Lazer Işını Nasıl Oluşturulur

Lazerler aracılığıyla ışığın gücünden yararlanarak, lazerleri çeşitli amaçlar için kullanabilir ve onları çalıştıran temel fizik ve kimyayı inceleyerek onları daha iyi anlayabilirsiniz.

Genel olarak bir lazer, ister katı, ister sıvı veya gaz olsun, ışık şeklinde radyasyon yayan bir lazer malzemesinden üretilir. "Uyarılmış radyasyon emisyonu ile ışık amplifikasyonu"nun bir kısaltması olarak, uyarılmış emisyon yöntemi, lazerlerin diğer elektromanyetik radyasyon kaynaklarından nasıl farklı olduğunu gösterir. Bu ışık frekanslarının nasıl ortaya çıktığını bilmek, çeşitli kullanımlar için potansiyellerinden yararlanmanıza izin verebilir.

Lazerler, elektromanyetik radyasyon yaymak için elektronları harekete geçiren bir cihaz olarak tanımlanabilir. Bu lazer tanımı, radyasyonun radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar elektromanyetik spektrumda her türlü biçimi alabileceği anlamına gelir.

Genellikle lazerlerin ışığı dar bir yol boyunca hareket eder, ancak çok çeşitli yayılan dalgalara sahip lazerler de mümkündür. Bu lazer kavramları sayesinde, onları tıpkı deniz kıyısındaki okyanus dalgaları gibi dalgalar olarak düşünebilirsiniz.

Bilim adamları, lazerleri tutarlılıkları açısından tanımladılar; bu, iki sinyal arasındaki faz farkının adım adım olup olmadığını ve aynı frekans ve dalga biçimine sahip olup olmadığını açıklayan bir özellik. Lazerleri tepeleri, vadileri ve çukurları olan dalgalar olarak hayal ederseniz, faz farkı nasıl olur? bir dalganın çoğu diğeriyle tam olarak senkronize değil veya iki dalganın birbirinden ne kadar uzakta olacağı örtüşen.

Işığın frekansı, belirli bir noktadan bir saniyede kaç dalga tepesinin geçtiğidir ve dalga boyu, tek bir dalganın dipten dibe veya tepeden tepeye tüm uzunluğudur.

Fotonlar, bireylerin kuantum enerji parçacıkları, bir lazerin elektromanyetik radyasyonunu oluşturur. Bu nicelenmiş paketler, bir lazer ışığının her zaman bir lazerin enerjisinin katları olarak enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. tek bir foton ve bu kuantum "paketleri" içinde geliyor. Elektromanyetik dalgaları yapan budur. parçacık benzeri.

Optik boşluklar gibi birçok cihaz türü lazer yayar. Elektromanyetik radyasyon yayan bir materyalden aldığı ışığı kendisine geri yansıtan odalardır. Genellikle malzemenin her iki ucunda birer tane olmak üzere iki aynadan yapılırlar, öyle ki ışığı yansıttıklarında ışık huzmeleri daha güçlü hale gelir. Bu güçlendirilmiş sinyaller, lazer boşluğunun ucundaki şeffaf bir mercekten çıkar.

Akım sağlayan harici bir pil gibi bir enerji kaynağının varlığında, elektromanyetik radyasyon yayan malzeme lazerin ışığını çeşitli enerji durumlarında yayar. Bu enerji seviyeleri veya kuantum seviyeleri, kaynak malzemenin kendisine bağlıdır. Malzemedeki elektronların daha yüksek enerji durumlarının kararsız veya uyarılmış durumlarda olması daha olasıdır ve lazer bunları ışığı aracılığıyla yayacaktır.

Bir el fenerinden gelen ışık gibi diğer ışıkların aksine, lazerler kendi kendine periyodik adımlarla ışık yayar. Bu, bir lazerin her dalgasının tepesi ve çukurunun, ışıklarını tutarlı hale getiren önceki ve sonraki dalgalarınkilerle aynı hizada olduğu anlamına gelir.

Lazerler, elektromanyetik spektrumun belirli frekanslarının ışığını yayacak şekilde tasarlanmıştır. Çoğu durumda, bu ışık, lazerlerin kesin frekanslarda yaydığı dar, ayrı ışınlar biçimini alır, ancak bazı lazerler geniş, sürekli ışık aralıkları yayar.

Oluşabilecek harici bir enerji kaynağı tarafından çalıştırılan bir lazerin bir özelliği, popülasyonun ters çevrilmesidir. Bu uyarılmış emisyonun bir şeklidir ve uyarılmış haldeki parçacıkların sayısı daha düşük seviyedeki enerji halindekilerden fazla olduğunda meydana gelir.

Lazer popülasyon ters çevrilmesine ulaştığında, ışığın yaratabileceği bu uyarılmış emisyon miktarı aynalardan emilen miktardan daha büyük olacaktır. Bu, bir optik yükseltici yaratır ve eğer bir taneyi rezonanslı bir optik boşluğa yerleştirirseniz, bir lazer osilatörü yaratmış olursunuz.

Bu heyecan verici ve elektron yayma yöntemleri, birçok kullanımda bulunan bir lazer ilkesi olan bir enerji kaynağı olan lazerlerin temelini oluşturur. Elektronların kaplayabileceği nicelenmiş seviyeler, serbest bırakılması için fazla enerji gerektirmeyen düşük enerjili olanlardan ve çekirdeğe yakın ve sıkı kalan yüksek enerjili parçacıklardan oluşur. Atomların doğru yönde ve enerji seviyesinde çarpışması sonucu elektron serbest kaldığında, bu kendiliğinden emisyondur.

Kendiliğinden emisyon meydana geldiğinde, atom tarafından yayılan foton rastgele bir faza ve yöne sahiptir. Bunun nedeni, Belirsizlik İlkesinin bilim adamlarının bir parçacığın hem konumunu hem de momentumunu mükemmel bir kesinlikle bilmesini engellemesidir. Bir parçacığın konumu hakkında ne kadar çok şey bilirseniz, momentumu hakkında o kadar az şey bilirsiniz ve bunun tersi de geçerlidir.

Planck denklemini kullanarak bu emisyonların enerjisini hesaplayabilirsiniz.

bir enerji içinEjoule cinsinden, frekansνelektronun s cinsinden^-1 ve Planck sabitih​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / sn.Bir fotonun bir atomdan yayılırken sahip olduğu enerji, enerjideki bir değişiklik olarak da hesaplanabilir. Enerjideki bu değişimle ilişkili frekansı bulmak içinνBu emisyonun enerji değerlerini kullanarak.

Lazerlerin geniş kullanım yelpazesi göz önüne alındığında, lazerler amaca, ışık tipine ve hatta lazerlerin malzemelerine göre kategorize edilebilir. Bunları kategorize etmenin bir yolunu bulmak, lazerlerin tüm bu boyutlarını hesaba katmalıdır. Bunları gruplandırmanın bir yolu, kullandıkları ışığın dalga boyudur.

Bir lazerin elektromanyetik radyasyonunun dalga boyu, kullandıkları enerjinin frekansını ve gücünü belirler. Daha büyük bir dalga boyu, daha az miktarda enerji ve daha küçük bir frekans ile ilişkilidir. Buna karşılık, bir ışık huzmesinin daha yüksek frekansı, daha fazla enerjiye sahip olduğu anlamına gelir.

Lazerleri, lazer malzemesinin doğasına göre de gruplandırabilirsiniz. Katı hal lazerleri, bu tür lazerler için neodimyum iyonlarını barındıran kristal Yttrium Alüminyum Garnet'te kullanılan neodimyum gibi katı bir atom matrisi kullanır. Gaz lazerleri, kırmızı bir renk oluşturan helyum ve neon gibi bir tüp içinde gazların bir karışımını kullanır. Boya lazerleri, sıvı çözeltiler veya süspansiyonlar içindeki organik boya malzemeleri tarafından oluşturulur.

Boya lazerleri, genellikle sıvı çözelti veya süspansiyon içinde karmaşık bir organik boya olan bir lazer ortamı kullanır. Yarı iletken lazerler, daha büyük dizilere yerleştirilebilen iki kat yarı iletken malzeme kullanır. Yarı iletkenler, yalıtkan ve iletken arasındaki kuvveti kullanarak elektriği ileten malzemelerdir. Girilen kimyasallar veya değişiklikler nedeniyle az miktarda yabancı madde kullanan veya eklenen kimyasallar sıcaklık.

Tüm farklı kullanımları için, tüm lazerler bir ışık kaynağının bu iki bileşenini katı, sıvı veya gaz şeklinde elektron veren ve bu kaynağı uyaracak bir şey kullanır. Bu, başka bir lazer veya lazer malzemesinin kendisinin kendiliğinden emisyonu olabilir.

Bazı lazerler, popülasyon inversiyonu yapmak için uyarılmış durumlarına ulaşmalarını sağlayan lazer ortamındaki parçacıkların enerjisini artırma yöntemleri olan pompalama sistemlerini kullanır. Lazer malzemesine enerji taşıyan optik pompalamada bir gaz flaş lambası kullanılabilir. Lazer malzemesinin enerjisinin, malzeme içindeki atomların çarpışmasına bağlı olduğu durumlarda, sistem çarpışma pompalaması olarak adlandırılır.

Bir lazer ışınının bileşenleri, enerjiyi iletmenin ne kadar sürdüğüne göre de değişir. Sürekli dalga lazerleri, sabit bir ortalama ışın gücü kullanır. Daha yüksek güçlü sistemlerde, gücü genellikle ayarlayabilirsiniz, ancak helyum-neon lazerler gibi daha düşük güçlü gaz lazerlerinde, güç seviyesi gazın içeriğine göre sabitlenir.

Helyum-neon lazer, ilk sürekli dalga sistemiydi ve kırmızı ışık verdiği biliniyor. Tarihsel olarak, materyallerini uyarmak için radyo frekansı sinyallerini kullandılar, ancak günümüzde lazer tüpündeki elektrotlar arasında küçük bir doğru akım deşarjı kullanıyorlar.

Helyumdaki elektronlar uyarıldığında, neon atomları arasında bir popülasyon inversiyonu yaratan çarpışmalar yoluyla neon atomlarına enerji verirler. Helyum-neon lazer ayrıca yüksek frekanslarda kararlı bir şekilde işlev görebilir. Boru hatlarını hizalamada, ölçmede ve X-ışınlarında kullanılır.

Üç soy gaz, argon, kripton ve ksenon, ultraviyole ve kızılötesi arasında değişen düzinelerce lazer frekansında lazer uygulamalarında kullanımlarını göstermiştir. Ayrıca belirli frekanslar ve emisyonlar üretmek için bu üç gazı birbiriyle karıştırabilirsiniz. İyonik formlarındaki bu gazlar, popülasyon ters çevrilmesine ulaşana kadar elektronlarının birbirine çarparak uyarılmasına izin verir.

Bu tür lazerlerin birçok tasarımı, istenen frekansları elde etmek için boşluğun yayması için belirli bir dalga boyu seçmenize izin verecektir. Boşluk içindeki ayna çiftini manipüle etmek, tekil ışık frekanslarını izole etmenize de izin verebilir. Üç gaz, argon, kripton ve ksenon, birçok ışık frekansı kombinasyonu arasından seçim yapmanızı sağlar.

Bu lazerler, oldukça kararlı ve fazla ısı üretmeyen çıktılar üretir. Bu lazerler, deniz fenerlerinde ve stroboskoplar gibi parlak, elektrik lambalarında kullanılan aynı kimyasal ve fiziksel prensipleri gösterir.

Karbondioksit lazerler, sürekli dalga lazerleri arasında en verimli ve etkili olanıdır. Karbondioksit gazı içeren bir plazma tüpünde elektrik akımı kullanarak çalışırlar. Elektron çarpışmaları, daha sonra enerji veren bu gaz moleküllerini harekete geçirir. Farklı lazer frekansları üretmek için azot, helyum, ksenon, karbondioksit ve su da ekleyebilirsiniz.

Farklı alanlarda kullanılabilecek lazer çeşitlerine bakarak hangilerinin büyük miktarda güç üretebileceğini belirleyebilirsiniz. çünkü kendilerine verilen enerjinin önemli bir kısmını, fazla bir yere bırakmadan kullanacak kadar yüksek bir verim oranına sahipler atık. Helyum-neon lazerler %0,1'den daha az bir verimlilik oranına sahipken, karbondioksit lazerleri için oran yaklaşık yüzde 30'dur, yani helyum-neon lazerlerin 300 katıdır. Buna rağmen, karbondioksit lazerleri, uygun frekanslarını yansıtmak veya iletmek için helyum-neon lazerlerin aksine özel kaplamaya ihtiyaç duyar.

Excimer lazerler, ilk kez 1975'te icat edildiğinde mikrocerrahi ve endüstriyel mikrolitografide hassasiyet için odaklanmış bir lazer ışını oluşturmaya çalışan ultraviyole (UV) ışığı kullanır. Adları, bir dimerin elektriksel olarak gaz kombinasyonlarının ürünü olduğu "uyarılmış dimer" teriminden gelir. elektromanyetik dalganın UV aralığında belirli ışık frekansları yaratan bir enerji seviyesi konfigürasyonu ile uyarılır. spektrum.

Bu lazerler, argon, kripton ve ksenon miktarlarının yanı sıra klor ve flor gibi reaktif gazlar kullanır. Doktorlar ve araştırmacılar, göz cerrahisi lazer uygulamaları için ne kadar güçlü ve etkili kullanılabilecekleri göz önüne alındığında, cerrahi uygulamalardaki kullanımlarını hala araştırıyorlar. Excimer lazerler korneada ısı üretmez, ancak enerjileri korneada moleküller arası bağları kırabilir. kornea dokusuna gereksiz zarar vermeden "fotoablatif dekompozisyon" adı verilen bir süreçte göz.