Како створити ласерски зрак

Искоришћавајући снагу светлости кроз ласере, ласере можете користити у разне сврхе и боље их разумети проучавајући основну физику и хемију која их тера да раде.

Генерално, ласер се производи од ласерског материјала, био он чврсти, течни или гасни, који одаје зрачење у облику светлости. Као скраћеница за „појачавање светлости стимулисаном емисијом зрачења“, метода стимулисаних емисија показује како се ласери разликују од осталих извора електромагнетног зрачења. Знајући како се ове фреквенције светлости појављују, можете да искористите њихов потенцијал за различите намене.

Ласери се могу дефинисати као уређај који активира електроне да емитују електромагнетно зрачење. Ова ласерска дефиниција значи да зрачење може попримити било коју врсту електромагнетног спектра, од радио таласа до гама зрака.

Генерално светлост ласера ​​путује уским путем, али могући су и ласери са широким спектром емитованих таласа. Кроз ове појмове ласера, можете их сматрати таласима баш као океански таласи на морској обали.

Научници су ласере описали у смислу њихове кохерентности, карактеристике која описује да ли је фазна разлика између два сигнала у кораку и да ли имају исту фреквенцију и таласни облик. Ако замислите ласере као таласе са врховима, долинама и удубљењима, разлика у фазама била би како много један талас није у потпуности синхронизован са другим или колико би два таласа била удаљена преклапање.

Фреквенција светлости је колико таласних врхова пролази кроз дату тачку у секунди, а таласна дужина је читава дужина једног таласа од корита до корита или од врха до врха.

Фотони, појединачне квантне честице енергије, чине електромагнетно зрачење ласера. Ови квантизовани пакети значе да светлост ласера ​​увек има енергију вишеструку од енергије а појединачни фотон и да долази у овим квантним „пакетима“. То је оно што ствара електромагнетне таласе налик на честице.

Многе врсте уређаја емитују ласере, попут оптичких шупљина. То су коморе које рефлектују светлост од материјала који емитује електромагнетно зрачење назад у себе. Обично су направљени од два огледала, по једно на сваком крају материјала, тако да, када одражавају светлост, зраке светлости постају јаче. Ови појачани сигнали излазе кроз прозирну сочиву на крају ласерске шупљине.

У присуству извора енергије, попут спољне батерије која напаја струју, материјал који емитује електромагнетно зрачење емитује светлост ласера ​​у различитим енергетским стањима. Ови нивои енергије или квантни нивои зависе од самог изворног материјала. Већа енергетска стања електрона у материјалу имају већу вероватноћу да буду нестабилна или у побуђеним стањима, а ласер ће их емитовати кроз своју светлост.

За разлику од осталих светла, попут светла од батеријске лампе, ласери у себи периодично дају светлост. То значи да се гребен и корито сваког таласа ласера ​​поклапа са валовима који долазе пре и после, чинећи њихово светло кохерентним.

Ласери су дизајнирани на такав начин да одају светлост одређених фреквенција електромагнетног спектра. У многим случајевима ово светло има облик уских, дискретних зрака које ласери емитују на прецизним фреквенцијама, али неки ласери одају широке, непрекидне опсеге светлости.

Једна од карактеристика ласера ​​које напаја спољни извор енергије која се може јавити је инверзија популације. Ово је облик стимулисане емисије и јавља се када број броја честица у побуђеном стању премаши број оних у енергетском стању нижег нивоа.

Када ласер постигне инверзију популације, количина ове стимулисане емисије коју светлост може да створи биће већа од количине апсорпције из огледала. Ово ствара оптичко појачало и, ако га поставите у резонантну оптичку шупљину, створили сте ласерски осцилатор.

Ове методе узбудљивих и емитујућих електрона чине основу за ласере који су извор енергије, а ласерски принцип се налази у многим применама. Квантизовани нивои које електрони могу да заузму варирају од нискоенергетских којима није потребно пуно енергије да би се ослободили и високоенергетских честица које остају блиске и уске уз језгро. Када се електрон ослобађа због атома који се међусобно сударају у правој оријентацији и на нивоу енергије, то је спонтана емисија.

Када се догоди спонтана емисија, фотон који емитује атом има случајну фазу и смер. То је зато што Принцип несигурности спречава научнике да са прецизношћу знају и положај и импулс честице. Што више знате положај честице, то мање знате њен замах и обрнуто.

Можете израчунати енергију ових емисија користећи Планцкову једначину

за енергијуЕ.у џулима, фреквенцијаνелектрона у с^-1 и Планцкова константах​ = ​6.63 × 10^-34 м² кг / с.Енергија коју фотон има када се емитује из атома такође се може израчунати као промена енергије. Израчунајте да бисте пронашли повезану фреквенцију са овом променом енергијеνкористећи енергетске вредности ове емисије.

С обзиром на широк спектар употребе ласера, ласери се могу категорисати на основу намене, врсте светлости или чак материјала самих ласера. Да би се дошло до начина за њихову категоризацију, треба узети у обзир све ове димензије ласера. Један од начина груписања је таласна дужина светлости коју користе.

Таласна дужина електромагнетног зрачења ласера ​​одређује фреквенцију и снагу енергије коју они користе. Већа таласна дужина корелира са мањом количином енергије и мањом фреквенцијом. Супротно томе, већа фреквенција снопа светлости значи да има више енергије.

Ласере такође можете груписати по природи ласерског материјала. Чврсти ласери користе чврсту матрицу атома попут неодимијума који се користи у кристалном итријум алуминијумском гранату у коме се налазе неодимијумски јони за ове врсте ласера. Гасни ласери користе смешу гасова у цеви попут хелијума и неона који стварају црвену боју. Ласери за боје су створени од органских материјала за бојење у течним растворима или суспензијама

Ласери за боје користе ласерски медиј који је обично сложена органска боја у течном раствору или суспензији. Полупроводнички ласери користе два слоја полупроводничког материјала који се могу уградити у веће низове. Полупроводници су материјали који проводе електричну енергију користећи снагу између јачине изолатора и проводника који користе мале количине нечистоћа или уведене хемикалије због уведених хемикалија или промена у температура.

У свим различитим употребама, сви ласери користе ове две компоненте извора светлости у облику чврсте супстанце, течности или гаса који одају електроне и нешто што стимулише овај извор. То може бити други ласер или спонтана емисија самог ласерског материјала.

Неки ласери користе пумпне системе, методе повећања енергије честица у ласерском медијуму које им омогућавају да достигну своја побуђена стања како би направили инверзију популације. Гасна блиц лампа се може користити у оптичком пумпању које преноси енергију на ласерски материјал. У случајевима када се енергија ласерског материјала ослања на сударе атома у материјалу, систем се назива сударањем.

Компоненте ласерског зрака се такође разликују у томе колико времена им треба за испоруку енергије. Ласери са континуираним таласима користе стабилну просечну снагу снопа. Са системима веће снаге можете генерално подесити снагу, али, код гасних ласера ​​мање снаге попут хелијум-неонских ласера, ниво снаге је фиксиран на основу садржаја гаса.

Хелијум-неонски ласер био је први систем непрекидних таласа и познато је да одаје црвено светло. Историјски гледано, користили су радио фреквенцијске сигнале да побуде свој материјал, али данас користе мало пражњење једносмерне струје између електрода у цеви ласера.

Када се електрони у хелијуму побуде, они дају енергију неонским атомима кроз сударе који стварају инверзију популације међу неонским атомима. Хелијум-неонски ласер такође може стабилно да функционише на високим фреквенцијама. Користи се за поравнавање цевовода, снимање и рендгенске снимке.

Три племенита гаса, аргон, криптон и ксенон, показали су употребу у ласерским апликацијама на десетинама ласерских фреквенција које прелазе ултраљубичасту до инфрацрвену. Ова три гаса такође можете мешати међусобно да бисте произвели одређене фреквенције и емисије. Ови гасови у својим јонским облицима омогућавају да се њихови електрони побуде сударајући једни о друге док не постигну инверзију популације.

Многи дизајни ових врста ласера ​​омогућиће вам да одаберете одређену таласну дужину за шупљину која ће емитовати да би се постигле жељене фреквенције. Манипулација паром огледала унутар шупљине такође вам може омогућити да изолујете појединачне фреквенције светлости. Три гаса, аргон, криптон и ксенон, омогућавају вам да изаберете између многих комбинација светлосних фреквенција.

Ови ласери производе високо стабилне излазе и не генеришу много топлоте. Ови ласери показују исте хемијске и физичке принципе који се користе у светионицима, као и светле електричне лампе попут стробоскопа.

Угљен-диоксидни ласери су најефикаснији и најефикаснији од ласера ​​са непрекидним таласима. Они функционишу користећи електричну струју у плаземској цеви која има гас угљен-диоксида. Судари електрона побуђују ове молекуле гаса који затим одају енергију. Такође можете додати азот, хелијум, ксенон, угљен-диоксид и воду да бисте произвели различите ласерске фреквенције.

Када посматрате врсте ласера ​​који се могу користити на различитим подручјима, можете одредити који могу створити велике количине енергије јер имају високу стопу ефикасности такву да користе значајан део енергије која им је дата не пуштајући много да одлази губљење. Док хелијум-неонски ласери имају ефикасност мању од .1%, стопа угљен-диоксидних ласера ​​је око 30 процената, 300 пута већа од хелијум-неонских ласера. Упркос овоме, ласерима са угљен-диоксидом је потребан посебан премаз, за ​​разлику од хелијум-неонских ласера, да би одражавали или одашиљали одговарајуће фреквенције.

Ексимерни ласери користе ултраљубичасту (УВ) светлост која је, када је први пут изумљена 1975. године, покушала да створи фокусирани сноп ласера ​​за прецизност у микрохирургији и индустријској микролитографији. Њихово име потиче од израза „побуђени димер“ у коме је димер производ комбинација гасова који су електрични узбуђен конфигурацијом нивоа енергије која ствара специфичне фреквенције светлости у УВ опсегу електромагнетног поља спектра.

Ови ласери користе реактивне гасове попут хлора и флуора, заједно са количинама племенитих гасова аргона, криптона и ксенона. Лекари и истраживачи још увек истражују њихову употребу у хируршким применама с обзиром на то колико моћни и ефикасни могу да се користе за ласерске примене на операцијама ока. Ексимерни ласери не генеришу топлоту у рожњачи, али њихова енергија може да прекине интермолекуларне везе ткиво рожњаче у процесу који се назива „фотоаблативно разлагање“ без наношења непотребних оштећења око.