Ako vytvoriť laserový lúč

Využitím sily svetla prostredníctvom laserov môžete lasery používať na rôzne účely a lepšie im porozumieť pri štúdiu základnej fyziky a chémie, ktorá ich robí funkčnými.

Laser sa vo všeobecnosti vyrába z laserového materiálu, či už pevného, ​​kvapalného alebo plynného, ​​ktorý vydáva žiarenie vo forme svetla. Ako skratka pre „zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia“ ukazuje metóda stimulovaných emisií to, ako sa lasery líšia od iných zdrojov elektromagnetického žiarenia. Vedieť, ako tieto frekvencie svetla vychádzajú, vám umožní využiť ich potenciál na rôzne použitie.

Lasery môžeme definovať ako zariadenie, ktoré aktivuje elektróny na vyžarovanie elektromagnetického žiarenia. Táto laserová definícia znamená, že žiarenie môže mať na elektromagnetickom spektre akúkoľvek formu, od rádiových vĺn po lúče gama.

Svetlo laserov sa spravidla šíri po úzkej ceste, ale sú možné aj lasery so širokou škálou emitovaných vĺn. Vďaka týmto predstavám o laseroch si o nich môžete myslieť ako o vlnách, rovnako ako o vlnách oceánu na pobreží.

Vedci opísali lasery z hľadiska ich koherencie, čo je vlastnosť, ktorá popisuje, či je fázový rozdiel medzi dvoma signálmi v kroku a či majú rovnakú frekvenciu a tvar vlny. Ak si predstavíte lasery ako vlny s vrcholmi, dolinami a žľabmi, fázový rozdiel by bol aký veľa jednej vlny nie je úplne synchronizované s druhou alebo ako ďaleko od seba by tieto dve vlny boli prekrývanie.

Frekvencia svetla je to, koľko vlnových špičiek prechádza daným bodom za sekundu, a vlnová dĺžka je celá dĺžka jednej vlny od žľabu k žľabu alebo od vrcholu k vrcholu.

Fotóny, jednotlivci, kvantové častice energie, tvoria elektromagnetické žiarenie lasera. Tieto kvantované pakety znamenajú, že svetlo lasera má vždy energiu ako násobok energie a jediný fotón a že prichádza v týchto kvantových „balíkoch“. To je to, čo vytvára elektromagnetické vlny časticovitý.

Mnoho typov zariadení vyžaruje lasery, napríklad optické dutiny. Jedná sa o komory, ktoré odrážajú svetlo z materiálu, ktorý vyžaruje elektromagnetické žiarenie späť do seba. Spravidla sú vyrobené z dvoch zrkadiel, jedného na každom konci materiálu, takže keď odrážajú svetlo, lúče svetla zosilnejú. Tieto zosilnené signály vychádzajú cez priehľadnú šošovku na konci laserovej dutiny.

Ak je v prítomnosti zdroja energie, napríklad externej batérie, ktorá dodáva prúd, materiál emitujúci elektromagnetické žiarenie vyžaruje laserové svetlo v rôznych energetických stavoch. Tieto energetické úrovne alebo kvantové úrovne závisia od samotného zdrojového materiálu. Vyššie energetické stavy elektrónov v materiáli sú pravdepodobnejšie nestabilné alebo v excitovaných stavoch a laser ich bude emitovať prostredníctvom svojho svetla.

Na rozdiel od iných svetiel, napríklad svetla z baterky, lasery vydávajú svetlo periodicky samy so sebou. To znamená, že vrchol a žľab každej vlny laserovej čiary sa vyrovná vlnám, ktoré prichádzajú pred a po, čím vytvárajú ich svetlo koherentné.

Lasery sú skonštruované tak, aby vydávali svetlo špecifických frekvencií elektromagnetického spektra. V mnohých prípadoch má toto svetlo formu úzkych, diskrétnych lúčov, ktoré lasery vyžarujú pri presných frekvenciách, ale niektoré lasery vydávajú široký a nepretržitý rozsah svetla.

Jednou z funkcií laseru napájaného z externého zdroja energie, ktorá sa môže vyskytnúť, je inverzia populácie. Toto je forma stimulovanej emisie a nastáva, keď počet častíc v excitovanom stave prevýši počet častíc v energetickom stave nižšej úrovne.

Keď laser dosiahne populačnú inverziu, množstvo tejto stimulovanej emisie, ktoré môže svetlo vytvárať, bude väčšie ako množstvo absorpcie zo zrkadiel. Takto sa vytvorí optický zosilňovač a ak ho umiestnite do rezonančnej optickej dutiny, vytvorili ste laserový oscilátor.

Tieto metódy excitujúcich a emitujúcich elektrónov tvoria základ pre to, aby boli lasery zdrojom energie, čo je laserový princíp nájdený v mnohých použitiach. Kvantované úrovne, ktoré môžu elektróny obsadzovať, sa pohybujú od nízkoenergetických, ktoré nevyžadujú veľa energie na uvoľnenie, až po vysokoenergetické častice, ktoré zostávajú blízko a pevne pri jadre. Keď sa elektrón uvoľní v dôsledku zrážky atómov medzi sebou v správnej orientácii a energetickej úrovni, ide o spontánnu emisiu.

Keď dôjde k spontánnej emisii, má fotón emitovaný atómom náhodnú fázu a smer. Je to tak preto, lebo princíp neistoty bráni vedcom poznať polohu i hybnosť častice s dokonalou presnosťou. Čím viac viete o polohe častice, tým menej viete o jej hybnosti a naopak.

Energiu týchto emisií môžete vypočítať pomocou Planckovej rovnice

za energiuEv jouloch, frekvenciaνelektrónu v s^-1 a Planckova konštantah​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energiu, ktorú má fotón, keď je emitovaný z atómu, možno tiež vypočítať ako zmenu energie. Ak chcete nájsť súvisiacu frekvenciu s touto zmenou energie, vypočítajteνpomocou energetických hodnôt týchto emisií.

Vzhľadom na širokú škálu použitia laserov je možné lasery kategorizovať na základe účelu, typu svetla alebo dokonca podľa materiálov samotných laserov. Pri hľadaní spôsobu ich kategorizácie je potrebné zohľadniť všetky tieto rozmery laserov. Jedným zo spôsobov ich zoskupenia je vlnová dĺžka svetla, ktorú používajú.

Vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia lasera určuje frekvenciu a silu energie, ktorú používajú. Väčšia vlnová dĺžka koreluje s menším množstvom energie a menšou frekvenciou. Naproti tomu vyššia frekvencia lúča svetla znamená, že má viac energie.

Lasery môžete tiež zoskupovať podľa povahy laserového materiálu. Lasery v pevnom stave používajú pevnú matricu atómov, ako je napríklad neodým, používaný v kryštalickom hliníkovom granáte Yttrium, v ktorom sú umiestnené neodýmové ióny pre tieto typy laserov. Plynové lasery používajú zmes plynov v trubici ako hélium a neón, ktoré vytvárajú červenú farbu. Farbiace lasery sa vytvárajú z organických farbiacich materiálov v tekutých roztokoch alebo suspenziách

Lasery na farbenie používajú laserové médium, ktoré je zvyčajne komplexným organickým farbivom v tekutom roztoku alebo suspenzii. Polovodičové lasery používajú dve vrstvy polovodičového materiálu, ktoré je možné zabudovať do väčších polí. Polovodiče sú materiály, ktoré vedú elektrinu pomocou sily medzi izolátorom a vodičom ktoré používajú malé množstvo nečistôt alebo zavedenej chemikálie kvôli zavedeným chemikáliám alebo zmenám v teplota.

Na všetky svoje rôzne účely používajú všetky lasery tieto dve zložky zdroja svetla vo forme pevnej, kvapalnej alebo plynnej látky, ktorá vydáva elektróny a niečo na stimuláciu tohto zdroja. Môže to byť iný laser alebo spontánna emisia samotného laserového materiálu.

Niektoré lasery používajú čerpacie systémy, metódy na zvyšovanie energie častíc v laserovom médiu, ktoré im umožňujú dosiahnuť ich vzrušené stavy, aby došlo k inverzii populácie. Pri optickom čerpaní, ktoré prenáša energiu do laserového materiálu, sa môže použiť plynová výbojka. V prípadoch, keď sa energia laserového materiálu spolieha na kolízie atómov v materiáli, systém sa označuje ako kolízne čerpanie.

Komponenty laserového lúča sa tiež líšia v tom, ako dlho trvá dodanie energie. Lasery s kontinuálnymi vlnami používajú stabilný priemerný výkon lúča. V prípade systémov s vyšším výkonom môžete všeobecne upraviť výkon, ale pri plynových laseroch s nižším výkonom, ako sú napríklad héliovo-neónové lasery, je úroveň výkonu pevne stanovená na základe obsahu plynu.

Hélium-neónový laser bol prvým systémom s nepretržitými vlnami a je známe, že vydáva červené svetlo. Historicky používali na budenie svojho materiálu vysokofrekvenčné signály, ale dnes používajú malý výboj jednosmerného prúdu medzi elektródami v trubici lasera.

Keď sú elektróny v héliu excitované, vydávajú energiu atómom neónu zrážkami, ktoré vytvárajú populačnú inverziu medzi atómami neónu. Hélium-neónový laser môže tiež fungovať stabilne pri vysokých frekvenciách. Používa sa pri zarovnávaní potrubí, meraní a pri röntgenových lúčoch.

Tri vzácne plyny, argón, kryptón a xenón, preukázali použitie v laserových aplikáciách na desiatkach laserových frekvencií, ktoré sa tiahnu ultrafialovým až infračerveným žiarením. Môžete tiež navzájom zmiešať tieto tri plyny, aby ste vytvorili špecifické frekvencie a emisie. Tieto plyny vo svojich iónových formách nechávajú svoje elektróny vzrušovať zrážaním sa navzájom, až kým nedosiahnu populačnú inverziu.

Mnoho návrhov týchto druhov laserov vám umožní zvoliť určitú vlnovú dĺžku, ktorú má dutina vyžarovať, aby ste dosiahli požadované frekvencie. Manipuláciou s dvojicou zrkadiel v dutine môžete tiež izolovať jednotlivé frekvencie svetla. Tri plyny, argón, kryptón a xenón, vám umožňujú výber z mnohých kombinácií svetelných frekvencií.

Tieto lasery produkujú výstupy, ktoré sú vysoko stabilné a negenerujú veľa tepla. Tieto lasery ukazujú rovnaké chemické a fyzikálne princípy, aké sa používajú v majákoch, ako aj v jasných elektrických žiarovkách, ako sú stroboskopy.

Lasery na oxid uhličitý sú najefektívnejšie a najúčinnejšie z laserov s kontinuálnymi vlnami. Fungujú pomocou elektrického prúdu v plazmovej trubici, ktorá obsahuje plynný oxid uhličitý. Zrážky elektrónov excitujú tieto molekuly plynu, ktoré potom vydávajú energiu. Môžete tiež pridať dusík, hélium, xenón, oxid uhličitý a vodu na výrobu rôznych laserových frekvencií.

Pri pohľade na typy laserov, ktoré sa môžu používať v rôznych sférach, môžete určiť, ktoré z nich môžu vytvárať veľké množstvo energie pretože majú takú vysokú účinnosť, že využívajú značnú časť energie, ktorá sa im dáva, bez toho, aby toho veľa nechali mrhať. Zatiaľ čo hélium-neónové lasery majú účinnosť menej ako 0,1%, miera pre lasery na oxid uhličitý je asi 30 percent, čo je 300-krát viac ako u héliových neónových laserov. Napriek tomu lasery na oxid uhličitý potrebujú na rozdiel od héliovo-neónových laserov špeciálny povlak, ktorý odráža alebo prenáša ich príslušné frekvencie.

Excimerové lasery používajú ultrafialové (UV) svetlo, ktoré sa pri prvom vynáleze v roku 1975 pokúsilo vytvoriť zameraný lúč laserov na presnosť v mikrochirurgii a priemyselnej mikrolitografii. Ich názov pochádza z výrazu „excitovaný dimér“, v ktorom je dimér produktom kombinácie plynov, ktoré sú elektricky vzrušený konfiguráciou energetickej úrovne, ktorá vytvára špecifické frekvencie svetla v UV rozsahu elektromagnetického poľa spektrum.

Tieto lasery používajú reaktívne plyny ako chlór a fluór spolu s množstvom vzácnych plynov argón, kryptón a xenón. Lekári a vedci stále skúmajú ich použitie v chirurgických aplikáciách vzhľadom na to, aké výkonné a účinné môžu byť pri laserových aplikáciách na očné chirurgie. Excimerové lasery negenerujú teplo v rohovke, ale ich energia môže narušiť intermolekulárne väzby tkanivo rohovky v procese nazývanom "fotoablatívny rozklad" bez toho, aby došlo k zbytočnému poškodeniu oko.