วิธีการสร้างลำแสงเลเซอร์

ด้วยการควบคุมพลังของแสงผ่านเลเซอร์ คุณสามารถใช้เลเซอร์เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลายและทำความเข้าใจได้ดีขึ้นโดยการศึกษาฟิสิกส์และเคมีพื้นฐานที่ทำให้พวกมันใช้งานได้

โดยทั่วไป เลเซอร์ผลิตโดยวัสดุเลเซอร์ ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ที่ปล่อยรังสีออกมาในรูปของแสง ในฐานะที่เป็นตัวย่อสำหรับ "การขยายแสงโดยการปล่อยรังสีที่ถูกกระตุ้น" วิธีการของการปล่อยรังสีกระตุ้นแสดงให้เห็นว่าเลเซอร์แตกต่างจากแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ อย่างไร การรู้ว่าความถี่ของแสงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ช่วยให้คุณควบคุมศักยภาพของแสงเหล่านี้เพื่อการใช้งานที่หลากหลายได้

เลเซอร์สามารถกำหนดเป็นอุปกรณ์ที่กระตุ้นอิเล็กตรอนเพื่อปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า คำจำกัดความของเลเซอร์นี้หมายความว่าการแผ่รังสีสามารถอยู่ในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าได้ในรูปแบบใดก็ได้ ตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงรังสีแกมมา

โดยทั่วไปแสงของเลเซอร์จะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่แคบ แต่เลเซอร์ที่มีคลื่นที่ปล่อยออกมาในวงกว้างก็เป็นไปได้เช่นกัน ด้วยแนวคิดเกี่ยวกับเลเซอร์เหล่านี้ คุณสามารถมองมันเป็นคลื่นเหมือนกับคลื่นทะเลที่ชายทะเล

นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายเลเซอร์ในแง่ของการเชื่อมโยงกัน ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่อธิบายว่าความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณทั้งสองอยู่ในขั้นตอนหรือไม่ และมีความถี่และรูปคลื่นเท่ากัน หากคุณนึกภาพเลเซอร์เป็นคลื่นที่มียอด หุบเขา และร่องน้ำ ความแตกต่างของเฟสจะเป็นอย่างไร คลื่นลูกหนึ่งไม่สัมพันธ์กับอีกคลื่นหนึ่งหรือว่าคลื่นทั้งสองจะอยู่ห่างจากกันมากแค่ไหน ทับซ้อนกัน

ความถี่ของแสงคือจำนวนยอดคลื่นที่ผ่านจุดที่กำหนดในหนึ่งวินาที และความยาวคลื่นคือความยาวทั้งหมดของคลื่นเดี่ยวจากรางน้ำถึงรางน้ำ หรือจากยอดถึงยอด

โฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคของพลังงานควอนตัม ประกอบเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของเลเซอร์ แพ็คเก็ตเชิงปริมาณเหล่านี้หมายความว่าแสงของเลเซอร์มักจะมีพลังงานเป็นทวีคูณของพลังงานของa โฟตอนเดียวและมันมาใน "แพ็กเก็ต" ควอนตัมเหล่านี้ นี่คือสิ่งที่ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เหมือนอนุภาค

อุปกรณ์หลายชนิดปล่อยเลเซอร์ เช่น ช่องแสง ห้องเหล่านี้เป็นห้องที่สะท้อนแสงจากวัสดุที่ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากลับคืนสู่ตัวเอง โดยทั่วไปแล้วจะทำจากกระจกสองบาน อันหนึ่งอยู่ที่ปลายแต่ละด้านของวัสดุ เพื่อที่เมื่อสะท้อนแสง ลำแสงจะแข็งแรงขึ้น สัญญาณขยายเหล่านี้ออกจากเลนส์โปร่งใสที่ปลายช่องเลเซอร์

เมื่ออยู่ในแหล่งพลังงาน เช่น แบตเตอรี่ภายนอกที่จ่ายกระแส วัสดุที่ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะปล่อยแสงของเลเซอร์ที่สถานะพลังงานต่างๆ ระดับพลังงานเหล่านี้ หรือระดับควอนตัม ขึ้นอยู่กับตัววัสดุเอง สถานะพลังงานที่สูงขึ้นของอิเล็กตรอนในวัสดุมีแนวโน้มที่จะไม่เสถียรหรืออยู่ในสถานะตื่นเต้น และเลเซอร์จะปล่อยสิ่งเหล่านี้ผ่านแสง

ต่างจากแสงอื่นๆ เช่น แสงจากไฟฉาย เลเซอร์จะให้แสงตามระยะด้วยตัวมันเอง นั่นหมายถึงยอดและรางของคลื่นเลเซอร์แต่ละลูกจะเรียงตัวกับคลื่นที่มาก่อนและหลัง ทำให้แสงของพวกมันสอดคล้องกัน

เลเซอร์ได้รับการออกแบบในลักษณะนี้เพื่อให้แสงจากความถี่เฉพาะของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ในหลายกรณี แสงนี้อยู่ในรูปของลำแสงที่แคบและไม่ต่อเนื่องซึ่งเลเซอร์ปล่อยออกมาที่ความถี่ที่แม่นยำ แต่เลเซอร์บางตัวให้ช่วงแสงที่กว้างและต่อเนื่อง

คุณลักษณะหนึ่งของเลเซอร์ที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งพลังงานภายนอกที่อาจเกิดขึ้นคือการผกผันของประชากร นี่คือรูปแบบของการปล่อยก๊าซที่ถูกกระตุ้น และเกิดขึ้นเมื่อจำนวนของอนุภาคในสถานะตื่นเต้นมากกว่าจำนวนอนุภาคในสถานะพลังงานระดับต่ำกว่า

เมื่อเลเซอร์บรรลุการผกผันของประชากร ปริมาณของการปล่อยแสงกระตุ้นที่แสงสามารถสร้างขึ้นนี้จะมากกว่าปริมาณการดูดกลืนจากกระจก สิ่งนี้จะสร้างแอมพลิฟายเออร์ออปติคัล และถ้าคุณวางอันหนึ่งไว้ในช่องออปติคัลเรโซแนนซ์ แสดงว่าคุณได้สร้างเลเซอร์ออสซิลเลเตอร์

วิธีการที่น่าตื่นเต้นและปล่อยอิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับเลเซอร์ที่เป็นแหล่งพลังงาน ซึ่งเป็นหลักการของเลเซอร์ที่พบในการใช้งานหลายอย่าง ระดับเชิงปริมาณที่อิเล็กตรอนสามารถครอบครองได้มีตั้งแต่ระดับพลังงานต่ำที่ไม่ต้องการพลังงานมากนักในการปล่อยและอนุภาคพลังงานสูงที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสและแน่น เมื่ออิเล็กตรอนปล่อยออกมาเนื่องจากอะตอมชนกันในทิศทางที่ถูกต้องและระดับพลังงาน นี่คือการปลดปล่อยที่เกิดขึ้นเอง

เมื่อเกิดการปลดปล่อยโดยธรรมชาติ โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากอะตอมจะมีเฟสและทิศทางแบบสุ่ม ทั้งนี้เป็นเพราะหลักการความไม่แน่นอนป้องกันนักวิทยาศาสตร์จากการรู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคด้วยความแม่นยำที่สมบูรณ์แบบ ยิ่งคุณรู้ตำแหน่งของอนุภาคมากเท่าไร คุณก็จะยิ่งรู้โมเมนตัมของมันน้อยลงเท่านั้น และในทางกลับกัน

คุณสามารถคำนวณพลังงานของการปล่อยเหล่านี้ได้โดยใช้สมการพลังค์

เพื่อพลังงานอีเป็นจูล ความถี่νของอิเล็กตรอนใน s^-1 และค่าคงที่ของพลังค์ห่า​ = ​6.63 × 10^-34 ม² กก. / วินาทีพลังงานที่โฟตอนมีเมื่อถูกปล่อยออกมาจากอะตอมสามารถคำนวณได้จากการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน ในการหาความถี่ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานนี้ ให้คำนวณνโดยใช้ค่าพลังงานของการปล่อยนี้

ด้วยการใช้งานเลเซอร์ที่หลากหลาย เลเซอร์สามารถจัดประเภทตามวัตถุประสงค์ ประเภทของแสง หรือแม้แต่วัสดุของเลเซอร์เอง วิธีการจัดหมวดหมู่ต้องคำนึงถึงมิติทั้งหมดของเลเซอร์เหล่านี้ วิธีหนึ่งในการจัดกลุ่มพวกมันคือความยาวคลื่นของแสงที่ใช้

ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของเลเซอร์เป็นตัวกำหนดความถี่และความแรงของพลังงานที่ใช้ ความยาวคลื่นที่มากขึ้นสัมพันธ์กับพลังงานในปริมาณที่น้อยกว่าและความถี่ที่น้อยกว่า ในทางตรงกันข้าม ลำแสงที่มีความถี่มากขึ้นหมายความว่ามีพลังงานมากกว่า

คุณยังสามารถจัดกลุ่มเลเซอร์ตามลักษณะของวัสดุเลเซอร์ได้ เลเซอร์โซลิดสเตตใช้เมทริกซ์ที่เป็นของแข็งของอะตอม เช่น นีโอไดเมียมที่ใช้ในคริสตัล Yttrium Aluminium Garnet ที่มีไอออนนีโอไดเมียมสำหรับเลเซอร์ประเภทนี้ เลเซอร์แก๊สใช้ส่วนผสมของก๊าซในหลอด เช่น ฮีเลียมและนีออนที่สร้างสีแดง เลเซอร์สีย้อมถูกสร้างขึ้นโดยวัสดุย้อมอินทรีย์ในสารละลายของเหลวหรือสารแขวนลอย

เลเซอร์สีย้อมใช้สื่อเลเซอร์ที่มักจะเป็นสีย้อมอินทรีย์ที่ซับซ้อนในสารละลายของเหลวหรือสารแขวนลอย เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชั้นที่สามารถสร้างเป็นอาร์เรย์ขนาดใหญ่ได้ เซมิคอนดักเตอร์คือวัสดุที่นำไฟฟ้าโดยใช้กำลังระหว่างฉนวนกับตัวนำ ที่ใช้สิ่งเจือปนเล็กน้อยหรือสารเคมีที่นำเข้าเนื่องจากสารเคมีที่นำเข้าหรือการเปลี่ยนแปลงใน อุณหภูมิ.

สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันทั้งหมด เลเซอร์ทั้งหมดใช้ส่วนประกอบทั้งสองนี้ของแหล่งกำเนิดแสงในรูปแบบของของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซที่ปล่อยอิเล็กตรอนและบางสิ่งเพื่อกระตุ้นแหล่งกำเนิดแสงนี้ นี่อาจเป็นเลเซอร์อื่นหรือการปล่อยวัสดุเลเซอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ

เลเซอร์บางชนิดใช้ระบบสูบน้ำ ซึ่งเป็นวิธีการเพิ่มพลังงานของอนุภาคในตัวกลางเลเซอร์ ซึ่งทำให้พวกมันไปถึงสถานะที่ตื่นเต้นเพื่อทำให้ประชากรผกผัน หลอดแก๊สสามารถใช้ในการสูบน้ำด้วยแสงที่ส่งพลังงานไปยังวัสดุเลเซอร์ ในกรณีที่พลังงานของวัสดุเลเซอร์อาศัยการชนกันของอะตอมภายในวัสดุ ระบบจะเรียกว่าปั๊มชนกัน

ส่วนประกอบของลำแสงเลเซอร์ยังแตกต่างกันไปตามระยะเวลาที่ใช้ในการส่งพลังงาน เลเซอร์คลื่นต่อเนื่องใช้พลังงานลำแสงเฉลี่ยที่เสถียร ด้วยระบบพลังงานที่สูงกว่า โดยทั่วไปคุณสามารถปรับกำลังได้ แต่ด้วยเลเซอร์ก๊าซที่มีกำลังต่ำกว่า เช่น เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ระดับพลังงานจะคงที่ตามปริมาณก๊าซ

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนเป็นระบบคลื่นต่อเนื่องระบบแรก และเป็นที่ทราบกันดีว่าให้แสงสีแดง ในอดีต พวกเขาใช้สัญญาณความถี่วิทยุเพื่อกระตุ้นวัสดุของพวกเขา แต่ทุกวันนี้พวกเขาใช้กระแสไฟตรงขนาดเล็กระหว่างอิเล็กโทรดในหลอดเลเซอร์

เมื่ออิเล็กตรอนในฮีเลียมตื่นเต้น พวกมันจะปล่อยพลังงานให้กับอะตอมของนีออนผ่านการชนกันซึ่งสร้างการผกผันของประชากรระหว่างอะตอมนีออน เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนยังสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่ความถี่สูง ใช้ในการจัดแนวท่อ การสำรวจ และในการเอ็กซเรย์

ก๊าซมีตระกูลสามชนิด ได้แก่ อาร์กอน คริปทอน และซีนอน ได้แสดงให้เห็นการใช้งานในการใช้งานเลเซอร์ในความถี่เลเซอร์หลายสิบชนิดที่ครอบคลุมรังสีอัลตราไวโอเลตถึงอินฟราเรด คุณยังสามารถผสมก๊าซทั้งสามนี้เข้าด้วยกันเพื่อสร้างความถี่และการปล่อยมลพิษที่เฉพาะเจาะจง ก๊าซเหล่านี้ในรูปแบบไอออนิกทำให้อิเล็กตรอนของพวกมันตื่นเต้นโดยการชนกันจนกว่าพวกมันจะเกิดการผกผันของประชากร

การออกแบบจำนวนมากของเลเซอร์ประเภทนี้จะให้คุณเลือกความยาวคลื่นที่แน่นอนสำหรับช่องที่จะปล่อยออกมาเพื่อให้ได้ความถี่ที่ต้องการ การจัดการกระจกคู่หนึ่งภายในโพรงยังช่วยให้คุณแยกความถี่แสงเอกพจน์ได้อีกด้วย ก๊าซสามชนิด อาร์กอน คริปทอน และซีนอน ช่วยให้คุณเลือกความถี่แสงที่ผสมกันได้หลายแบบ

เลเซอร์เหล่านี้สร้างเอาต์พุตที่มีความเสถียรสูงและไม่ก่อให้เกิดความร้อนมากนัก เลเซอร์เหล่านี้แสดงหลักการทางเคมีและทางกายภาพแบบเดียวกับที่ใช้ในประภาคารและหลอดไฟไฟฟ้าที่สว่าง เช่น สโตรโบสโคป

เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์เป็นเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผลสูงสุด พวกมันทำงานโดยใช้กระแสไฟฟ้าในหลอดพลาสม่าที่มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การชนกันของอิเล็กตรอนกระตุ้นโมเลกุลของก๊าซเหล่านี้และปล่อยพลังงาน คุณยังสามารถเติมไนโตรเจน ฮีเลียม ซีนอน คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ เพื่อสร้างความถี่เลเซอร์ที่แตกต่างกัน

เมื่อพิจารณาถึงประเภทของเลเซอร์ที่อาจใช้ใน are ต่างๆ กัน คุณสามารถระบุได้ว่าเลเซอร์ชนิดใดที่สามารถสร้างพลังงานจำนวนมากได้ เพราะมีอัตราประสิทธิภาพสูงจึงใช้พลังงานในสัดส่วนที่มีนัยสำคัญโดยไม่ปล่อยมากไป ของเสีย. แม้ว่าเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนจะมีอัตราประสิทธิภาพน้อยกว่า .1% แต่อัตราสำหรับเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์จะอยู่ที่ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสูงกว่าเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนถึง 300 เท่า อย่างไรก็ตาม เรื่องนี้ เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์จำเป็นต้องมีการเคลือบพิเศษ ซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน เพื่อสะท้อนหรือส่งผ่านความถี่ที่เหมาะสม

เลเซอร์ Excimer ใช้แสงอัลตราไวโอเลต (UV) ซึ่งเมื่อประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกในปี 1975 พยายามสร้างลำแสงเลเซอร์แบบโฟกัสเพื่อความแม่นยำในการผ่าตัดขนาดเล็กและไมโครลิโทกราฟีเชิงอุตสาหกรรม ชื่อของมันมาจากคำว่า "excited dimer" โดยที่ dimer เป็นผลคูณของก๊าซผสมที่เป็นไฟฟ้า ตื่นเต้นกับการกำหนดค่าระดับพลังงานที่สร้างความถี่แสงเฉพาะในช่วง UV ของแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นความถี่.

เลเซอร์เหล่านี้ใช้ก๊าซปฏิกิริยาเช่นคลอรีนและฟลูออรีนควบคู่ไปกับปริมาณก๊าซมีตระกูลอาร์กอน คริปทอนและซีนอน แพทย์และนักวิจัยยังคงสำรวจการใช้งานของพวกเขาในการใช้งานศัลยกรรม เนื่องจากมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลสำหรับการประยุกต์ใช้เลเซอร์ศัลยกรรมตา เลเซอร์ Excimer ไม่สร้างความร้อนในกระจกตา แต่พลังงานของพวกมันสามารถทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลใน เนื้อเยื่อกระจกตาในกระบวนการที่เรียกว่า "การสลายตัวด้วยแสง" โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหายโดยไม่จำเป็น ตา.