Hur man skapar en laserstråle

Genom att utnyttja ljusets kraft genom lasrar kan du använda lasrar för en mängd olika syften och förstå dem bättre genom att studera den underliggande fysik och kemi som får dem att fungera.

Generellt produceras en laser av ett lasermaterial, vare sig det är fast, flytande eller gas, som avger strålning i form av ljus. Som en akronym för "ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemission" visar metoden för stimulerade emissioner hur lasrar skiljer sig från andra källor till elektromagnetisk strålning. Att veta hur dessa ljusfrekvenser dyker upp kan låta dig utnyttja deras potential för olika användningsområden.

Lasrar kan definieras som en anordning som aktiverar elektroner för att avge elektromagnetisk strålning. Denna laserdefinition betyder att strålning kan ha formen av vilket slag som helst på det elektromagnetiska spektrumet, från radiovågor till gammastrålar.

I allmänhet färdas laserljus längs en smal väg, men det är också möjligt med lasrar med ett brett spektrum av utsända vågor. Genom dessa föreställningar om lasrar kan du tänka på dem som vågor precis som havsvågor på stranden.

Forskare har beskrivit lasrar i termer av deras koherens, en funktion som beskriver om fasskillnaden mellan två signaler är i steg och de har samma frekvens och vågform. Om du föreställer dig lasrar som vågor med toppar, dalar och dalar, skulle fasskillnaden vara hur mycket en våg är inte helt synkroniserad med en annan eller hur långt ifrån varandra de två vågorna skulle vara överlappande.

Ljusfrekvensen är hur många vågtoppar passerar genom en given punkt på en sekund, och våglängden är hela längden av en enstaka våg från dal till dal eller från topp till topp.

Fotoner, individer kvantpartiklar av energi, utgör en lasers elektromagnetiska strålning. Dessa kvantiserade paket betyder att ljuset från en laser alltid har energin som en multipel av energin i a enda foton och att den kommer i dessa kvant "paket". Det är detta som gör elektromagnetiska vågor partikelliknande.

Många typer av enheter avger lasrar, såsom optiska håligheter. Dessa är kamrar som reflekterar ljuset från ett material som avger elektromagnetisk strålning tillbaka till sig själv. De är vanligtvis gjorda av två speglar, en i vardera änden av materialet så att ljusstrålarna när de reflekterar ljus blir starkare. Dessa förstärkta signaler går ut genom en transparent lins i slutet av laserhåligheten.

I närvaro av en energikälla, till exempel ett externt batteri som matar ström, avger materialet som avger elektromagnetisk strålning laserns ljus i olika energitillstånd. Dessa energinivåer, eller kvantnivåer, beror på själva källmaterialet. Högre energitillstånd för elektroner i materialet är mer benägna att vara instabila eller i upphetsade tillstånd, och lasern kommer att avge dessa genom sitt ljus.

Till skillnad från andra lampor, som ljuset från en ficklampa, avger lasrar ljus i periodiska steg med sig själv. Det betyder att våg och tråg i varje våg av en laser stämmer överens med vågorna som kommer före och efter, vilket gör deras ljus sammanhängande.

Lasrar är utformade så att de avger ljus från specifika frekvenser i det elektromagnetiska spektrumet. I många fall har detta ljus formen av smala, diskreta strålar som lasrarna avger vid exakta frekvenser, men vissa lasrar avger breda, kontinuerliga ljusintervall.

En egenskap hos en laser som drivs av en extern energikälla som kan uppstå är en befolkningsinversion. Detta är en form av stimulerad emission, och det inträffar när antalet partiklar i ett exciterat tillstånd överstiger de i ett lägre energitillstånd.

När lasern uppnår befolkningsinversion kommer mängden av detta stimulerade utsläpp som ljus kan skapa att vara större än mängden absorption från speglarna. Detta skapar en optisk förstärkare, och om du placerar en inuti ett resonant optiskt hålrum har du skapat en laseroscillator.

Dessa metoder för spännande och emitterande elektroner utgör grunden för att lasrar är en energikälla, en laserprincip som finns i många användningsområden. De kvantiserade nivåerna som elektroner kan uppta sträcker sig från lågenerginivåer som inte kräver mycket energi för att frigöras och högenergipartiklar som ligger nära kärnan. När elektronen släpper ut på grund av atomerna kolliderar med varandra i rätt orientering och energinivå är detta spontan emission.

När spontanemission inträffar har foton som släpps ut av atomen en slumpmässig fas och riktning. Detta beror på att osäkerhetsprincipen hindrar forskare från att känna till både partikelns position och momentum med perfekt precision. Ju mer du känner till en partikels position, desto mindre vet du om dess momentum, och vice versa.

Du kan beräkna energin för dessa utsläpp med hjälp av Planck-ekvationen

för en energiEi joule, frekvensνav elektronen i s^-1 och Planck är konstanth​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.Den energi som en foton har när den släpps ut från en atom kan också beräknas som en förändring i energi. För att hitta den tillhörande frekvensen med denna förändring i energi, beräknaνmed energivärdena för denna utsläpp.

Med tanke på det breda användningsområdet för lasrar kan lasrar kategoriseras utifrån syfte, typ av ljus eller till och med materialet i lasrarna själva. Att komma med ett sätt att kategorisera dem måste ta hänsyn till alla dessa dimensioner av lasrar. Ett sätt att gruppera dem är med hjälp av ljusets våglängd.

Våglängden för en lasers elektromagnetiska strålning bestämmer frekvensen och styrkan hos den energi de använder. En större våglängd korrelerar med en mindre mängd energi och en mindre frekvens. Däremot innebär en större frekvens av en ljusstråle att den har mer energi.

Du kan också gruppera lasrar efter lasermaterialets beskaffenhet. Halvledarlaser använder en solid matris av atomer såsom neodymium som används i kristall Yttrium Aluminium Granat som rymmer neodymjoner för dessa typer av laser. Gaslasrar använder en blandning av gaser i ett rör som helium och neon som skapar en röd färg. Färglaser skapas av organiska färgämnen i flytande lösningar eller suspensioner

Färglasrar använder ett lasermedium som vanligtvis är ett komplext organiskt färgämne i flytande lösning eller suspension. Halvledarlaser använder två lager halvledarmaterial som kan byggas in i större matriser. Halvledare är material som leder elektricitet med styrkan mellan en isolator och en ledare som använder små mängder föroreningar eller kemikalier som införs på grund av införda kemikalier eller förändringar i temperatur.

För alla deras olika användningsområden använder alla lasrar dessa två komponenter i en ljuskälla i form av fast, flytande eller gas som avger elektroner och något för att stimulera denna källa. Detta kan vara en annan laser eller den spontana utsändningen av själva lasermaterialet.

Vissa lasrar använder pumpsystem, metoder för att öka partiklarnas energi i lasermediet som låter dem nå sina upphetsade tillstånd för att göra befolkningsinversion. En gasblixtlampa kan användas vid optisk pumpning som transporterar energi till lasermaterialet. I de fall då lasermaterialets energi bygger på kollisioner mellan atomerna i materialet kallas systemet kollisionspumpning.

Komponenterna i en laserstråle varierar också i hur lång tid det tar att leverera energi. Kontinuerliga våglasrar använder en stabil genomsnittlig strålkraft. Med system med högre effekt kan du i allmänhet justera effekten, men med gaslaser med lägre effekt som heliumneonlasrar är effektnivån fixerad baserat på gasens innehåll.

Helium-neonlasern var det första kontinuerliga vågsystemet och är känt för att ge ett rött ljus. Historiskt använde de radiofrekventa signaler för att excitera sitt material, men nuförtiden använder de en liten likströmsurladdning mellan elektroderna i laserns rör.

När elektronerna i helium är upphetsade avger de energi till neonatomer genom kollisioner som skapar en befolkningsinversion bland neonatomerna. Heliumneonlasern kan också fungera på ett stabilt sätt vid höga frekvenser. Den används vid justering av rörledningar, kartläggning och röntgenstrålning.

Tre ädelgaser, argon, krypton och xenon, har visat sig använda i laserapplikationer över dussintals laserfrekvenser som sträcker sig över ultraviolett till infrarött. Du kan också blanda dessa tre gaser med varandra för att producera specifika frekvenser och utsläpp. Dessa gaser i sin jonform låter deras elektroner bli upphetsade genom att kollidera mot varandra tills de uppnår befolkningsinversion.

Många konstruktioner av dessa typer av lasrar låter dig välja en viss våglängd för håligheten att avge för att uppnå önskade frekvenser. Manipulering av paret av speglar i håligheten kan också låta dig isolera enstaka ljusfrekvenser. De tre gaserna, argon, krypton och xenon, låter dig välja mellan många kombinationer av ljusfrekvenser.

Dessa lasrar producerar utgångar som är mycket stabila och inte genererar mycket värme. Dessa lasrar visar samma kemiska och fysiska principer som används i fyrar och ljusa, elektriska lampor som stroboskop.

Koldioxidlasrar är de mest effektiva och effektiva av kontinuerliga våglasrar. De fungerar med en elektrisk ström i ett plasmarör som har koldioxidgas. Elektronkollisionerna exciterar dessa gasmolekyler som sedan avger energi. Du kan också tillsätta kväve, helium, xenon, koldioxid och vatten för att producera olika laserfrekvenser.

När du tittar på de typer av laser som kan användas i olika områden kan du bestämma vilka som kan skapa stora mängder ström eftersom de har en hög verkningsgrad så att de använder en betydande del av den energi som ges till dem utan att släppa mycket åt avfall. Medan heliumneonlasrar har en effektivitetsgrad på mindre än, 1%, är hastigheten för koldioxidlasrar cirka 30 procent, 300 gånger den för heliumneonlasrar. Trots detta behöver koldioxidlasrar speciell beläggning, till skillnad från heliumneonlasrar, för att reflektera eller överföra lämpliga frekvenser.

Excimer-lasrar använder ultraviolett (UV) ljus som, när de först uppfanns 1975, försökte skapa en fokuserad laserstråle för precision inom mikrokirurgi och industriell mikrolitografi. Deras namn kommer från termen "exciterad dimer" där en dimer är produkten av gaskombinationer som är elektriskt upphetsad med en energinivåkonfiguration som skapar specifika ljusfrekvenser i UV-området för det elektromagnetiska spektrum.

Dessa lasrar använder reaktiva gaser som klor och fluor tillsammans med mängden ädelgaser argon, krypton och xenon. Läkare och forskare undersöker fortfarande deras användning i kirurgiska applikationer med tanke på hur kraftfulla och effektiva de kan användas för laserapplikationer för ögonkirurgi. Excimerlasrar genererar inte värme i hornhinnan, men deras energi kan bryta in intermolekylära bindningar hornhinnevävnad i en process som kallas "fotoablativ sönderdelning" utan att orsaka onödig skada på öga.