Een laserstraal maken

Door gebruik te maken van de kracht van licht door middel van lasers, kunt u lasers voor verschillende doeleinden gebruiken en ze beter begrijpen door de onderliggende natuurkunde en scheikunde te bestuderen waardoor ze werken.

Over het algemeen wordt een laser geproduceerd door een lasermateriaal, of het nu vast, vloeibaar of gas is, dat straling afgeeft in de vorm van licht. Als een acroniem voor "lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling", laat de methode van gestimuleerde emissies zien hoe lasers verschillen van andere bronnen van elektromagnetische straling. Als je weet hoe deze lichtfrequenties ontstaan, kun je hun potentieel voor verschillende toepassingen benutten.

Lasers kunnen worden gedefinieerd als een apparaat dat elektronen activeert om elektromagnetische straling uit te zenden. Deze laserdefinitie betekent dat straling alle vormen van het elektromagnetische spectrum kan aannemen, van radiogolven tot gammastralen.

Over het algemeen gaat het licht van lasers langs een smal pad, maar lasers met een breed scala aan uitgezonden golven zijn ook mogelijk. Door deze noties van lasers kun je ze zien als golven, net als oceaangolven aan de kust.

Wetenschappers hebben lasers beschreven in termen van hun coherentie, een functie die beschrijft of het faseverschil tussen twee signalen in de pas is en ze dezelfde frequentie en golfvorm hebben. Als je je lasers voorstelt als golven met pieken, dalen en dalen, zou het faseverschil zijn hoe veel van de ene golf is niet helemaal synchroon met een andere of hoe ver de twee golven van elkaar verwijderd zouden zijn overlappend.

De frequentie van licht is het aantal golfpieken dat in een seconde door een bepaald punt gaat, en de golflengte is de gehele lengte van een enkele golf van dal tot dal of van piek tot piek.

Fotonen, individuele kwantumdeeltjes van energie, vormen de elektromagnetische straling van een laser. Deze gekwantiseerde pakketten betekenen dat het licht van een laser altijd de energie heeft als een veelvoud van de energie van a enkel foton en dat het in deze kwantum "pakketten" komt. Dit is wat elektromagnetische golven maakt deeltjesachtig.

Veel soorten apparaten zenden lasers uit, zoals optische holtes. Dit zijn kamers die het licht weerkaatsen van een materiaal dat elektromagnetische straling naar zichzelf terugzendt. Ze zijn over het algemeen gemaakt van twee spiegels, één aan elk uiteinde van het materiaal, zodat, wanneer ze licht reflecteren, de lichtstralen sterker worden. Deze versterkte signalen gaan naar buiten via een transparante lens aan het uiteinde van de laserholte.

In de aanwezigheid van een energiebron, zoals een externe batterij die stroom levert, zendt het materiaal dat elektromagnetische straling uitstraalt het licht van de laser uit in verschillende energietoestanden. Deze energieniveaus, of kwantumniveaus, zijn afhankelijk van het bronmateriaal zelf. Hogere energietoestanden van elektronen in het materiaal zijn waarschijnlijker onstabiel of in aangeslagen toestanden, en de laser zal deze door zijn licht uitzenden.

In tegenstelling tot andere lichten, zoals het licht van een zaklamp, geven lasers licht in periodieke stappen met zichzelf af. Dat betekent dat de top en het dal van elke golf van een laser op één lijn liggen met die van de golven die ervoor en erna komen, waardoor hun licht coherent wordt.

Lasers zijn zo ontworpen dat ze licht van specifieke frequenties van het elektromagnetische spectrum afgeven. In veel gevallen neemt dit licht de vorm aan van smalle, discrete bundels die de lasers met precieze frequenties uitzenden, maar sommige lasers geven wel brede, continue lichtbereiken af.

Een kenmerk van een laser aangedreven door een externe energiebron die kan optreden is een populatie-inversie. Dit is een vorm van gestimuleerde emissie, en het komt voor wanneer het aantal deeltjes in een aangeslagen toestand groter is dan het aantal deeltjes in een lagere energietoestand.

Wanneer de laser populatie-inversie bereikt, zal de hoeveelheid van deze gestimuleerde emissie die licht kan creëren groter zijn dan de hoeveelheid absorptie door de spiegels. Dit creëert een optische versterker, en als je er een in een resonante optische holte plaatst, heb je een laseroscillator gemaakt.

Deze methoden voor het opwekken en uitzenden van elektronen vormen de basis voor het feit dat lasers een bron van energie zijn, een laserprincipe dat in veel toepassingen wordt gebruikt. De gekwantiseerde niveaus die elektronen kunnen innemen variëren van laagenergetische niveaus die niet veel energie nodig hebben om vrij te komen tot hoogenergetische deeltjes die dicht en dicht bij de kern blijven. Wanneer het elektron vrijkomt doordat de atomen in de juiste oriëntatie en energieniveau op elkaar botsen, is er sprake van spontane emissie.

Wanneer spontane emissie optreedt, heeft het door het atoom uitgezonden foton een willekeurige fase en richting. Dit komt omdat het onzekerheidsprincipe wetenschappers verhindert om zowel de positie als het momentum van een deeltje met perfecte precisie te kennen. Hoe meer je weet van de positie van een deeltje, hoe minder je weet van zijn momentum, en vice versa.

U kunt de energie van deze emissies berekenen met behulp van de Planck-vergelijking

voor een energieEin joule, frequentieνvan het elektron in s^-1 en de constante van Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg/s.De energie die een foton heeft wanneer het door een atoom wordt uitgezonden, kan ook worden berekend als een verandering in energie. Om de bijbehorende frequentie met deze verandering in energie te vinden, bereken jeνmet behulp van de energiewaarden van deze emissie.

Gezien het brede scala aan toepassingen voor lasers, kunnen lasers worden gecategoriseerd op basis van doel, type licht of zelfs de materialen van de lasers zelf. Bij het bedenken van een manier om ze te categoriseren, moet rekening worden gehouden met al deze dimensies van lasers. Een manier om ze te groeperen is door de golflengte van het licht dat ze gebruiken.

De golflengte van de elektromagnetische straling van een laser bepaalt de frequentie en sterkte van de energie die ze gebruiken. Een grotere golflengte correleert met een kleinere hoeveelheid energie en een kleinere frequentie. Daarentegen betekent een grotere frequentie van een lichtstraal dat deze meer energie heeft.

U kunt lasers ook groeperen op de aard van het lasermateriaal. Solid-state lasers gebruiken een vaste matrix van atomen zoals neodymium dat wordt gebruikt in het kristal Yttrium Aluminium Garnet dat de neodymium-ionen voor dit soort lasers herbergt. Gaslasers gebruiken een mengsel van gassen in een buis zoals helium en neon die een rode kleur creëren. Kleurstoflasers worden gemaakt door organische kleurstofmaterialen in vloeibare oplossingen of suspensies

Kleurstoflasers gebruiken een lasermedium dat meestal een complexe organische kleurstof in vloeibare oplossing of suspensie is. Halfgeleiderlasers gebruiken twee lagen halfgeleidermateriaal die in grotere arrays kunnen worden ingebouwd. Halfgeleiders zijn materialen die elektriciteit geleiden met de sterkte tussen die van een isolator en een geleider die kleine hoeveelheden onzuiverheden gebruiken, of chemicaliën die zijn geïntroduceerd, vanwege geïntroduceerde chemicaliën of veranderingen in temperatuur.

Voor al hun verschillende toepassingen gebruiken alle lasers deze twee componenten van een lichtbron in de vorm van een vaste stof, vloeistof of gas die elektronen afgeeft en iets om deze bron te stimuleren. Dit kan een andere laser zijn of de spontane emissie van het lasermateriaal zelf.

Sommige lasers gebruiken pompsystemen, methoden om de energie van deeltjes in het lasermedium te verhogen, waardoor ze hun aangeslagen toestand kunnen bereiken om populatie-inversie te maken. Een gasflitslamp kan worden gebruikt bij optisch pompen dat energie naar het lasermateriaal transporteert. In gevallen waarin de energie van het lasermateriaal afhankelijk is van botsingen van de atomen in het materiaal, wordt het systeem botsingspompen genoemd.

De componenten van een laserstraal variëren ook in hoe lang ze erover doen om energie te leveren. Continue golflasers gebruiken een stabiel gemiddeld bundelvermogen. Bij systemen met een hoger vermogen kunt u over het algemeen het vermogen aanpassen, maar bij gaslasers met een lager vermogen, zoals de helium-neonlasers, wordt het vermogensniveau vastgesteld op basis van de inhoud van het gas.

De helium-neonlaser was het eerste continue golfsysteem en het is bekend dat het een rood licht afgeeft. Vroeger gebruikten ze radiofrequentiesignalen om hun materiaal te exciteren, maar tegenwoordig gebruiken ze een kleine gelijkstroomontlading tussen elektroden in de buis van de laser.

Wanneer de elektronen in helium worden geëxciteerd, geven ze energie af aan neonatomen door botsingen die een populatie-inversie tussen de neonatomen creëren. Ook bij hoge frequenties kan de helium-neon laser stabiel functioneren. Het wordt gebruikt bij het uitlijnen van pijpleidingen, landmeten en in röntgenstralen.

Drie edelgassen, argon, krypton en xenon, zijn gebruikt in lasertoepassingen voor tientallen laserfrequenties die ultraviolet tot infrarood overspannen. Je kunt deze drie gassen ook met elkaar mengen om specifieke frequenties en emissies te produceren. Deze gassen in hun ionische vorm laten hun elektronen opgewonden raken door tegen elkaar te botsen totdat ze populatie-inversie bereiken.

Bij veel ontwerpen van dit soort lasers kunt u een bepaalde golflengte selecteren die de holte moet uitzenden om de gewenste frequenties te bereiken. Door het paar spiegels in de holte te manipuleren, kun je ook singuliere lichtfrequenties isoleren. Met de drie gassen, argon, krypton en xenon, kun je kiezen uit vele combinaties van lichtfrequenties.

Deze lasers produceren outputs die zeer stabiel zijn en niet veel warmte genereren. Deze lasers vertonen dezelfde chemische en fysische principes die worden gebruikt in vuurtorens en heldere, elektrische lampen zoals stroboscopen.

Kooldioxidelasers zijn de meest efficiënte en effectieve lasers met continue golf. Ze werken met behulp van een elektrische stroom in een plasmabuis die kooldioxidegas bevat. De elektronenbotsingen prikkelen deze gasmoleculen die vervolgens energie afgeven. U kunt ook stikstof, helium, xenon, kooldioxide en water toevoegen om verschillende laserfrequenties te produceren.

Als je kijkt naar de soorten lasers die in verschillende gebieden kunnen worden gebruikt, kun je bepalen welke grote hoeveelheden vermogen kunnen genereren omdat ze een hoog rendement hebben, zodat ze een aanzienlijk deel van de energie gebruiken die ze krijgen zonder veel los te laten verspilling. Terwijl helium-neonlasers een efficiëntie van minder dan 0,1% hebben, is de snelheid voor koolstofdioxidelasers ongeveer 30 procent, 300 keer die van helium-neonlasers. Desondanks hebben kooldioxidelasers een speciale coating nodig, in tegenstelling tot helium-neonlasers, om hun juiste frequenties te reflecteren of uit te zenden.

Excimerlasers gebruiken ultraviolet (UV) licht dat, toen het voor het eerst werd uitgevonden in 1975, probeerde een gerichte laserstraal te creëren voor precisie in microchirurgie en industriële microlithografie. Hun naam komt van de term "opgewonden dimeer", waarin een dimeer het product is van gascombinaties die elektrisch opgewonden met een energieniveauconfiguratie die specifieke lichtfrequenties creëert in het UV-bereik van de elektromagnetische spectrum.

Deze lasers gebruiken reactieve gassen zoals chloor en fluor naast hoeveelheden edelgassen argon, krypton en xenon. Artsen en onderzoekers onderzoeken nog steeds hun gebruik in chirurgische toepassingen, gezien hoe krachtig en effectief ze kunnen worden gebruikt voor lasertoepassingen voor oogchirurgie. Excimerlasers genereren geen warmte in het hoornvlies, maar hun energie kan intermoleculaire bindingen verbreken hoornvliesweefsel in een proces dat "fotoablatieve ontleding" wordt genoemd zonder onnodige schade aan de oog.