할 때 외과 응용 분야에서의 사용을 여전히 모색하고 있습니다. 엑시머 레이저는 각막에서 열을 생성하지 않지만 에너지는 각막에서 분자간 결합을 끊을 수 있습니다. 각막 조직에 불필요한 손상을주지 않고 "광 절제 분해"라고하는 과정에서 눈.