Kaip sukurti lazerio spindulį

Panaudodami šviesos galią lazeriais, galite naudoti lazerius įvairiems tikslams ir geriau juos suprasti, studijuodami pagrindinę fiziką ir chemiją, kuri priverčia juos veikti.

Paprastai lazerį gamina lazerio medžiaga, nesvarbu, kieta, skysta ar dujinė, skleidžianti spinduliuotę šviesos pavidalu. Kaip „šviesos stiprinimo stimuliuojama spinduliuote spinduliuojant“ santrumpa, stimuliuojamos emisijos metodas parodo, kaip lazeriai skiriasi nuo kitų elektromagnetinės spinduliuotės šaltinių. Žinodami, kaip atsiranda šie šviesos dažniai, galite pasinaudoti jų galimybėmis įvairiems tikslams.

Lazerius galima apibrėžti kaip prietaisą, kuris aktyvina elektronus skleisti elektromagnetinę spinduliuotę. Šis lazerio apibrėžimas reiškia, kad elektromagnetiniame spektre spinduliuotė gali būti bet kokia, pradedant radijo bangomis ir baigiant gama spinduliais.

Paprastai lazerių šviesa sklinda siauru keliu, tačiau galimi ir lazeriai, turintys platų spinduliuojamų bangų diapazoną. Remdamiesi šiomis lazerių sąvokomis, galite jas galvoti kaip apie bangas kaip apie vandenyno bangas pajūryje.

Mokslininkai apibūdino lazerius pagal jų darną - savybę, apibūdinančią, ar fazių skirtumas tarp dviejų signalų yra pakopinis ir ar jų dažnis ir bangos yra vienodi. Jei įsivaizduotumėte lazerius kaip bangas su smailėmis, slėniais ir loviais, fazių skirtumas būtų kaip viena banga ne visai sinchronizuojama su kita arba nuo to, kaip toli viena nuo kitos būtų dvi bangos sutampa.

Šviesos dažnis yra tai, kiek bangų smailių praeina per tam tikrą tašką per sekundę, o bangos ilgis yra visas vienos bangos ilgis nuo lovio iki lovio arba nuo smailės iki smailės.

Fotonai, individai, kvantinės energijos dalelės, sudaro lazerio elektromagnetinę spinduliuotę. Šie kiekybiniai paketai reiškia, kad lazerio šviesa visada turi energiją kaip a energijos kartotinę vienas fotonas ir kad jis yra šiuose kvantiniuose „paketuose“. Tai sukelia elektromagnetines bangas panašus į daleles.

Daugelio tipų prietaisai skleidžia lazerius, pavyzdžiui, optines ertmes. Tai yra kameros, kurios atspindi elektromagnetinę spinduliuotę skleidžiančios medžiagos šviesą atgal į save. Paprastai jie yra pagaminti iš dviejų veidrodžių, po vieną kiekviename medžiagos gale, kad atspindėdami šviesą šviesos pluoštai sustiprėtų. Šie sustiprinti signalai išeina per skaidrų lęšį lazerio ertmės gale.

Kai yra energijos šaltinis, pavyzdžiui, išorinė baterija, tiekianti srovę, elektromagnetinę spinduliuotę skleidžianti medžiaga įvairiomis energijos būsenomis skleidžia lazerio šviesą. Šie energijos lygiai arba kvantiniai lygiai priklauso nuo pačios žaliavos. Didesnės medžiagos elektronų energijos būsenos yra labiau nestabilios arba sužadintos, o lazeris jas skleis per savo šviesą.

Skirtingai nuo kitų žibintų, tokių kaip žibintuvėlio šviesa, lazeriai periodiškai skleidžia šviesą su savimi. Tai reiškia, kad kiekvienos lazerio bangos keteros ir įdubos sutampa su priešais ir vėliau kylančių bangų bangomis, todėl jų šviesa tampa vientisa.

Lazeriai suprojektuoti taip, kad jie skleistų tam tikrų elektromagnetinio spektro dažnių šviesą. Daugeliu atvejų ši šviesa pasireiškia siaurų, diskrečių spindulių pavidalu, kuriuos lazeriai skleidžia tiksliais dažniais, tačiau kai kurie lazeriai skleidžia plačius, ištisinius šviesos diapazonus.

Viena lazerio, kurį maitina išorinis energijos šaltinis, bruožas yra populiacijos inversija. Tai yra stimuliuojamos emisijos forma ir ji atsiranda, kai sužadintos būsenos dalelių skaičius viršija mažesnio lygio energijos būsenos dalelių skaičių.

Kai lazeris pasiekia populiacijos inversiją, šios stimuliuojamos emisijos, kurią gali sukelti šviesa, kiekis bus didesnis nei absorbcijos iš veidrodžių kiekis. Tai sukuria optinį stiprintuvą ir, jei jį įdėsite į rezonansinę optinę ertmę, sukūrėte lazerinį osciliatorių.

Šie įdomių ir spinduliuojančių elektronų metodai sudaro lazerių, kurie yra energijos šaltinis, pagrindą - lazerio principą, kuris yra naudojamas daugelyje atvejų. Kiekybinis lygis, kurį gali užimti elektronai, svyruoja nuo mažos energijos lygio, kuriam išsiskirti nereikia daug energijos, ir didelės energijos dalelių, esančių arti ir tvirtai prie branduolio. Kai elektronas išsiskiria dėl atomų susidūrimo tinkamoje orientacijoje ir energijos lygyje, tai yra savaiminė emisija.

Kai įvyksta savaiminė emisija, atomo skleidžiamas fotonas turi atsitiktinę fazę ir kryptį. Taip yra todėl, kad neapibrėžtumo principas neleidžia mokslininkams tobulai žinoti dalelės padėties ir impulso. Kuo daugiau žinai apie dalelės padėtį, tuo mažiau žinai apie jos impulsą ir atvirkščiai.

Šių išmetamųjų dujų energiją galite apskaičiuoti naudodami Planko lygtį

energijaiEdžauliais, dažnisνelektrono s^-1 ir Plancko konstantah​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energija, kurią fotonas turi skirdamas iš atomo, taip pat gali būti apskaičiuojama kaip energijos pokytis. Norėdami sužinoti susijusį dažnį su šiuo energijos pokyčiu, apskaičiuokiteνnaudojant šios emisijos energines vertes.

Atsižvelgiant į platų lazerių panaudojimo spektrą, lazerius galima suskirstyti į kategorijas pagal paskirtį, šviesos tipą ar net pačių lazerių medžiagas. Ateinant juos suskirstyti į kategorijas, reikia atsižvelgti į visus šiuos lazerių matmenis. Vienas iš jų grupavimo būdų yra jų naudojamos šviesos bangos ilgis.

Lazerio elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis lemia jų naudojamos energijos dažnį ir stiprumą. Didesnis bangos ilgis koreliuoja su mažesniu energijos kiekiu ir mažesniu dažniu. Priešingai, didesnis šviesos pluošto dažnis reiškia, kad jis turi daugiau energijos.

Taip pat galite grupuoti lazerius pagal lazerio medžiagos pobūdį. Kietojo kūno lazeriuose naudojama kieta atomų matrica, tokia kaip neodimas, naudojamas kristale „Itrium aliuminio granatas“, kuriame yra neodimio jonai šių tipų lazeriams. Dujų lazeriuose vamzdyje, pvz., Helyje ir neone, naudojamas dujų mišinys, sukuriantis raudoną spalvą. Dažų lazerius sukuria organinės dažų medžiagos skystuose tirpaluose ar suspensijose

Dažų lazeriuose naudojama lazerio terpė, kuri paprastai yra sudėtingi organiniai dažai skystame tirpale arba suspensijoje. Puslaidininkiniuose lazeriuose naudojami du puslaidininkinių medžiagų sluoksniai, kuriuos galima įmontuoti į didesnes masyvas. Puslaidininkiai yra medžiagos, kurios praleidžia elektrą naudodamos izoliatoriaus ir laidininko stiprumą kuriuose naudojami nedideli priemaišų ar įterptų chemikalų kiekiai dėl įvestų chemikalų ar jų pokyčių temperatūra.

Visiems skirtingiems jų naudojimo būdams visi lazeriai naudoja šiuos du šviesos šaltinio komponentus kietų, skystų ar dujų pavidalu, kurie išskiria elektronus ir kažką tam, kad paskatintų šį šaltinį. Tai gali būti kitas lazeris arba savaiminė pačios lazerio medžiagos emisija.

Kai kuriuose lazeriuose naudojamos lazerinės terpės dalelių energijos didinimo metodai, leidžiantys jiems pasiekti sužadintas būsenas, kad gyventojai būtų invertuojami. Dujinė blykstė gali būti naudojama optiniame siurblyje, kuris perneša energiją į lazerio medžiagą. Tais atvejais, kai lazerinės medžiagos energija priklauso nuo medžiagos atomų susidūrimo, sistema vadinama susidūrimo pumpavimu.

Lazerio pluošto komponentai taip pat skiriasi atsižvelgiant į tai, per kiek laiko jie praleidžia energiją. Nuolatinių bangų lazeriai naudoja stabilią vidutinę spindulių galią. Turėdami didesnės galios sistemas, paprastai galite reguliuoti galią, tačiau naudojant mažesnės galios dujų lazerius, pvz., Helio-neono lazerius, galios lygis nustatomas atsižvelgiant į dujų kiekį.

Helio-neono lazeris buvo pirmoji ištisinių bangų sistema ir žinoma, kad ji skleidžia raudoną šviesą. Istoriškai jie sužadino savo medžiagą radijo dažnio signalais, tačiau šiais laikais jie naudoja nedidelę nuolatinės srovės iškrovą tarp elektrodų lazerio vamzdyje.

Kai sužadinami helio elektronai, per susidūrimus jie atiduoda energiją neono atomams, kurie sukuria populiacijos inversiją tarp neoninių atomų. Helio-neono lazeris taip pat gali stabiliai veikti esant dideliems dažniams. Jis naudojamas derinant vamzdynus, atliekant tyrimus ir atliekant rentgeno spindulius.

Trys tauriosios dujos, argonas, kriptonas ir ksenonas, parodė naudojimą lazeriuose daugybėje lazerių dažnių, kurie skleidžia ultravioletinius ir infraraudonuosius spindulius. Taip pat galite sumaišyti šias tris dujas, kad gautumėte specifinius dažnius ir emisijas. Šios jonų formos dujos leidžia susijaudinti elektronams susidūrus viena su kita, kol pasieks populiacijos inversiją.

Daugybė tokio tipo lazerių leidžia jums pasirinkti tam tikrą ertmės bangos ilgį, kad būtų pasiekti norimi dažniai. Manipuliavimas veidrodžių pora ertmėje taip pat gali padėti izoliuoti atskirus šviesos dažnius. Trys dujos - argonas, kriptonas ir ksenonas - leidžia pasirinkti iš daugybės šviesos dažnių derinių.

Šie lazeriai sukuria labai stabilias išvestis ir negamina daug šilumos. Šie lazeriai rodo tuos pačius cheminius ir fizinius principus, kurie naudojami švyturiuose, taip pat ryškias elektrines lempas, tokias kaip stroboskopai.

Anglies dioksido lazeriai yra efektyviausi ir efektyviausi iš nuolatinių bangų lazerių. Jie veikia naudodami elektros srovę plazminiame vamzdyje, kuriame yra anglies dioksido dujų. Elektronų susidūrimai sužadina šias dujų molekules, kurios paskui išskiria energiją. Taip pat galite pridėti azoto, helio, ksenono, anglies dioksido ir vandens, kad gautumėte skirtingus lazerio dažnius.

Peržiūrėdami lazerio tipus, kurie gali būti naudojami skirtingose ​​arose, galite nustatyti, kurie iš jų gali sukurti didelį energijos kiekį nes jie pasižymi dideliu efektyvumo rodikliu, kad sunaudoja didelę dalį jiems suteiktos energijos, daug neišleisdami atliekos. Nors helio-neono lazerių efektyvumas yra mažesnis nei .1%, anglies dvideginio lazerių dažnis yra apie 30 proc., 300 kartų didesnis nei helio-neono lazerių. Nepaisant to, anglies dioksido lazeriams reikia specialios dangos, skirtingai nei helio-neono lazeriams, kad atspindėtų ar perduotų jų tinkamus dažnius.

Eksimeriniuose lazeriuose naudojama ultravioletinė (UV) šviesa, kuri, pirmą kartą išrasta 1975 m., Bandė sukurti fokusuotą lazerių pluoštą, kuris būtų tikslus mikrochirurgijoje ir pramoninėje mikrolitografijoje. Jų pavadinimas kilęs iš termino „sužadintas dimeras“, kuriame dimeris yra elektrinių dujų derinių produktas sužadinamas energijos lygio konfigūracija, sukuriančia tam tikrus šviesos dažnius elektromagnetinio UV diapazone spektrą.

Šie lazeriai naudoja reaktyvias dujas, tokias kaip chloras ir fluoras, kartu su tauriųjų dujų argonu, kriptonu ir ksenonu. Gydytojai ir tyrėjai vis dar tiria jų panaudojimą chirurginėse programose, atsižvelgdami į tai, kaip galingi ir veiksmingi jie gali būti naudojami akių chirurgijos lazerių taikymams. Eksimeriniai lazeriai ragenoje negeneruoja šilumos, tačiau jų energija gali suardyti tarpmolekulinius ryšius ragenos audinys, vadinamas "fotoabliaciniu skaidymu", nepadarant nereikalingos žaizdos akis.