Kā izveidot lāzera staru

Izmantojot gaismas spēku, izmantojot lāzerus, jūs varat izmantot lāzerus dažādiem mērķiem un tos labāk izprast, pētot pamatā esošo fiziku un ķīmiju, kas liek tiem darboties.

Parasti lāzeru ražo lāzera materiāls - ciets, šķidrs vai gāzveida -, kas izstaro starojumu gaismas formā. Kā saīsinājums "gaismas pastiprināšanai ar stimulētu starojuma emisiju" stimulēto emisiju metode parāda, kā lāzeri atšķiras no citiem elektromagnētiskā starojuma avotiem. Zinot, kā rodas šīs gaismas frekvences, jūs varat izmantot to potenciālu dažādiem lietojumiem.

Lāzerus var definēt kā ierīci, kas aktivizē elektronus, lai izstarotu elektromagnētisko starojumu. Šī lāzera definīcija nozīmē, ka starojums elektromagnētiskajā spektrā var būt jebkura veida, sākot no radioviļņiem līdz gamma stariem.

Parasti lāzeru gaisma pārvietojas pa šauru ceļu, bet ir iespējami arī lāzeri ar plašu izstaroto viļņu diapazonu. Izmantojot šos lāzeru jēdzienus, jūs varat tos uzskatīt par viļņiem tāpat kā okeāna viļņi jūrmalā.

Zinātnieki ir aprakstījuši lāzerus pēc to koherences - iezīme, kas apraksta, vai fāžu starpība starp diviem signāliem ir pakāpeniska un vai tiem ir vienāda frekvence un viļņu forma. Ja jūs iedomāties lāzerus kā viļņus ar virsotnēm, ielejām un silēm, fāžu starpība būtu kā daudz viens vilnis nav gluži sinhronizēts ar citu vai cik tālu viens no otra būtu divi viļņi pārklājas.

Gaismas frekvence ir tas, cik daudz viļņu smailes iziet cauri noteiktajam punktam sekundē, un viļņa garums ir viena viļņa garums no sile līdz silei vai no smailes līdz virsotnei.

Fotoni, indivīdu enerģijas kvantu daļiņas, veido lāzera elektromagnētisko starojumu. Šīs kvantētās paketes nozīmē, ka lāzera gaismai vienmēr ir enerģija kā a enerģijas daudzkārtne viens fotons un ka tas nāk šajās kvantu "paketēs". Tas rada elektromagnētiskos viļņus daļiņveida.

Daudzu veidu ierīces izstaro lāzerus, piemēram, optiskos dobumus. Tās ir kameras, kas atstaro materiāla gaismu, kas izstaro elektromagnētisko starojumu sevī. Tie parasti ir izgatavoti no diviem spoguļiem, pa vienam materiāla abos galos tā, ka, atstarojot gaismu, gaismas stari kļūst stiprāki. Šie pastiprinātie signāli iziet caur caurspīdīgu lēcu lāzera dobuma galā.

Ja enerģijas avota, piemēram, ārējā akumulatora, kas nodrošina strāvu, klātbūtnē materiāls, kas izstaro elektromagnētisko starojumu, izstaro lāzera gaismu dažādos enerģijas stāvokļos. Šie enerģijas līmeņi jeb kvantu līmeņi ir atkarīgi no paša izejmateriāla. Materiāla elektronu augstākas enerģijas stāvokļi, visticamāk, ir nestabili vai ierosinātos stāvokļos, un lāzers tos izstaro caur savu gaismu.

Atšķirībā no citām gaismām, piemēram, luktura gaismas, lāzeri periodiski izdala gaismu ar sevi. Tas nozīmē, ka katra lāzera viļņa virsotne un sile atrodas vienā līnijā ar tiem, kas nāk pirms un pēc tam, padarot to gaismu sakarīgu.

Lāzeri ir veidoti tā, lai tie izstarotu noteiktu elektromagnētiskā spektra frekvenču gaismu. Daudzos gadījumos šī gaisma izpaužas kā šauri, diskrēti stari, kurus lāzeri izstaro precīzās frekvencēs, bet daži lāzeri izstaro plašu, nepārtrauktu gaismas diapazonu.

Viena no ārējā enerģijas avota darbināmā lāzera iezīmēm ir iedzīvotāju inversija. Šī ir stimulētas emisijas forma, un tā notiek, kad ierosinātā stāvoklī esošo daļiņu skaits pārsniedz zemāka līmeņa enerģijas stāvoklī esošo daļiņu skaitu.

Kad lāzers sasniedz populācijas inversiju, šīs stimulētās emisijas daudzums, ko var radīt gaisma, būs lielāks nekā absorbcijas daudzums no spoguļiem. Tādējādi tiek izveidots optiskais pastiprinātājs, un, ja jūs to ievietojat rezonanses optiskajā dobumā, esat izveidojis lāzera oscilatoru.

Šīs aizraujošo un izstarojošo elektronu metodes veido pamatu tam, lai lāzeri būtu enerģijas avots - lāzera princips, kas sastopams daudzos gadījumos. Kvantizētie līmeņi, ko elektroni var aizņemt, svārstās no zemas enerģijas līmeņa, kuru atbrīvošanai nav nepieciešama daudz enerģijas, un augstas enerģijas daļiņām, kas paliek tuvu un cieši kodolam. Kad elektrons atbrīvojas atomu sadursmes dēļ pareizajā orientācijā un enerģijas līmenī, tā ir spontāna emisija.

Kad notiek spontāna emisija, atoma izstarotajam fotonam ir nejauša fāze un virziens. Tas ir tāpēc, ka nenoteiktības princips neļauj zinātniekiem perfekti precīzi zināt gan daļiņas stāvokli, gan impulsu. Jo vairāk jūs zināt daļiņas stāvokli, jo mazāk jūs zināt tās impulsu un otrādi.

Izmantojot Plankas vienādojumu, varat aprēķināt šo emisiju enerģiju

enerģijaiEdžoulos, biežumsνelektrona s^-1 un Plancka konstanteh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Enerģiju, kas ir fotonam, izstarojot no atoma, var aprēķināt arī kā enerģijas izmaiņas. Lai atrastu saistīto frekvenci ar šīm enerģijas izmaiņām, aprēķinietνizmantojot šīs emisijas enerģētiskās vērtības.

Ņemot vērā plašo lāzeru izmantošanas klāstu, lāzerus var iedalīt kategorijās, ņemot vērā to mērķi, gaismas tipu vai pat pašu lāzeru materiālus. Izdomājot veidu, kā tos klasificēt, ir jāņem vērā visi šie lāzeru izmēri. Viens no veidiem, kā tos grupēt, ir to izmantotā gaismas viļņa garums.

Lāzera elektromagnētiskā starojuma viļņa garums nosaka to izmantojamās enerģijas biežumu un stiprumu. Lielāks viļņa garums korelē ar mazāku enerģijas daudzumu un mazāku frekvenci. Turpretī lielāka gaismas kūļa frekvence nozīmē, ka tam ir vairāk enerģijas.

Jūs varat arī grupēt lāzerus pēc lāzera materiāla veida. Cietvielu lāzeros tiek izmantota cieta atomu matrica, piemēram, neodīms, ko izmanto kristāla Itrija alumīnija granātā, kurā izvietoti neodīma joni šāda veida lāzeriem. Gāzes lāzeri izmanto gāzu maisījumu mēģenē, piemēram, hēlijā un neonā, kas rada sarkanu krāsu. Krāsu lāzerus veido organiski krāsvielu materiāli šķidros šķīdumos vai suspensijās

Krāsu lāzeros izmanto lāzera barotni, kas parasti ir sarežģīta organiskā krāsa šķidrā šķīdumā vai suspensijā. Pusvadītāju lāzeros tiek izmantoti divi pusvadītāju materiāla slāņi, kurus var iebūvēt lielākos blokos. Pusvadītāji ir materiāli, kas vada elektrību, izmantojot izturību starp izolatora un vadītāja izturību kas izmanto nelielu daudzumu piemaisījumu vai ievadītu ķīmisku vielu ievadīto ķīmisko vielu vai izmaiņu dēļ temperatūra.

Visiem to dažādajiem mērķiem visi lāzeri izmanto šos abus gaismas avota komponentus cietā, šķidrā vai gāzes formā, kas izdala elektronus un kaut ko šī avota stimulēšanai. Tas var būt cits lāzers vai paša lāzera materiāla spontāna emisija.

Daži lāzeri izmanto sūknēšanas sistēmas, metodes, kā palielināt daļiņu enerģiju lāzera vidē, kas ļauj viņiem sasniegt satraukto stāvokli, lai veiktu populācijas inversiju. Optiskajā sūknēšanā var izmantot gāzes zibspuldzi, kas enerģiju pārnes uz lāzera materiālu. Gadījumos, kad lāzera materiāla enerģija ir atkarīga no materiāla atomu sadursmēm, sistēmu sauc par sadursmes sūknēšanu.

Lāzera stara komponenti atšķiras arī atkarībā no tā, cik ilgs laiks vajadzīgs enerģijas piegādei. Nepārtraukto viļņu lāzeri izmanto stabilu vidējo staru jaudu. Izmantojot lielākas jaudas sistēmas, jūs parasti varat noregulēt jaudu, taču ar mazākas jaudas gāzes lāzeriem, piemēram, hēlija-neona lāzeriem, jaudas līmenis tiek fiksēts, pamatojoties uz gāzes saturu.

Hēlija-neona lāzers bija pirmā nepārtrauktā viļņu sistēma, un ir zināms, ka tas izstaro sarkanu gaismu. Vēsturiski viņi izmantoja radiofrekvenču signālus, lai uzbudinātu savu materiālu, bet mūsdienās viņi izmanto nelielu tiešās strāvas izlādi starp elektrodiem lāzera mēģenē.

Kad hēlijā esošie elektroni ir satraukti, tie sadursmju rezultātā izdala enerģiju neona atomiem, kas rada populācijas inversiju starp neona atomiem. Arī hēlija-neona lāzers var stabili darboties augstās frekvencēs. To izmanto cauruļvadu izlīdzināšanā, uzmērīšanā un rentgena staros.

Trīs cēlgāzes - argons, kriptons un ksenons - ir pierādījušas lietošanu lāzera pielietojumā desmitiem lāzera frekvenču, kas aptver ultravioleto un infrasarkano staru. Jūs varat arī sajaukt šīs trīs gāzes savā starpā, lai iegūtu noteiktas frekvences un emisijas. Šīs gāzes jonu formā ļauj viņu elektroniem uzbudināties, saduroties viens pret otru, līdz tiek sasniegta populācijas inversija.

Daudzi šāda veida lāzeru modeļi ļaus jums izvēlēties noteiktu viļņa garumu, ko izstaro dobums, lai sasniegtu vēlamās frekvences. Manipulējot ar spoguļu pāri dobumā, jūs varat arī izolēt atsevišķas gaismas frekvences. Trīs gāzes, argons, kriptons un ksenons, ļauj jums izvēlēties no daudzām gaismas frekvenču kombinācijām.

Šie lāzeri rada ļoti stabilas izejas un nerada daudz siltuma. Šie lāzeri parāda tos pašus ķīmiskos un fizikālos principus, kas tiek izmantoti bākās, kā arī spilgtas, elektriskas lampas, piemēram, stroboskopus.

Oglekļa dioksīda lāzeri ir visefektīvākie un efektīvākie no nepārtrauktā viļņa lāzeriem. Tie darbojas, izmantojot elektrisko strāvu plazmas mēģenē, kurā ir gāze oglekļa dioksīds. Elektronu sadursmes uzbudina šīs gāzes molekulas, kas pēc tam izdala enerģiju. Lai iegūtu dažādas lāzera frekvences, varat pievienot arī slāpekli, hēliju, ksenonu, oglekļa dioksīdu un ūdeni.

Aplūkojot lāzera veidus, kurus var izmantot dažādos aros, jūs varat noteikt, kuri no tiem var radīt lielu enerģijas daudzumu jo tiem ir augsts efektivitātes līmenis, tāpēc ka viņi patērē ievērojamu daļu no viņiem piešķirtās enerģijas, daudz neļaujot tiem iet atkritumi. Lai gan hēlija-neona lāzeru efektivitātes līmenis ir mazāks par 0,1%, oglekļa dioksīda lāzeru līmenis ir aptuveni 30 procenti, 300 reizes lielāks nekā hēlija-neona lāzeriem. Neskatoties uz to, atšķirībā no hēlija-neona lāzeriem oglekļa dioksīda lāzeriem ir nepieciešams īpašs pārklājums, lai atspoguļotu vai pārraidītu to atbilstošās frekvences.

Eksimēru lāzeri izmanto ultravioleto (UV) gaismu, kas, pirmo reizi izgudrojot 1975. gadā, mēģināja izveidot fokusētu lāzera staru, kas būtu precīzs mikroķirurģijā un rūpnieciskajā mikrolitogrāfijā. Viņu nosaukums nāk no termina "ierosinātais dimērs", kurā dimērs ir elektrisko gāzes kombināciju rezultāts satraukti ar enerģijas līmeņa konfigurāciju, kas rada noteiktas gaismas frekvences elektromagnētiskā UV diapazonā spektrs.

Šajos lāzeros tiek izmantotas reaktīvas gāzes, piemēram, hlors un fluors, blakus cēlgāzu argonam, kriptonam un ksenonam. Ārsti un pētnieki joprojām pēta to pielietojumu ķirurģiskajos pielietojumos, ņemot vērā to, cik spēcīgus un efektīvus tos var izmantot acu ķirurģijas lāzera lietojumiem. Eksimēra lāzeri nerada siltumu radzenē, bet to enerģija var izjaukt starpmolekulārās saites radzenes audi procesā, ko sauc par "fotoablatīvo sadalīšanos", neradot nevajadzīgu kaitējumu acs.