Hvordan lage en laserstråle

Ved å utnytte lysets kraft gjennom lasere, kan du bruke lasere til en rekke formål og forstå dem bedre ved å studere den underliggende fysikk og kjemi som får dem til å fungere.

Generelt produseres en laser av et lasermateriale, det være seg fast, væske eller gass, som avgir stråling i form av lys. Som et akronym for "lysforsterkning ved stimulert stråling," viser metoden for stimulerte utslipp hvordan lasere skiller seg fra andre kilder til elektromagnetisk stråling. Å vite hvordan disse lysfrekvensene dukker opp kan la deg utnytte potensialet for forskjellige bruksområder.

Lasere kan defineres som en enhet som aktiverer elektroner for å avgi elektromagnetisk stråling. Denne laserdefinisjonen betyr at stråling kan ha form av noe slag på det elektromagnetiske spekteret, fra radiobølger til gammastråler.

Vanligvis beveger laseren seg langs en smal sti, men det er også mulig med lasere med et bredt spekter av utsendte bølger. Gjennom disse forestillingene om lasere kan du tenke på dem som bølger akkurat som havbølger på kysten.

Forskere har beskrevet lasere i form av deres koherens, en funksjon som beskriver om faseforskjellen mellom to signaler er i trinn, og at de har samme frekvens og bølgeform. Hvis du forestiller deg lasere som bølger med topper, daler og kummer, vil faseforskjellen være hvordan mye en bølge er ikke helt synkronisert med en annen, eller hvor langt fra hverandre de to bølgene overlappende.

Lysfrekvensen er hvor mange bølgetopper som passerer gjennom et gitt punkt i løpet av et sekund, og bølgelengden er hele lengden av en enkelt bølge fra dal til dal eller fra topp til topp.

Fotoner, individer kvantepartikler av energi, utgjør den elektromagnetiske strålingen til en laser. Disse kvantiserte pakkene betyr at lyset fra en laser alltid har energien som et multiplum av energien til en enkelt foton og at den kommer i disse kvante "pakkene." Dette er det som lager elektromagnetiske bølger partikkelignende.

Mange typer enheter avgir lasere, for eksempel optiske hulrom. Dette er kamre som reflekterer lyset fra et materiale som avgir elektromagnetisk stråling tilbake til seg selv. De er vanligvis laget av to speil, en i hver ende av materialet slik at når de reflekterer lys, blir lysstrålene sterkere. Disse forsterkede signalene går ut gjennom en gjennomsiktig linse på enden av laserhulen.

Når det er i nærvær av en energikilde, for eksempel et eksternt batteri som forsyner strøm, avgir materialet som avgir elektromagnetisk stråling laserens lys i forskjellige energitilstander. Disse energinivåene, eller kvantennivåene, avhenger av selve kildematerialet. Høyere energitilstander av elektroner i materialet er mer sannsynlig å være ustabile, eller i eksiterte tilstander, og laseren vil avgi disse gjennom sitt lys.

I motsetning til andre lys, for eksempel lyset fra en lommelykt, gir lasere lys i periodiske trinn med seg selv. Det betyr at toppen av hver laserbølge er i tråd med bølgene som kommer før og etter, noe som gjør lyset sammenhengende.

Lasere er utformet slik at de gir lys fra spesifikke frekvenser i det elektromagnetiske spekteret. I mange tilfeller tar dette lyset form av smale, diskrete stråler som laserne avgir med presise frekvenser, men noen lasere avgir brede, kontinuerlige lysområder.

En funksjon av en laser som drives av en ekstern energikilde som kan oppstå, er populasjonsinversjon. Dette er en form for stimulert utslipp, og det oppstår når antallet av antall partikler i en eksitert tilstand er større enn de i en lavere energitilstand.

Når laseren oppnår populasjonsinversjon, vil mengden av dette stimulerte utslippet som lys kan skape være større enn mengden absorpsjon fra speilene. Dette skaper en optisk forsterker, og hvis du plasserer en i et resonant optisk hulrom, har du laget en laseroscillator.

Disse metodene for spennende og emitterende elektroner danner grunnlaget for at lasere er en energikilde, et laserprinsipp som finnes i mange bruksområder. De kvantiserte nivåene som elektroner kan okkupere, varierer fra lavenergi som ikke krever mye energi for å frigjøres og høyenergipartikler som holder seg nær og tett til kjernen. Når elektronet frigjøres på grunn av atomer kolliderer med hverandre i riktig orientering og energinivå, er dette spontan utslipp.

Når spontan utslipp oppstår, har fotonet som sendes ut av atomet en tilfeldig fase og retning. Dette er fordi Usikkerhetsprinsippet hindrer forskere i å kjenne både posisjonen og momentet til en partikkel med perfekt presisjon. Jo mer du vet om en partikkels posisjon, desto mindre vet du om dens fremdrift, og omvendt.

Du kan beregne energien til disse utslippene ved hjelp av Planck-ligningen

for en energiEi joule, frekvensνav elektronet i s^-1 og Planck er konstanth​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energien som en foton har når den sendes ut fra et atom kan også beregnes som en endring i energi. For å finne den tilknyttede frekvensen med denne endringen i energi, beregneνved å bruke energiverdiene til dette utslippet.

Gitt det brede bruksområdet for lasere, kan lasere kategoriseres basert på formål, type lys eller til og med materialene til selve laserne. Å finne en måte å kategorisere dem på, må ta hensyn til alle disse dimensjonene til lasere. En måte å gruppere dem på er bølgelengden på lyset de bruker.

Bølgelengden til en lasers elektromagnetiske stråling bestemmer frekvensen og styrken på energien de bruker. En større bølgelengde korrelerer med en mindre mengde energi og en mindre frekvens. Derimot betyr en større frekvens av en lysstråle at den har mer energi.

Du kan også gruppere lasere etter lasermaterialets art. Solid state-lasere bruker en solid matrise av atomer som neodym brukt i krystall Yttrium Aluminium Granat som huser neodymionene for disse typer laser. Gasslasere bruker en blanding av gasser i et rør som helium og neon som skaper en rød farge. Fargelasere er laget av organiske fargestoffmaterialer i flytende løsninger eller suspensjoner

Fargelasere bruker et lasermedium som vanligvis er et komplekst organisk fargestoff i flytende løsning eller suspensjon. Halvlederlasere bruker to lag halvledermateriale som kan bygges inn i større matriser. Halvledere er materialer som leder strøm ved å bruke styrken mellom en isolator og en leder som bruker små mengder urenheter eller kjemikalier som er introdusert på grunn av introduserte kjemikalier eller endringer i temperatur.

For alle deres forskjellige bruksområder, bruker alle lasere disse to komponentene av en lyskilde i form av fast stoff, væske eller gass som avgir elektroner og noe for å stimulere denne kilden. Dette kan være en annen laser eller spontan emisjon av selve lasermaterialet.

Noen lasere bruker pumpesystemer, metoder for å øke energien til partikler i lasermediet som lar dem nå sine glade tilstander for å gjøre populasjonsinversjon. En gassblitslampe kan brukes i optisk pumping som fører energi til lasermaterialet. I tilfeller der lasermaterialets energi er avhengig av kollisjoner av atomene i materialet, blir systemet referert til som kollisjonspumping.

Komponentene i en laserstråle varierer også i hvor lang tid det tar å levere energi. Kontinuerlige bølgelasere bruker en stabil gjennomsnittlig stråleeffekt. Med systemer med høyere effekt kan du generelt justere effekten, men med lavere effektgasslasere som heliumneonlasere er effektnivået fast basert på innholdet i gassen.

Helium-neon-laseren var det første kontinuerlige bølgesystemet og er kjent for å gi fra seg rødt lys. Historisk brukte de radiofrekvenssignaler for å eksitere materialet, men i dag bruker de en liten likestrømutladning mellom elektroder i laserrøret.

Når elektronene i helium er begeistret, gir de energi til neonatomer gjennom kollisjoner som skaper en populasjonsinversjon blant neonatomene. Helium-neon-laseren kan også fungere på en stabil måte ved høye frekvenser. Den brukes til å justere rørledninger, kartlegging og i røntgenstråler.

Tre edelgasser, argon, krypton og xenon, har vist bruk i laserapplikasjoner over dusinvis av laserfrekvenser som spenner over ultrafiolett til infrarødt. Du kan også blande disse tre gassene med hverandre for å produsere bestemte frekvenser og utslipp. Disse gassene i deres ioniske former lar elektronene bli begeistret ved å kollidere mot hverandre til de oppnår populasjonsinversjon.

Mange design av denne typen lasere lar deg velge en bestemt bølgelengde som hulrommet skal avgi for å oppnå de ønskede frekvensene. Manipulering av speilparet i hulrommet kan også la deg isolere enkeltfrekvenser av lys. De tre gassene, argon, krypton og xenon, lar deg velge mellom mange kombinasjoner av lysfrekvenser.

Disse laserne produserer utganger som er svært stabile og som ikke genererer mye varme. Disse laserne viser de samme kjemiske og fysiske prinsippene som brukes i fyr, så vel som lyse, elektriske lamper som stroboskoper.

Karbondioksidlasere er de mest effektive og effektive av kontinuerlige bølgelasere. De fungerer ved hjelp av en elektrisk strøm i et plasmarør som har karbondioksidgass. Elektronkollisjonene begeistrer disse gassmolekylene som deretter avgir energi. Du kan også tilsette nitrogen, helium, xenon, karbondioksid og vann for å produsere forskjellige laserfrekvenser.

Når du ser på hvilke typer laser som kan brukes i forskjellige områder, kan du bestemme hvilke som kan skape store mengder strøm fordi de har en høy effektivitetsgrad slik at de bruker en betydelig andel av energien gitt dem uten å la mye gå til Avfall. Mens heliumneonlasere har en effektivitetsgrad på mindre enn, 1%, er hastigheten for karbondioksydlasere omtrent 30 prosent, 300 ganger den for heliumneonlasere. Til tross for dette trenger karbondioksydlasere spesielt belegg, i motsetning til heliumneonlasere, for å reflektere eller overføre passende frekvenser.

Excimer-lasere bruker ultrafiolett (UV) lys som, da de ble oppfunnet i 1975, forsøkte å skape en fokusert laserstråle for presisjon innen mikrokirurgi og industriell mikrolitografi. Navnet deres kommer fra begrepet "spent dimer" der en dimer er et produkt av gasskombinasjoner som er elektrisk begeistret med en energinivåkonfigurasjon som skaper spesifikke lysfrekvenser i UV-området til det elektromagnetiske spektrum.

Disse laserne bruker reaktive gasser som klor og fluor sammen med mengder av edelgasser argon, krypton og xenon. Leger og forskere utforsker fremdeles bruken i kirurgiske applikasjoner, gitt hvor kraftige og effektive de kan brukes til laserapplikasjoner for øyekirurgi. Excimer-lasere genererer ikke varme i hornhinnen, men energien deres kan bryte intermolekylære bindinger inn hornhinnevev i en prosess som kalles "fotoablativ nedbrytning" uten å forårsake unødvendig skade på øye.