Sådan opretter du en laserstråle

Indhold

• Laser Definition
• Sådan fremstilles laserstråler
• Befolkningsinversion
• Laserprincip
• Kategorisering af typer af lasere
• Komponenter til lasere
• Helium-neon laser
• Argon, Krypton og Xenon Ion Lasers
• Kuldioxidlasere
• Excimer-lasere

Ved at udnytte lysets kraft gennem lasere kan du bruge lasere til forskellige formål og forstå dem bedre ved at studere den underliggende fysik og kemi, der får dem til at fungere.

Generelt produceres en laser af et lasermateriale, det være sig fast, væske eller gas, der afgiver stråling i form af lys. Som en forkortelse for "lysforstærkning ved stimuleret stråling," viser metoden til stimulerede emissioner, hvordan lasere adskiller sig fra andre kilder til elektromagnetisk stråling. Når du ved, hvordan disse lysfrekvenser dukker op, kan du udnytte deres potentiale til forskellige anvendelser.

Laser Definition

Lasere kan defineres som en enhed, der aktiverer elektroner til at udsende elektromagnetisk stråling. Denne laserdefinition betyder, at stråling kan have form af enhver art på det elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger til gammastråler.

Generelt kører lyset fra lasere langs en smal sti, men lasere med en bred vifte af udsendte bølger er også mulige. Gennem disse forestillinger om lasere kan du tænke på dem som bølger ligesom havbølger på kysten.

Forskere har beskrevet lasere med hensyn til deres sammenhæng, en funktion, der beskriver, om faseforskellen mellem to signaler er i trin, og de har samme frekvens og bølgeform. Hvis du forestiller dig lasere som bølger med toppe, dale og truger, ville faseforskellen være, hvor meget en bølge ikke er helt synkroniseret med en anden, eller hvor langt fra hinanden de to bølger ville være fra at overlappe hinanden.

Lysfrekvensen er, hvor mange bølgetoppe, der passerer gennem et givet punkt i et sekund, og bølgelængden er hele længden af ​​en enkelt bølge fra kar til trough eller fra top til top.

Fotoner, individuelle kvantepartikler af energi, udgør den elektromagnetiske stråling af en laser. Disse kvantiserede pakker betyder, at lyset fra en laser altid har energien som et multiplum af energien fra et enkelt foton, og at det kommer i disse kvante "pakker". Det er det, der gør elektromagnetiske bølger til partikellignende.

Sådan fremstilles laserstråler

Mange typer enheder udsender lasere, såsom optiske hulrum. Dette er kamre, der reflekterer lyset fra et materiale, der udsender elektromagnetisk stråling tilbage til sig selv. De er generelt lavet af to spejle, en i hver ende af materialet, således at når de reflekterer lys, bliver lysstrålene stærkere. Disse forstærkede signaler kommer ud gennem en gennemsigtig linse på enden af ​​laserhulrummet.

Når der er i nærværelse af en energikilde, såsom et eksternt batteri, der leverer strøm, udsender det materiale, der udsender elektromagnetisk stråling, lyset fra laseren ved forskellige energitilstande. Disse energiniveauer eller kvantniveauer afhænger af selve kildematerialet. Tilstander med højere energi af elektroner i materialet er mere tilbøjelige til at være ustabile eller i ophidsede tilstande, og laseren udsender disse gennem dens lys.

I modsætning til andre lys, såsom lyset fra en lommelygte, afgiver lasere lys i periodiske trin med sig selv. Det betyder, at bølgen og truget i hver bølge af en laserlinie er i linje med bølgerne, der kommer før og efter, hvilket gør deres lys sammenhængende.

Lasere er designet på denne måde, så de afgiver lys over specifikke frekvenser i det elektromagnetiske spektrum. I mange tilfælde har dette lys form af smalle, diskrete stråler, som laserne udsender ved nøjagtige frekvenser, men nogle lasere afgiver brede, kontinuerlige lysområder.

Befolkningsinversion

En egenskab ved en laser drevet af en ekstern energikilde, der kan forekomme, er en inversion af befolkningen. Dette er en form for stimuleret emission, og det forekommer, når antallet af antallet af partikler i en ophidset tilstand overstiger dem i energitilstand på lavere niveau.

Når laseren opnår populationsinversion, vil mængden af ​​denne stimulerede emission, som lys kan skabe, være større end mængden af ​​absorption fra spejle. Dette skaber en optisk forstærker, og hvis du placerer en i et resonant optisk hulrum, har du oprettet en laseroscillator.

Laserprincip

Disse metoder til spændende og udsendende elektroner danner grundlaget for, at lasere er en energikilde, et laserprincip, der findes i mange anvendelser. De kvantiserede niveauer, som elektroner kan optage, spænder fra lavenergi-niveauer, der ikke kræver meget energi for at blive frigivet, og partikler med høj energi, der forbliver tæt og tæt på kernen. Når elektronet frigøres på grund af atomer, der kolliderer med hinanden i den rigtige orientering og energiniveau, er dette spontan emission.

Når spontan emission finder sted, har det foton, der udsendes af atomet, en tilfældig fase og retning. Dette skyldes, at usikkerhedsprincippet forhindrer videnskabsmænd i at kende både partiklernes position og momentum med perfekt præcision. Jo mere du kender til en partikelposition, desto mindre kender du til dens momentum, og vice versa.

Du kan beregne energien fra disse emissioner ved hjælp af Planck-ligningen E = hν for en energi E i joules, frekvens ν af elektronet i s^-1 og Plancks konstant h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Den energi, som en foton har, når den udsendes fra et atom, kan også beregnes som en ændring i energi. For at finde den tilknyttede frekvens med denne ændring i energi, beregnes ν ved hjælp af energiverdierne for denne emission.

Kategorisering af typer af lasere

I betragtning af det brede udvalg af anvendelser til lasere kan lasere kategoriseres ud fra formålet, lystypen eller endda materialerne i selve laserne. At komme op med en måde at kategorisere dem på, skal redegøre for alle disse dimensioner af lasere. En måde at gruppere dem på er bølgelængden af ​​lys, de bruger.

Bølgelængden for en lasers elektromagnetisk stråling bestemmer frekvensen og styrken af ​​energi, de bruger. En større bølgelængde korrelerer med en mindre mængde energi og en mindre frekvens. I modsætning hertil betyder en større frekvens af en lysstråle, at den har mere energi.

Du kan også gruppere lasere efter lasermaterialets art. Faststoflasere bruger en fast matrix af atomer såsom neodym, der bruges i krystallen Yttrium Aluminium granat, der huser neodymioner til disse typer laser. Gaslasere bruger en blanding af gasser i et rør som helium og neon, der skaber en rød farve. Farvestoflasere er skabt af organiske farvestoffer i flydende opløsninger eller suspensioner

Farvestoflasere bruger et lasermedium, der normalt er et komplekst organisk farvestof i flydende opløsning eller suspension. Halvlederlasere bruger to lag halvledermateriale, der kan indbygges i større arrays. Halvledere er materialer, der leder elektricitet ved hjælp af styrken mellem en isolator og en leder, der bruger små mængder urenheder eller kemisk indført på grund af indførte kemikalier eller ændringer i temperatur.

Komponenter til lasere

Til alle deres forskellige anvendelser bruger alle lasere disse to komponenter i en lyskilde i form af fast, væske eller gas, der afgiver elektroner og noget for at stimulere denne kilde. Dette kan være en anden laser eller den spontane emission af selve lasermaterialet.

Nogle lasere bruger pumpesystemer, metoder til at øge energien fra partikler i lasermediet, der lader dem nå deres ophidsede tilstande for at gøre befolkningen inversion. En gasglampelampe kan bruges til optisk pumpning, der fører energi til lasermaterialet. I tilfælde, hvor lasermaterialernes energi er afhængig af kollisioner af atomer i materialet, kaldes systemet kollisionspumpning.

Komponenterne i en laserstråle varierer også, hvor lang tid det tager at levere energi. Kontinuerlige bølgelasere bruger en stabil gennemsnitlig stråleeffekt. Med systemer med højere effekt kan du generelt justere strømmen, men med lavere gaseffektive lasere som helium-neon-lasere er effektniveauet fast baseret på gasindholdet.

Helium-neon laser

Helium-neonlaser var det første kontinuerlige bølgesystem og er kendt for at afgive et rødt lys. Historisk brugte de radiofrekvenssignaler for at begejstre deres materiale, men i dag bruger de en lille jævnstrømafladning mellem elektroder i laserrøret.

Når elektronerne i helium spændes, afgiver de energi til neonatomer gennem kollisioner, der skaber en populationsinversion blandt neonatomerne. Helium-neonlaser kan også fungere stabilt ved høje frekvenser. Det bruges til justering af rørledninger, landmåling og i røntgenstråler.

Argon, Krypton og Xenon Ion Lasers

Tre ædelgasser, argon, krypton og xenon, har vist anvendelse i laserapplikationer på tværs af snesevis af laserfrekvenser, der spænder over ultraviolet til infrarød. Du kan også blande disse tre gasser med hinanden for at producere specifikke frekvenser og emissioner. Disse gasser i deres ioniske former lader deres elektroner blive ophidsede ved at kollidere mod hinanden, indtil de opnår befolkningsinversion.

Mange design af denne type lasere giver dig mulighed for at vælge en bestemt bølgelængde til hulrummet, der skal udsendes for at opnå de ønskede frekvenser. Manipulering af spejlet i kaviteten kan også lade dig isolere entall lysfrekvenser. De tre gasser, argon, krypton og xenon, giver dig mulighed for at vælge mellem mange kombinationer af lysfrekvenser.

Disse lasere producerer output, der er meget stabile og ikke genererer meget varme. Disse lasere viser de samme kemiske og fysiske principper, der bruges i fyrtårne ​​såvel som lyse, elektriske lamper som stroboskoper.

Kuldioxidlasere

Kuldioxidlasere er de mest effektive og effektive ved kontinuerlige bølgelasere. De fungerer ved hjælp af en elektrisk strøm i et plastrør, der har kuldioxidgas. Elektronkollisionerne ophidser disse gasmolekyler, der derefter afgiver energi. Du kan også tilføje nitrogen, helium, xenon, kuldioxid og vand for at producere forskellige laserfrekvenser.

Når man ser på de typer af laser, der kan bruges i forskellige ares, kan du bestemme, hvilke der kan skabe store mængder strøm, fordi de har en høj effektivitetshastighed, så de bruger en betydelig del af den energi, der er givet til dem, uden at lade meget gå til spilde. Mens helium-neon-lasere har en virkningsgrad på mindre end 0,1%, er hastigheden for kuldioxidlasere ca. 30 procent, 300 gange så stor som for helium-neon-lasere. På trods af dette har kuldioxidlasere brug for særlig belægning, i modsætning til helium-neonlasere, for at reflektere eller overføre deres passende frekvenser.

Excimer-lasere

Excimer-lasere bruger ultraviolet (UV) lys, som, da de først blev opfundet i 1975, forsøgte at skabe en fokuseret stråle af lasere til præcision i mikroskirurgi og industriel mikrolitografi. Deres navn kommer fra udtrykket "ophidset dimer", hvor en dimer er produktet af gaskombinationer, der er elektrisk ophidsede med en energiniveau-konfiguration, der skaber specifikke lysfrekvenser i UV-området for det elektromagnetiske spektrum.

Disse lasere bruger reaktive gasser som klor og fluor sammen med mængder af ædelgasser argon, krypton og xenon. Læger og forskere undersøger stadig deres anvendelser i kirurgiske applikationer i betragtning af hvor kraftfulde og effektive de kan bruges til laserapplikationer til øjenkirurgi. Excimer-lasere genererer ikke varme i hornhinden, men deres energi kan bryde intermolekylære bindinger i hornhindevævet i en proces, der kaldes "fotoablativ nedbrydning" uden at forårsage unødvendig skade på øjet.