Kako ustvariti laserski žarek

Z izkoriščanjem moči svetlobe z laserji lahko laserje uporabljate za različne namene in jih bolje razumete s preučevanjem osnovne fizike in kemije, zaradi katere delujejo.

Na splošno laser proizvaja laserski material, naj bo trdna snov, tekočina ali plin, ki oddaja sevanje v obliki svetlobe. Kot kratica za "ojačanje svetlobe s spodbujenim oddajanjem sevanja" metoda stimuliranih emisij kaže, kako se laserji razlikujejo od drugih virov elektromagnetnega sevanja. Če veste, kako nastajajo te frekvence svetlobe, lahko izkoristite njihov potencial za različne namene.

Laserje lahko opredelimo kot napravo, ki aktivira elektrone za oddajanje elektromagnetnega sevanja. Ta laserska definicija pomeni, da ima lahko sevanje kakršno koli obliko na elektromagnetnem spektru, od radijskih valov do gama žarkov.

Na splošno svetloba laserjev potuje po ozki poti, možni pa so tudi laserji s širokim spektrom oddajanih valov. S temi pojmi laserjev lahko nanje gledate kot na valove, tako kot na oceanske valove na morski obali.

Znanstveniki so laserje opisali z vidika njihove skladnosti, značilnosti, ki opisuje, ali je fazna razlika med dvema signaloma v koraku in ali imajo enako frekvenco in valovno obliko. Če si laserje predstavljate kot valove z vrhovi, dolinami in koriti, bi bila fazna razlika kako veliko enega vala ni povsem sinhronizirano z drugim ali kako daleč sta vala prekrivanje.

Frekvenca svetlobe je, koliko valovnih vrhov preide skozi določeno točko v sekundi, valovna dolžina pa je celotna dolžina posameznega vala od korita do korita ali od vrha do vrha.

Fotoni, posamezniki, kvantni delci energije, tvorijo elektromagnetno sevanje laserja. Ti kvantizirani paketi pomenijo, da ima svetloba laserja vedno večkratnik energije a en foton in da prihaja v teh kvantnih "paketih". To je tisto, kar ustvarja elektromagnetna valovanja delcem podoben.

Številne vrste naprav oddajajo laserje, na primer optične votline. To so komore, ki odbijajo svetlobo materiala, ki oddaja elektromagnetno sevanje nazaj k sebi. Običajno so narejeni iz dveh ogledal, po eno na obeh koncih materiala, tako da ko odbijajo svetlobo, svetlobni žarki postanejo močnejši. Ti ojačani signali izstopijo skozi prozorno lečo na koncu laserske votline.

V prisotnosti vira energije, kot je zunanja baterija, ki napaja tok, material, ki oddaja elektromagnetno sevanje, oddaja svetlobo laserja v različnih energetskih stanjih. Te ravni energije ali kvantne ravni so odvisne od same izvorne snovi. Višja energetska stanja elektronov v materialu so bolj verjetno nestabilna ali v vzbujenem stanju, laser pa jih bo oddajal skozi svojo svetlobo.

Za razliko od drugih luči, kot je luč svetilke, laserji oddajajo svetlobo v rednih korakih sami s seboj. To pomeni, da se greben in korito vsakega vala laserja poravnata z valovi, ki prihajajo pred in po, zaradi česar je njihova svetloba skladna.

Laserji so zasnovani tako, da oddajajo svetlobo določenih frekvenc elektromagnetnega spektra. Ta svetloba je pogosto v obliki ozkih, ločenih žarkov, ki jih laserji oddajajo z natančnimi frekvencami, vendar nekateri laserji oddajajo široke, neprekinjene obsege svetlobe.

Ena izmed značilnosti laserja, ki ga napaja zunanji vir energije, je inverzija prebivalstva. To je oblika stimulirane emisije in se pojavi, ko število delcev v vzbujenem stanju preseže število delcev v nižjem nivoju energije.

Ko laser doseže inverzijo prebivalstva, bo količina te spodbujene emisije, ki jo lahko ustvari svetloba, večja od količine absorpcije iz ogledal. To ustvari optični ojačevalnik in če ga postavite v resonančno optično votlino, ste ustvarili laserski oscilator.

Te metode vzbujanja in oddajanja elektronov tvorijo osnovo za laserje, ki so vir energije, laserski princip, ki ga najdemo v mnogih uporabah. Kvantizirane ravni, ki jih lahko zasedejo elektroni, segajo od nizkoenergijskih, ki ne zahtevajo sprostitve veliko energije, in visokoenergijskih delcev, ki ostanejo blizu jedra in tesno do njega. Ko se elektron sprosti zaradi medsebojnega trčenja atomov v pravi usmeritvi in ​​na ravni energije, gre za spontano oddajanje.

Ko pride do spontanega oddajanja, ima foton, ki ga oddaja atom, naključno fazo in smer. To pa zato, ker načelo negotovosti znanstvenikom preprečuje, da bi natančno poznali položaj in zagon delca. Bolj ko poznate položaj delca, manj poznate njegov zagon in obratno.

Energijo teh emisij lahko izračunate s pomočjo Planckove enačbe

za energijoEv džulih, frekvencaνelektrona v s^-1 in Planckova konstantah​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Energijo, ki jo ima foton pri oddajanju iz atoma, lahko izračunamo tudi kot spremembo energije. Izračunajte, če želite najti povezano frekvenco s to spremembo energijeνz uporabo energijskih vrednosti te emisije.

Glede na široko paleto uporabe laserjev lahko laserje razvrstimo glede na namen, vrsto svetlobe ali celo materiale samih laserjev. Pri pripravi načina za njihovo kategorizacijo je treba upoštevati vse te dimenzije laserjev. Eden od načinov njihovega razvrščanja je po valovni dolžini svetlobe, ki jo uporabljajo.

Valovna dolžina elektromagnetnega sevanja laserja določa frekvenco in moč energije, ki jo uporabljajo. Večja valovna dolžina je povezana z manjšo količino energije in manjšo frekvenco. Nasprotno pa večja frekvenca svetlobnega žarka pomeni, da ima več energije.

Lasere lahko združite tudi po naravi laserskega materiala. Polprevodniški laserji uporabljajo trdno matriko atomov, kot je neodim, ki se uporablja v kristalnem itrijevem aluminijevem granatu, v katerem so neodimovi ioni za te vrste laserjev. Plinski laserji uporabljajo mešanico plinov v cevi, kot sta helij in neon, ki ustvarjajo rdečo barvo. Barvne laserje ustvarjajo materiali organskih barvil v tekočih raztopinah ali suspenzijah

Barvni laserji uporabljajo laserski medij, ki je običajno kompleksno organsko barvilo v tekoči raztopini ali suspenziji. Polprevodniški laserji uporabljajo dve plasti polprevodniškega materiala, ki jih je mogoče vgraditi v večje nize. Polprevodniki so materiali, ki prevajajo električno energijo z močjo med močjo izolatorja in vodnika ki uporabljajo majhne količine nečistoč ali vnesene kemikalije zaradi vnesenih kemikalij ali sprememb v temperatura.

Vsi laserji uporabljajo ti dve komponenti vira svetlobe v obliki trdne snovi, tekočine ali plina, ki oddaja elektrone in nekaj, kar stimulira ta vir. To je lahko drug laser ali spontano oddajanje samega laserskega materiala.

Nekateri laserji uporabljajo črpalne sisteme, metode za povečanje energije delcev v laserskem mediju, ki jim omogočajo, da dosežejo vzbujena stanja, da naredijo inverzijo prebivalstva. Plinsko bliskavico lahko uporabimo pri optičnem črpanju, ki prenaša energijo na laserski material. V primerih, ko je energija laserskega materiala odvisna od trkov atomov znotraj materiala, sistem imenujemo trčenje.

Sestavni deli laserskega žarka se razlikujejo tudi glede na to, kako dolgo potrebujejo za dovajanje energije. Neprekinjeni valovni laserji uporabljajo stabilno povprečno moč žarka. Pri sistemih z večjo močjo lahko na splošno prilagodite moč, toda pri plinskih laserjih z manjšo močjo, kot so helij-neonski laserji, je raven moči določena glede na vsebnost plina.

Helij-neonski laser je bil prvi sistem neprekinjenega valovanja, za katerega je znano, da oddaja rdečo luč. V preteklosti so uporabljali radiofrekvenčne signale za vzbujanje materiala, danes pa uporabljajo majhen enosmerni izpust med elektrodama v cevi laserja.

Ko so elektroni v heliju vzbujeni, oddajajo energijo neonskim atomom s trki, ki ustvarjajo inverzijo populacije med neonskimi atomi. Helij-neonski laser lahko stabilno deluje tudi pri visokih frekvencah. Uporablja se za poravnavo cevovodov, snemanje in rentgenske žarke.

Trije žlahtni plini, argon, kripton in ksenon, so pokazali uporabo v laserskih aplikacijah na več deset laserskih frekvencah, ki segajo od ultravijoličnega do infrardečega. Te tri pline lahko tudi mešate med seboj, da ustvarite določene frekvence in emisije. Ti plini v svojih ionskih oblikah pustijo, da se njihovi elektroni vzbudijo med trkom, dokler ne dosežejo inverzije prebivalstva.

Številni modeli tovrstnih laserjev vam omogočajo, da izberete določeno valovno dolžino, ki jo bo votlina oddajala, da dosežete želene frekvence. Z manipulacijo z ogledali znotraj votline lahko tudi izolirate posamezne frekvence svetlobe. Trije plini, argon, kripton in ksenon, omogočajo izbiro med številnimi kombinacijami svetlobnih frekvenc.

Ti laserji proizvajajo izide, ki so zelo stabilni in ne ustvarjajo veliko toplote. Ti laserji kažejo enake kemijske in fizikalne principe, ki se uporabljajo v svetilnikih, pa tudi v svetlih električnih svetilkah, kot so stroboskopi.

Laserji z ogljikovim dioksidom so najučinkovitejši in najučinkovitejši laserji z neprekinjenim valovanjem. Delujejo z električnim tokom v plazemski cevi, ki vsebuje plin iz ogljikovega dioksida. Elektronski trki vzbudijo te molekule plina, ki nato oddajajo energijo. Dodate lahko tudi dušik, helij, ksenon, ogljikov dioksid in vodo, da dobite različne laserske frekvence.

Ko preučujete vrste laserjev, ki se lahko uporabljajo na različnih področjih, lahko ugotovite, kateri lahko ustvarijo veliko energije ker imajo visoko stopnjo izkoristka, tako da porabijo znaten delež energije, ki jim je dana, ne da bi veliko pustili odpadki. Medtem ko imajo helij-neonski laserji stopnjo učinkovitosti manj kot .1%, je stopnja za laserje z ogljikovim dioksidom približno 30-odstotna, kar je 300-krat večja od helij-neonskih laserjev. Kljub temu potrebujejo laserji za ogljikov dioksid v nasprotju s helij-neonskimi laserji posebno prevleko, da odsevajo ali oddajajo ustrezne frekvence.

Eksimerni laserji uporabljajo ultravijolično (UV) svetlobo, ki je ob prvem izumu leta 1975 poskušala ustvariti usmerjen žarek laserjev za natančnost v mikrokirurgiji in industrijski mikrolitografiji. Njihovo ime izhaja iz izraza "vzbujeni dimer", pri katerem je dimer produkt kombinacij plinov, ki so električni navdušena s konfiguracijo nivoja energije, ki ustvarja specifične frekvence svetlobe v UV območju elektromagnetnega polja spektra.

Ti laserji uporabljajo reaktivne pline, kot sta klor in fluor, skupaj s količino plemenitih plinov argona, kriptona in ksenona. Zdravniki in raziskovalci še vedno raziskujejo njihovo uporabo v kirurških aplikacijah, glede na to, kako močno in učinkovito jih je mogoče uporabiti za laserske aplikacije za operacijo očesa. Excimer laserji ne ustvarjajo toplote v roženici, vendar njihova energija lahko prekine medmolekularne vezi tkivo roženice v postopku, imenovanem "fotoablativni razpad", ne da bi pri tem povzročil nepotrebno škodo oko.