Cum să creați o rază laser

Utilizând puterea luminii prin lasere, puteți utiliza lasere pentru o varietate de scopuri și le puteți înțelege mai bine studiind fizica și chimia care le fac să funcționeze.

În general, un laser este produs de un material laser, fie el solid, lichid sau gazos, care emite radiații sub formă de lumină. Ca acronim pentru „amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații”, metoda emisiilor stimulate arată cum diferă laserele de alte surse de radiații electromagnetice. Știind cum apar aceste frecvențe de lumină, puteți să vă valorificați potențialul pentru diferite utilizări.

Laserele pot fi definite ca un dispozitiv care activează electronii pentru a emite radiații electromagnetice. Această definiție a laserului înseamnă că radiațiile pot lua forma oricărui tip pe spectrul electromagnetic, de la unde radio la raze gamma.

În general, lumina laserelor se deplasează de-a lungul unei căi înguste, dar sunt posibile și lasere cu o gamă largă de unde emise. Prin aceste noțiuni de lasere, vă puteți gândi la ele ca la valuri la fel ca valurile oceanului de pe malul mării.

Oamenii de știință au descris laserele în termeni de coerență, o caracteristică care descrie dacă diferența de fază dintre două semnale este în pas și au aceeași frecvență și formă de undă. Dacă vă imaginați laserele ca valuri cu vârfuri, văi și jgheaburi, diferența de fază ar fi cum mult un val nu este chiar sincronizat cu altul sau cât de departe ar fi cele două valuri suprapunându-se.

Frecvența luminii este numărul de vârfuri de undă care trec printr-un punct dat într-o secundă, iar lungimea de undă este întreaga lungime a unei singure unde de la jgheab la jgheab sau de la vârf la vârf.

Fotonii, particule cuantice de energie ale indivizilor, alcătuiesc radiația electromagnetică a unui laser. Aceste pachete cuantificate înseamnă că lumina unui laser are întotdeauna energia ca multiplu al energiei unui foton unic și că vine în aceste „pachete” cuantice. Aceasta este ceea ce face unde electromagnetice sub formă de particule.

Multe tipuri de dispozitive emit lasere, cum ar fi cavități optice. Acestea sunt camere care reflectă lumina dintr-un material care emite radiații electromagnetice înapoi către sine. În general, sunt formate din două oglinzi, una la fiecare capăt al materialului, astfel încât, atunci când reflectă lumina, fasciculele de lumină devin mai puternice. Aceste semnale amplificate ies printr-o lentilă transparentă la capătul cavității laser.

Când este în prezența unei surse de energie, cum ar fi o baterie externă care furnizează curent, materialul care emite radiații electromagnetice emite lumina laserului în diferite stări de energie. Aceste niveluri de energie, sau niveluri cuantice, depind de materialul sursă în sine. Stările cu energie superioară a electronilor din material sunt mai susceptibile de a fi instabile sau în stări excitate, iar laserul le va emite prin lumina sa.

Spre deosebire de alte lumini, cum ar fi lumina unei lanterne, laserele emit lumină în trepte periodice cu sine. Asta înseamnă creasta și jgheabul fiecărei unde a unei linii laser aliniate cu cele ale undelor care vin înainte și după, făcând lumina lor coerentă.

Laserele sunt proiectate astfel încât să emită lumină de frecvențe specifice ale spectrului electromagnetic. În multe cazuri, această lumină ia forma unor fascicule înguste, discrete pe care le lasă laserele la frecvențe precise, dar unele lasere emit degajări largi și continue de lumină.

O caracteristică a unui laser alimentat de o sursă de energie externă care poate apărea este inversarea populației. Aceasta este o formă de emisie stimulată și apare atunci când numărul de particule într-o stare excitată este mai mare decât cele dintr-o stare de energie de nivel inferior.

Când laserul realizează inversiunea populației, cantitatea acestei emisii stimulate pe care lumina o poate crea va fi mai mare decât cantitatea de absorbție din oglinzi. Acest lucru creează un amplificator optic și, dacă plasați unul în interiorul unei cavități optice rezonante, ați creat un oscilator laser.

Aceste metode de excitare și emisiune de electroni formează baza pentru ca laserele să fie o sursă de energie, un principiu laser găsit în multe utilizări. Nivelurile cuantificate pe care le pot ocupa electronii variază de la cele cu energie scăzută care nu necesită multă energie pentru a fi eliberate și particulele cu energie ridicată care rămân aproape și strânse de nucleu. Când electronul se eliberează din cauza coliziunii atomilor între ei în orientarea și nivelul de energie corecte, aceasta este o emisie spontană.

Când apare emisia spontană, fotonul emis de atom are o fază și o direcție aleatorii. Acest lucru se datorează faptului că Principiul Incertitudinii îi împiedică pe oamenii de știință să cunoască atât poziția, cât și impulsul unei particule cu o precizie perfectă. Cu cât știi mai mult despre poziția unei particule, cu atât știi mai puțin despre impulsul ei și invers.

Puteți calcula energia acestor emisii folosind ecuația Planck

pentru o energieEîn jouli, frecvențăνa electronului în s^-1 și constanta lui Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energia pe care o are fotonul atunci când este emis de la un atom poate fi calculată și ca o schimbare a energiei. Pentru a găsi frecvența asociată cu această modificare a energiei, calculațiνfolosind valorile energetice ale acestei emisii.

Având în vedere gama largă de utilizări pentru lasere, laserele pot fi clasificate în funcție de scop, tipul de lumină sau chiar materialele laserelor. Venirea cu o modalitate de a le clasifica trebuie să țină seama de toate aceste dimensiuni ale laserelor. Un mod de a le grupa este prin lungimea de undă a luminii pe care o folosesc.

Lungimea de undă a radiației electromagnetice a unui laser determină frecvența și puterea energiei pe care o utilizează. O lungime de undă mai mare se corelează cu o cantitate mai mică de energie și o frecvență mai mică. În schimb, o frecvență mai mare a unui fascicul de lumină înseamnă că are mai multă energie.

De asemenea, puteți grupa lasere după natura materialului laser. Laserele în stare solidă utilizează o matrice solidă de atomi, cum ar fi neodimul utilizat în granatul de aluminiu Yttrium de cristal, care găzduiește ionii de neodim pentru aceste tipuri de laser. Laserele cu gaz folosesc un amestec de gaze într-un tub precum heliu și neon, care creează o culoare roșie. Laserele colorante sunt create de materiale colorante organice în soluții lichide sau suspensii

Laserele colorante folosesc un mediu laser care este de obicei un colorant organic complex în soluție lichidă sau suspensie. Laserele semiconductoare folosesc două straturi de material semiconductor care pot fi încorporate în tablouri mai mari. Semiconductorii sunt materiale care conduc electricitatea folosind puterea dintre cea a unui izolator și a unui conductor care utilizează cantități mici de impurități sau substanțe chimice introduse din cauza substanțelor chimice introduse sau a modificărilor în temperatura.

Pentru toate utilizările lor diferite, toate laserele utilizează aceste două componente ale unei surse de lumină sub formă de solid, lichid sau gaz care degajă electroni și ceva care să stimuleze această sursă. Acesta poate fi un alt laser sau emisia spontană a materialului laser în sine.

Unele lasere folosesc sisteme de pompare, metode de creștere a energiei particulelor din mediul laser care le lasă să ajungă la stările lor excitate pentru a face inversarea populației. O lampă flash cu gaz poate fi utilizată în pomparea optică care transportă energia către materialul laser. În cazurile în care energia materialului laser se bazează pe coliziuni ale atomilor din material, sistemul este denumit pompare de coliziune.

Componentele unui fascicul laser variază, de asemenea, în ceea ce privește durata de livrare a energiei. Laserele cu unde continue utilizează o putere medie stabilă a fasciculului. Cu sistemele de putere mai mare, puteți regla, în general, puterea, dar, cu laserele cu gaz de putere mai mică, precum laserele cu heliu-neon, nivelul de putere este fixat în funcție de conținutul gazului.

Laserul cu heliu-neon a fost primul sistem de unde continue și se știe că emite o lumină roșie. Din punct de vedere istoric, au folosit semnale de radiofrecvență pentru a-și excita materialul, dar în zilele noastre folosesc o descărcare mică de curent continuu între electrozii din tubul laserului.

Când electronii din heliu sunt excitați, aceștia dau energie atomilor de neon prin coliziuni care creează o inversare a populației printre atomii de neon. Laserul cu heliu-neon poate funcționa, de asemenea, într-un mod stabil la frecvențe înalte. Este utilizat în alinierea conductelor, supravegherea și în raze X.

Trei gaze nobile, argonul, criptonul și xenonul, s-au dovedit a fi folosite în aplicații laser pe zeci de frecvențe laser care se întind de la ultraviolete la infraroșu. De asemenea, puteți amesteca aceste trei gaze între ele pentru a produce frecvențe și emisii specifice. Aceste gaze în formele lor ionice lasă electronii să devină excitați ciocnind unul împotriva celuilalt până când realizează inversarea populației.

Multe modele de acest tip de lasere vă vor permite să selectați o anumită lungime de undă pe care cavitatea să o emită pentru a atinge frecvențele dorite. Manipularea perechii de oglinzi din interiorul cavității vă poate permite, de asemenea, să izolați frecvențe unice de lumină. Cele trei gaze, argonul, criptonul și xenonul, vă permit să alegeți din multe combinații de frecvențe ale luminii.

Aceste lasere produc ieșiri care sunt foarte stabile și nu generează multă căldură. Aceste lasere prezintă aceleași principii chimice și fizice care sunt utilizate în faruri, precum și lămpi electrice strălucitoare, cum ar fi stroboscoapele.

Laserele cu dioxid de carbon sunt cele mai eficiente și eficiente dintre laserele cu undă continuă. Acestea funcționează folosind un curent electric într-un tub de plasmă care are dioxid de carbon gazos. Coliziunile de electroni excită aceste molecule de gaz care apoi degajă energie. De asemenea, puteți adăuga azot, heliu, xenon, dioxid de carbon și apă pentru a produce diferite frecvențe laser.

Când vă uitați la tipurile de laser care pot fi utilizate în diferite arii, puteți determina care dintre acestea pot crea cantități mari de putere deoarece au o rată de eficiență ridicată, astfel încât să folosească o proporție semnificativă din energia care le este dată, fără a lăsa să meargă mult deşeuri. În timp ce laserele cu heliu-neon au o rată de eficiență mai mică de .1%, rata pentru laserele cu dioxid de carbon este de aproximativ 30%, de 300 de ori mai mare decât a laserelor cu heliu-neon. În ciuda acestui fapt, laserele cu dioxid de carbon au nevoie de acoperire specială, spre deosebire de laserele cu heliu-neon, pentru a reflecta sau a transmite frecvențele corespunzătoare.

Laserele cu excimer folosesc lumină ultravioletă (UV) care, când a fost inventată pentru prima dată în 1975, a încercat să creeze un fascicul de lasere focalizat pentru precizie în microchirurgie și microlitografie industrială. Numele lor provine de la termenul "dimer excitat" în care un dimer este produsul combinațiilor de gaze care sunt electrice entuziasmat cu o configurație a nivelului de energie care creează frecvențe specifice de lumină în domeniul UV al electromagneticului spectru.

Aceste lasere utilizează gaze reactive precum clorul și fluorul, alături de cantități de gaze nobile argon, kripton și xenon. Medicii și cercetătorii încă își explorează utilizările în aplicații chirurgicale, având în vedere cât de puternici și eficienți pot fi utilizați pentru aplicații cu laser pentru chirurgia oculară. Laserele excimer nu generează căldură în cornee, dar energia lor poate rupe legăturile intermoleculare țesut corneean într-un proces numit „descompunere fotoablativă” fără a provoca daune inutile ochi.