Как создать лазерный луч

Используя силу света через лазеры, вы можете использовать лазеры для различных целей и лучше понимать их, изучая основную физику и химию, которая заставляет их работать.

Как правило, лазер создается из материала лазера, твердого, жидкого или газового, который испускает излучение в форме света. Как сокращение от «усиление света за счет вынужденного излучения», метод стимулированного излучения показывает, чем лазеры отличаются от других источников электромагнитного излучения. Знание того, как возникают эти частоты света, может позволить вам использовать их потенциал для различных целей.

Лазеры можно определить как устройство, которое активирует электроны для испускания электромагнитного излучения. Это определение лазера означает, что излучение может принимать форму любого вида в электромагнитном спектре, от радиоволн до гамма-лучей.

Обычно свет лазеров проходит по узкому пути, но возможны и лазеры с широким диапазоном излучаемых волн. С помощью этих представлений о лазерах вы можете думать о них как о волнах, подобных океанским волнам на берегу моря.

Ученые описали лазеры с точки зрения их когерентности, характеристики, которая описывает, является ли разность фаз между двумя сигналами одинаковыми и имеют ли они одинаковую частоту и форму волны. Если представить лазеры как волны с пиками, впадинами и впадинами, разность фаз будет такой: одна волна не совсем синхронизирована с другой или насколько далеко друг от друга будут две волны перекрытие.

Частота света - это количество пиков волны, проходящих через данную точку за секунду, а длина волны - это полная длина одной волны от впадины до впадины или от пика до пика.

Фотоны, отдельные квантовые частицы энергии, составляют электромагнитное излучение лазера. Эти квантованные пакеты означают, что свет лазера всегда имеет энергию, кратную энергии одиночный фотон и что он приходит в этих квантовых «пакетах». Это то, что делает электромагнитные волны подобный частице.

Многие типы устройств излучают лазеры, например, оптические резонаторы. Это камеры, которые отражают свет от материала, излучающего электромагнитное излучение, обратно к себе. Обычно они состоят из двух зеркал, по одному на каждом конце материала, так что, когда они отражают свет, лучи света становятся сильнее. Эти усиленные сигналы выходят через прозрачную линзу на конце лазерного резонатора.

В присутствии источника энергии, такого как внешняя батарея, которая подает ток, материал, излучающий электромагнитное излучение, испускает свет лазера с различными энергетическими состояниями. Эти уровни энергии или квантовые уровни зависят от самого исходного материала. Состояния электронов с более высокой энергией в материале с большей вероятностью будут нестабильными или в возбужденном состоянии, и лазер будет излучать их через свой свет.

В отличие от других источников света, таких как свет от фонарика, лазеры излучают свет периодически. Это означает, что гребни и впадины каждой волны лазера совпадают с гребнями волн, которые идут до и после, делая их свет когерентным.

Лазеры сконструированы таким образом, что они излучают свет определенных частот электромагнитного спектра. Во многих случаях этот свет принимает форму узких дискретных лучей, которые лазеры излучают на точных частотах, но некоторые лазеры действительно излучают широкие непрерывные диапазоны света.

Одна из особенностей лазера, питаемого от внешнего источника энергии, которая может иметь место, - это инверсия населенностей. Это форма вынужденного излучения, и оно возникает, когда количество частиц в возбужденном состоянии превышает количество частиц в энергетическом состоянии более низкого уровня.

Когда лазер достигает инверсии населенностей, количество этого стимулированного излучения, которое может создать свет, будет больше, чем количество поглощения зеркалами. Это создает оптический усилитель, и, если вы поместите его в резонансный оптический резонатор, вы создадите лазерный осциллятор.

Эти методы возбуждения и испускания электронов лежат в основе того, что лазеры являются источником энергии, и этот принцип лазера используется во многих сферах. Квантованные уровни, которые могут занимать электроны, варьируются от уровней с низкой энергией, которые не требуют большого количества энергии для высвобождения, и до частиц с высокой энергией, которые остаются близко и плотно прилегают к ядру. Когда электрон высвобождается из-за столкновения атомов друг с другом в правильной ориентации и на правильном энергетическом уровне, это спонтанное излучение.

Когда происходит спонтанное излучение, испускаемый атомом фотон имеет случайную фазу и направление. Это связано с тем, что принцип неопределенности не позволяет ученым с идеальной точностью знать как положение, так и импульс частицы. Чем больше вы знаете о положении частицы, тем меньше вы знаете об ее импульсе, и наоборот.

Вы можете рассчитать энергию этих выбросов, используя уравнение Планка

для энергииEв джоулях, частотаνэлектрона в с^-1 и постоянная Планкачас​ = ​6.63 × 10^-34 м² кг / с.Энергия, которую имеет фотон при испускании из атома, также может быть рассчитана как изменение энергии. Чтобы найти частоту, связанную с этим изменением энергии, вычислитеνиспользуя значения энергии этого излучения.

Учитывая широкий спектр применения лазеров, лазеры можно разделить на категории по назначению, типу света или даже материалам самих лазеров. Придумывая способ их классификации, необходимо учитывать все эти размеры лазеров. Один из способов сгруппировать их по длине волны света, который они используют.

Длина волны электромагнитного излучения лазера определяет частоту и мощность используемой энергии. Большая длина волны коррелирует с меньшим количеством энергии и меньшей частотой. Напротив, более высокая частота луча света означает, что он имеет больше энергии.

Вы также можете сгруппировать лазеры по характеру материала лазера. В твердотельных лазерах используется твердая матрица атомов, такая как неодим, использованная в кристалле иттрий-алюминиевого граната, в котором находятся ионы неодима для этих типов лазеров. В газовых лазерах используется смесь газов в трубке, таких как гелий и неон, которые создают красный цвет. Лазеры на красителях создаются с использованием органических красителей в жидких растворах или суспензиях.

В лазерах на красителях используется лазерная среда, которая обычно представляет собой сложный органический краситель в жидком растворе или суспензии. Полупроводниковые лазеры используют два слоя полупроводникового материала, которые могут быть встроены в массивы большего размера. Полупроводники - это материалы, которые проводят электричество, используя силу между изоляцией и проводником. которые используют небольшое количество примесей или химикатов, введенных из-за введенных химикатов или изменений в температура.

Для всех вариантов использования все лазеры используют эти два компонента источника света в виде твердого тела, жидкости или газа, которые испускают электроны и что-то для стимуляции этого источника. Это может быть другой лазер или спонтанное излучение самого лазерного материала.

Некоторые лазеры используют системы накачки, методы увеличения энергии частиц в лазерной среде, которые позволяют им достигать своих возбужденных состояний, чтобы произвести инверсию населенностей. Газовая импульсная лампа может использоваться в оптической накачке, которая передает энергию лазерному материалу. В тех случаях, когда энергия лазерного материала зависит от столкновений атомов внутри материала, система называется столкновительной накачкой.

Компоненты лазерного луча также различаются по времени, необходимому для доставки энергии. В лазерах непрерывного действия используется стабильная средняя мощность луча. В системах с большей мощностью вы обычно можете регулировать мощность, но с газовыми лазерами меньшей мощности, такими как гелий-неоновые лазеры, уровень мощности фиксируется в зависимости от содержания газа.

Гелий-неоновый лазер был первой системой непрерывного излучения и, как известно, излучает красный свет. Исторически они использовали радиочастотные сигналы для возбуждения материала, но в настоящее время они используют небольшой разряд постоянного тока между электродами в трубке лазера.

Когда электроны в гелии возбуждены, они отдают энергию атомам неона в результате столкновений, которые создают инверсию населенностей между атомами неона. Гелий-неоновый лазер также может стабильно работать на высоких частотах. Он используется при выравнивании трубопроводов, съемке и в рентгеновских лучах.

Три благородных газа, аргон, криптон и ксенон, показали свое применение в лазерных приложениях на десятках лазерных частот, от ультрафиолетового до инфракрасного. Вы также можете смешивать эти три газа друг с другом для получения определенных частот и излучения. Эти газы в их ионной форме позволяют своим электронам возбуждаться, сталкиваясь друг с другом, пока они не достигнут инверсии населенностей.

Многие конструкции этих типов лазеров позволяют выбрать определенную длину волны излучения резонатора для достижения желаемых частот. Манипулируя парой зеркал внутри полости, вы также можете изолировать особые частоты света. Три газа, аргон, криптон и ксенон, позволяют выбирать из множества комбинаций световых частот.

Эти лазеры производят очень стабильные выходы и не выделяют много тепла. Эти лазеры демонстрируют те же химические и физические принципы, которые используются в маяках, а также яркие электрические лампы, такие как стробоскопы.

Лазеры на углекислом газе - самые эффективные и действенные из лазеров непрерывного действия. Они работают, используя электрический ток в плазменной трубке, содержащей углекислый газ. Столкновения электронов возбуждают эти газовые молекулы, которые затем выделяют энергию. Вы также можете добавить азот, гелий, ксенон, углекислый газ и воду для получения различных частот лазера.

Рассматривая типы лазеров, которые могут использоваться в различных областях, вы можете определить, какие из них могут создавать большие количества энергии. потому что они имеют высокий коэффициент полезного действия, так что они используют значительную часть передаваемой им энергии, не теряя при этом много энергии. трата. В то время как гелий-неоновые лазеры имеют коэффициент полезного действия менее 0,1%, коэффициент использования лазеров на диоксиде углерода составляет около 30 процентов, что в 300 раз больше, чем у гелий-неоновых лазеров. Несмотря на это, лазеры на диоксиде углерода нуждаются в специальном покрытии, в отличие от гелий-неоновых лазеров, для отражения или передачи соответствующих частот.

В эксимерных лазерах используется ультрафиолетовый (УФ) свет, который, когда впервые был изобретен в 1975 году, был попыткой создать сфокусированный луч лазеров для прецизионной микрохирургии и промышленной микролитографии. Их название происходит от термина «возбужденный димер», в котором димер является продуктом газовых комбинаций, которые электрически возбуждение с конфигурацией уровня энергии, которая создает определенные частоты света в УФ-диапазоне электромагнитного излучения. спектр.

В этих лазерах используются химически активные газы, такие как хлор и фтор, а также благородные газы аргон, криптон и ксенон. Врачи и исследователи все еще изучают возможности их использования в хирургии, учитывая, насколько мощными и эффективными они могут быть при лазерной хирургии глаза. Эксимерные лазеры не выделяют тепло в роговице, но их энергия может разрушать межмолекулярные связи в роговице. ткань роговицы в процессе, называемом «фотоаблативное разложение», не вызывая ненужного повреждения глаз.