Jak stworzyć wiązkę laserową

Wykorzystując moc światła za pomocą laserów, możesz używać laserów do różnych celów i lepiej je rozumieć, studiując leżącą u podstaw fizykę i chemię, która sprawia, że ​​działają.

Ogólnie rzecz biorąc, laser jest wytwarzany przez materiał laserowy, czy to stały, płynny czy gazowy, który emituje promieniowanie w postaci światła. Jako akronim oznaczający „wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania” metoda emisji wymuszonej pokazuje, czym lasery różnią się od innych źródeł promieniowania elektromagnetycznego. Wiedząc, jak pojawiają się te częstotliwości światła, możesz wykorzystać ich potencjał do różnych zastosowań.

Lasery można zdefiniować jako urządzenie, które aktywuje elektrony do emitowania promieniowania elektromagnetycznego. Ta definicja lasera oznacza, że ​​promieniowanie może przybierać dowolną postać w widmie elektromagnetycznym, od fal radiowych po promienie gamma.

Generalnie światło laserów porusza się po wąskiej ścieżce, ale możliwe są również lasery o szerokim zakresie emitowanych fal. Dzięki tym pojęciom laserów możesz myśleć o nich jako o falach, tak jak fale oceanu na brzegu morza.

Naukowcy opisali lasery pod kątem ich koherencji, która opisuje, czy różnica faz między dwoma sygnałami jest schodkowa i czy mają tę samą częstotliwość i kształt fali. Jeśli wyobrazisz sobie lasery jako fale ze szczytami, dolinami i dolinami, różnica faz wyglądałaby jak o ile jedna fala nie jest zsynchronizowana z inną lub jak daleko od siebie będą te dwie fale nakładające się.

Częstotliwość światła to liczba szczytów fali przechodzących przez dany punkt w ciągu sekundy, a długość fali to cała długość pojedynczej fali od doliny do doliny lub od szczytu do szczytu.

Fotony, pojedyncze kwantowe cząstki energii, tworzą promieniowanie elektromagnetyczne lasera. Te skwantowane pakiety oznaczają, że światło lasera ma zawsze energię jako wielokrotność energii pojedynczy foton i że jest w tych kwantowych „pakietach”. To właśnie tworzy fale elektromagnetyczne cząsteczkowy.

Wiele rodzajów urządzeń emituje lasery, np. wnęki optyczne. Są to komory, które odbijają światło z materiału, który emituje promieniowanie elektromagnetyczne z powrotem do siebie. Zazwyczaj są one wykonane z dwóch luster, po jednym na każdym końcu materiału, tak że gdy odbijają światło, promienie światła stają się silniejsze. Te wzmocnione sygnały wychodzą przez przezroczystą soczewkę na końcu wnęki lasera.

W obecności źródła energii, takiego jak zewnętrzna bateria dostarczająca prąd, materiał emitujący promieniowanie elektromagnetyczne emituje światło lasera o różnych stanach energetycznych. Te poziomy energii lub poziomy kwantowe zależą od samego materiału źródłowego. Wyższe stany energetyczne elektronów w materiale z większym prawdopodobieństwem będą niestabilne lub w stanach wzbudzonych, a laser będzie je emitował poprzez swoje światło.

W przeciwieństwie do innych świateł, takich jak światło latarki, lasery emitują światło w cyklicznych krokach. Oznacza to, że grzbiet i dolina każdej fali lasera pokrywają się z falami poprzedzającymi i następującymi, dzięki czemu ich światło jest spójne.

Lasery są projektowane w ten sposób, że emitują światło o określonych częstotliwościach widma elektromagnetycznego. W wielu przypadkach światło to przybiera postać wąskich, dyskretnych wiązek, które lasery emitują z określoną częstotliwością, ale niektóre lasery emitują szeroki, ciągły zakres światła.

Jedną z cech lasera zasilanego z zewnętrznego źródła energii, która może wystąpić, jest inwersja populacji. Jest to forma emisji wymuszonej i występuje, gdy liczba cząstek w stanie wzbudzonym przewyższa liczbę cząstek w stanie energetycznym o niższym poziomie.

Kiedy laser osiągnie inwersję populacji, ilość tej stymulowanej emisji, którą może wytworzyć światło, będzie większa niż ilość absorpcji z luster. W ten sposób powstaje wzmacniacz optyczny, a jeśli umieścisz go w rezonansowej wnęce optycznej, stworzysz oscylator laserowy.

Te metody wzbudzania i emitowania elektronów stanowią podstawę laserów będących źródłem energii, zasada lasera znajdująca wiele zastosowań. Skwantowane poziomy, jakie mogą zajmować elektrony, wahają się od niskoenergetycznych, które nie wymagają dużej ilości energii do uwolnienia, oraz wysokoenergetycznych cząstek, które pozostają blisko i ściśle przylegają do jądra. Kiedy elektron zostaje uwolniony w wyniku zderzenia atomów ze sobą we właściwej orientacji i na odpowiednim poziomie energetycznym, jest to emisja spontaniczna.

W przypadku emisji spontanicznej foton emitowany przez atom ma losową fazę i kierunek. Dzieje się tak, ponieważ zasada nieoznaczoności uniemożliwia naukowcom poznanie zarówno położenia, jak i pędu cząstki z idealną precyzją. Im więcej wiesz o położeniu cząstki, tym mniej wiesz o jej pędzie i na odwrót.

Możesz obliczyć energię tych emisji za pomocą równania Plancka

dla energiimiw dżulach, częstotliwośćνelektronu w s^-1 i stała Planckah​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energię fotonu emitowanego z atomu można również obliczyć jako zmianę energii. Aby znaleźć częstotliwość powiązaną z tą zmianą energii, obliczνwykorzystując wartości energetyczne tej emisji.

Biorąc pod uwagę szeroki zakres zastosowań laserów, lasery można kategoryzować na podstawie celu, rodzaju światła, a nawet materiałów samych laserów. Wymyślanie sposobu ich kategoryzacji musi uwzględniać wszystkie te wymiary laserów. Jednym ze sposobów ich grupowania jest długość fali światła, której używają.

Długość fali promieniowania elektromagnetycznego lasera określa częstotliwość i siłę wykorzystywanej przez nie energii. Większa długość fali koreluje z mniejszą ilością energii i mniejszą częstotliwością. Natomiast większa częstotliwość wiązki światła oznacza, że ​​ma ona więcej energii.

Lasery można również grupować według rodzaju materiału laserowego. Lasery na ciele stałym wykorzystują stałą matrycę atomów, taką jak neodym, stosowaną w krysztale itru aluminium granat, który zawiera jony neodymowe dla tego typu laserów. Lasery gazowe wykorzystują mieszaninę gazów w tubie, takich jak hel i neon, które tworzą czerwony kolor. Lasery barwnikowe są tworzone przez organiczne materiały barwnikowe w ciekłych roztworach lub zawiesinach

Lasery barwnikowe wykorzystują ośrodek laserowy, który jest zwykle złożonym barwnikiem organicznym w płynnym roztworze lub zawiesinie. Lasery półprzewodnikowe wykorzystują dwie warstwy materiału półprzewodnikowego, które można wbudować w większe macierze. Półprzewodniki to materiały przewodzące prąd elektryczny o wytrzymałości między izolatorem a przewodem które wykorzystują niewielkie ilości zanieczyszczeń lub wprowadzone chemikalia z powodu wprowadzonych chemikaliów lub zmian w temperatura.

Do wszystkich swoich różnych zastosowań, wszystkie lasery wykorzystują te dwa składniki źródła światła w postaci ciała stałego, cieczy lub gazu, który wydziela elektrony i coś do stymulowania tego źródła. Może to być inny laser lub spontaniczna emisja samego materiału laserowego.

Niektóre lasery wykorzystują układy pompujące, metody zwiększania energii cząstek w ośrodku laserowym, które pozwalają im osiągnąć stany wzbudzone w celu wywołania inwersji populacji. Lampa błyskowa gazowa może być używana do pompowania optycznego, które przenosi energię do materiału laserowego. W przypadkach, w których energia materiału laserowego opiera się na zderzeniach atomów w materiale, system jest określany jako pompowanie kolizyjne.

Składniki wiązki laserowej różnią się również czasem dostarczenia energii. Lasery o fali ciągłej wykorzystują stabilną średnią moc wiązki. W przypadku systemów o wyższej mocy można ogólnie dostosować moc, ale w przypadku laserów gazowych o niższej mocy, takich jak lasery helowo-neonowe, poziom mocy jest ustalany na podstawie zawartości gazu.

Laser helowo-neonowy był pierwszym systemem fali ciągłej i wiadomo, że emituje czerwone światło. Dawniej do wzbudzania materiału używali sygnałów o częstotliwości radiowej, ale obecnie używają niewielkiego wyładowania prądem stałym między elektrodami w tubie lasera.

Kiedy elektrony w helu są wzbudzone, oddają energię atomom neonu poprzez zderzenia, które tworzą inwersję populacji wśród atomów neonu. Laser helowo-neonowy może również działać stabilnie przy wysokich częstotliwościach. Znajduje zastosowanie w wyrównywaniu rurociągów, geodezji i promieniowaniu rentgenowskim.

Trzy gazy szlachetne, argon, krypton i ksenon, wykazały zastosowanie w zastosowaniach laserowych na dziesiątkach częstotliwości lasera, od ultrafioletu do podczerwieni. Możesz również mieszać te trzy gazy ze sobą, aby wytworzyć określone częstotliwości i emisje. Gazy te w swoich formach jonowych pozwalają swoim elektronom wzbudzać się poprzez zderzenia ze sobą, aż osiągną inwersję populacji.

Wiele konstrukcji tego rodzaju laserów pozwala wybrać określoną długość fali, którą wnęka ma emitować, aby osiągnąć pożądane częstotliwości. Manipulowanie parą luster we wnęce może również pozwolić na wyizolowanie pojedynczych częstotliwości światła. Trzy gazy, argon, krypton i ksenon, pozwalają wybierać spośród wielu kombinacji częstotliwości światła.

Te lasery wytwarzają sygnały wyjściowe, które są bardzo stabilne i nie generują dużo ciepła. Lasery te wykazują te same zasady chemiczne i fizyczne, które są używane w latarniach morskich, a także jasne lampy elektryczne, takie jak stroboskopy.

Lasery na dwutlenek węgla są najwydajniejszymi i najskuteczniejszymi z laserów o fali ciągłej. Działają przy użyciu prądu elektrycznego w rurze plazmowej, która zawiera gazowy dwutlenek węgla. Zderzenia elektronów pobudzają te cząsteczki gazu, które następnie wydzielają energię. Możesz również dodać azot, hel, ksenon, dwutlenek węgla i wodę, aby uzyskać różne częstotliwości lasera.

Patrząc na typy laserów, które mogą być używane w różnych obszarach, możesz określić, które z nich mogą wytwarzać duże ilości mocy ponieważ mają wysoki wskaźnik wydajności, dzięki czemu zużywają znaczną część dostarczonej im energii, nie pozwalając na wiele marnotrawstwo. Podczas gdy lasery helowo-neonowe mają wydajność mniejszą niż 0,1%, wydajność laserów na dwutlenek węgla jest około 30%, czyli 300 razy większa niż w przypadku laserów helowo-neonowych. Mimo to lasery na dwutlenek węgla wymagają specjalnej powłoki, w przeciwieństwie do laserów helowo-neonowych, aby odbijały lub przekazywały odpowiednie częstotliwości.

Lasery ekscymerowe wykorzystują światło ultrafioletowe (UV), które po raz pierwszy wynaleziono w 1975 roku, próbując stworzyć skupioną wiązkę laserów dla precyzji w mikrochirurgii i mikrolitografii przemysłowej. Ich nazwa pochodzi od terminu „podekscytowany dimer”, w którym dimer jest produktem kombinacji gazów, które są elektrycznie wzbudzany konfiguracją poziomu energii, która wytwarza określone częstotliwości światła w zakresie UV elektromagnetycznego widmo.

Lasery te wykorzystują gazy reaktywne, takie jak chlor i fluor, a także ilości gazów szlachetnych argonu, kryptonu i ksenonu. Lekarze i badacze wciąż badają ich zastosowania w zastosowaniach chirurgicznych, biorąc pod uwagę, jak potężne i skuteczne mogą być używane w zastosowaniach laserowych w chirurgii oka. Lasery ekscymerowe nie wytwarzają ciepła w rogówce, ale ich energia może rozerwać wiązania międzycząsteczkowe w tkanka rogówki w procesie zwanym „rozkładem fotoablacyjnym” bez powodowania niepotrzebnego uszkodzenia oko.