Hvordan lage en laserstråle

Innhold

• Laser Definisjon
• Hvordan laserstråler lages
• Befolkningsinversjon
• Laserprinsipp
• Kategorisering av typer lasere
• Komponenter av lasere
• Helium-neon laser
• Argon, Krypton og Xenon Ion Lasers
• Karbondioksidlasere
• Excimer-lasere

Ved å utnytte kraften til lys gjennom lasere, kan du bruke lasere til en rekke formål og forstå dem bedre ved å studere den underliggende fysikken og kjemien som får dem til å fungere.

Generelt produseres en laser av et lasermateriale, det være seg fast, væske eller gass, som avgir stråling i form av lys. Som en forkortelse for "lysforsterkning ved stimulert stråling," viser metoden for stimulerte utslipp hvordan lasere skiller seg fra andre kilder til elektromagnetisk stråling. Når du vet hvordan disse lysfrekvensene dukker opp, kan du utnytte potensialet ditt for forskjellige bruksområder.

Laser Definisjon

Lasere kan defineres som en enhet som aktiverer elektroner for å avgi elektromagnetisk stråling. Denne laserdefinisjonen betyr at stråling kan ha form av enhver art på det elektromagnetiske spekteret, fra radiobølger til gammastråler.

Generelt går lyset fra lasere langs en smal bane, men lasere med et bredt spekter av utsendte bølger er også mulig. Gjennom disse forestillingene om lasere kan du tenke på dem som bølger akkurat som havbølger på kysten.

Forskere har beskrevet lasere med tanke på deres sammenheng, en funksjon som beskriver om faseforskjellen mellom to signaler er i trinn, og de har samme frekvens og bølgeform. Hvis du forestiller deg lasere som bølger med topper, daler og renner, vil faseforskjellen være hvor mye en bølge ikke er synkronisert med en annen eller hvor langt fra hverandre de to bølgene vil være fra å overlappe hverandre.

Lysfrekvensen er hvor mange bølgetopper som passerer gjennom et gitt punkt på et sekund, og bølgelengden er hele lengden på en enkelt bølge fra trau til trau eller fra topp til topp.

Fotoner, individer kvantepartikler av energi, utgjør den elektromagnetiske strålingen til en laser. Disse kvantiserte pakker betyr at lyset til en laser alltid har energien som et multiplum av energien til et enkelt foton, og at det kommer i disse kvantepakkene. Det er dette som gjør elektromagnetiske bølger til partikkellignende.

Hvordan laserstråler lages

Mange typer enheter sender ut lasere, for eksempel optiske hulrom. Dette er kammer som reflekterer lyset fra et materiale som sender ut elektromagnetisk stråling tilbake til seg selv. De er vanligvis laget av to speil, en i hver ende av materialet, slik at når de reflekterer lys, blir lysstrålene sterkere. Disse forsterkede signalene kommer ut gjennom en gjennomsiktig linse på enden av laserhulen.

Når det er i nærvær av en energikilde, for eksempel et eksternt batteri som forsyner strøm, avgir materialet som avgir elektromagnetisk stråling laserets lys ved forskjellige energitilstander. Disse energinivåene, eller kvantenivåene, er avhengig av selve kildematerialet. Høyere energitilstander med elektroner i materialet er mer sannsynlig ustabile eller i eksiterte tilstander, og laseren vil avgi disse gjennom lyset.

I motsetning til andre lys, for eksempel lyset fra en lommelykt, avgir lasere lys i periodiske trinn med seg selv. Det betyr toppen og bunnen av hver bølge av en laserlinje med bølgene som kommer før og etter, noe som gjør deres lys sammenhengende.

Lasere er utformet på denne måten slik at de avgir lys fra spesifikke frekvenser i det elektromagnetiske spekteret. I mange tilfeller har dette lyset form av smale, diskrete stråler som laserne avgir ved presise frekvenser, men noen lasere gir fra seg brede, kontinuerlige lysområder.

Befolkningsinversjon

En funksjon ved en laser drevet av en ekstern energikilde som kan oppstå, er en inversjon av befolkningen. Dette er en form for stimulert utslipp, og det oppstår når antallet partikler i en eksitert tilstand er større enn de som er i energitilstand på lavere nivå.

Når laseren oppnår inversjon av befolkningen, vil mengden av dette stimulerte utslippet som lys kan skape, være større enn mengden absorpsjon fra speilene. Dette skaper en optisk forsterker, og hvis du plasserer en i et resonant optisk hulrom, har du opprettet en laseroscillator.

Laserprinsipp

Disse metodene for spennende og utsende elektroner danner grunnlaget for at lasere er en energikilde, et laserprinsipp som finnes i mange bruksområder. De kvantiserte nivåene som elektronene kan oppta, spenner fra lavenergi som ikke krever mye energi for å bli frigjort og høye energipartikler som holder seg nær og tett til kjernen. Når elektronet frigjøres på grunn av atomer som kolliderer med hverandre i riktig orientering og energinivå, er dette spontan utslipp.

Når spontan emisjon oppstår, har fotonet som avgis av atomet en tilfeldig fase og retning. Dette er fordi usikkerhetsprinsippet hindrer forskere i å vite både posisjonen og momentumet til en partikkel med perfekt presisjon. Jo mer du kjenner til en partikkelposisjon, desto mindre vet du om dens fart, og omvendt.

Du kan beregne energien til disse utslippene ved å bruke Planck-ligningen E = hν for en energi E i joules, frekvens ν av elektronet i s^-1 og Plancks konstant h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Energien som et foton har når den slippes ut fra et atom, kan også beregnes som en endring i energi. For å finne den tilhørende frekvensen med denne energiforandringen, beregne ν ved å bruke energiverdiene til dette utslippet.

Kategorisering av typer lasere

Gitt det brede spekteret av bruksområder for lasere, kan lasere kategoriseres basert på formål, lystype eller til og med materialene til laserne selv. Å komme opp med en måte å kategorisere dem på, må redegjøre for alle disse dimensjonene til lasere. En måte å gruppere dem på er bølgelengden til lyset de bruker.

Bølgelengden til en lasers elektromagnetisk stråling bestemmer frekvensen og styrken til energien de bruker. En større bølgelengde korrelerer med en mindre mengde energi og en mindre frekvens. I kontrast betyr en større frekvens av en lysstråle at den har mer energi.

Du kan også gruppere lasere etter lasermaterialets art. Solid state-lasere bruker en fast matrise av atomer som neodym som brukes i krystall Yttrium Aluminium-granat som rommer neodym-ionene for disse typer laser. Gasslasere bruker en blanding av gasser i et rør som helium og neon som skaper en rød farge. Fargelasere er laget av organiske fargestoffer i flytende løsninger eller suspensjoner

Fargelasere bruker et lasermedium som vanligvis er et sammensatt organisk fargestoff i flytende løsning eller suspensjon. Halvlederlasere bruker to lag halvledermateriale som kan bygges inn i større matriser. Halvledere er materialer som leder strøm ved å bruke styrken mellom den til en isolator og en leder som bruker små mengder urenheter, eller kjemisk innført, på grunn av innførte kjemikalier eller temperaturendringer.

Komponenter av lasere

For alle deres forskjellige bruksområder, bruker alle lasere disse to komponentene i en lyskilde i form av faststoff, væske eller gass som avgir elektroner og noe for å stimulere denne kilden. Dette kan være en annen laser eller spontan utslipp av selve lasermaterialet.

Noen lasere bruker pumpesystemer, metoder for å øke energien til partikler i lasermediet som lar dem nå sine begeistrede tilstander for å gjøre inversjon av befolkningen. En gassblitzlampe kan brukes i optisk pumping som fører energi til lasermaterialet. I tilfeller hvor lasermaterialenergien er avhengig av kollisjoner av atomene i materialet, blir systemet referert til som kollisjonspumping.

Komponentene i en laserstråle varierer også i hvor lang tid de tar å levere energi. Kontinuerlige bølgelasere bruker en stabil gjennomsnittlig strålekraft. Med høyere kraftsystemer kan du generelt justere strømmen, men med lavere effektgasslasere som helium-neon-lasere er effektnivået fast basert på gassinnholdet.

Helium-neon laser

Helium-neonlaser var det første kontinuerlige bølgesystemet og er kjent for å gi fra seg et rødt lys. Historisk brukte de radiofrekvenssignaler for å begeistre materialet sitt, men i dag bruker de en liten likestrømutladning mellom elektroder i røret til laseren.

Når elektronene i helium blir begeistret, gir de energi til neonatomer gjennom kollisjoner som skaper en populasjonsinversjon blant neonatomene. Helium-neon-laseren kan også fungere på en stabil måte ved høye frekvenser. Det brukes til å justere rørledninger, kartlegging og i røntgenstråler.

Argon, Krypton og Xenon Ion Lasers

Tre edle gasser, argon, krypton og xenon, har vist bruk i laserapplikasjoner over flere titalls laserfrekvenser som spenner over ultrafiolett til infrarødt. Du kan også blande disse tre gassene med hverandre for å produsere spesifikke frekvenser og utslipp. Disse gassene i deres ioniske former lar elektronene deres bli begeistret ved å kollidere mot hverandre til de oppnår inversjon av befolkningen.

Mange utførelser av denne typen lasere lar deg velge en viss bølgelengde for hulrommet du vil avgi for å oppnå de ønskede frekvensene. Ved å manipulere speilparet i hulrommet kan du også isolere entall lysfrekvenser. De tre gassene, argon, krypton og xenon, lar deg velge mellom mange kombinasjoner av lysfrekvenser.

Disse laserne produserer utganger som er svært stabile og som ikke genererer mye varme. Disse laserne viser de samme kjemiske og fysiske prinsippene som brukes i fyrtårn, så vel som lyse, elektriske lamper som stroboskoper.

Karbondioksidlasere

Karbondioksidlasere er de mest effektive og effektive for kontinuerlige bølgelasere. De fungerer ved å bruke en elektrisk strøm i et plasmerør som har karbondioksidgass. Elektronkollisjonene begeistrer disse gassmolekylene som deretter gir av energi. Du kan også tilsette nitrogen, helium, xenon, karbondioksid og vann for å produsere forskjellige laserfrekvenser.

Når du ser på hvilke typer laser som kan brukes i forskjellige områder, kan du bestemme hvilke som kan skape store mengder strøm fordi de har en høy effektivitetsgrad slik at de bruker en betydelig andel av energien som er gitt til dem uten å la være mye gå til spill. Mens helium-neon-lasere har en virkningsgrad på mindre enn 0,1%, er hastigheten for karbondioksidlasere omtrent 30 prosent, 300 ganger så stor som for helium-neon-lasere. Til tross for dette trenger karbondioksidlasere spesiell belegg, i motsetning til helium-neon-lasere, for å reflektere eller overføre de aktuelle frekvensene.

Excimer-lasere

Excimer-lasere bruker ultrafiolett (UV) lys som, da de ble oppfunnet første gang i 1975, forsøkte å lage en fokusert stråle av lasere for presisjon i mikroskirurgi og industriell mikrolitografi. Navnet deres kommer fra uttrykket "opphisset dimer" der en dimer er et produkt av gasskombinasjoner som er elektrisk begeistret med en energinivåkonfigurasjon som skaper spesifikke lysfrekvenser i UV-området til det elektromagnetiske spekteret.

Disse laserne bruker reaktive gasser som klor og fluor sammen med mengder av edle gasser argon, krypton og xenon. Leger og forskere undersøker fortsatt bruken av dem i kirurgiske applikasjoner gitt hvor kraftige og effektive de kan brukes til laserapplikasjoner for øyekirurgi. Excimer-lasere genererer ikke varme i hornhinnen, men energien deres kan ødelegge intermolekylære bindinger i hornhinnen i en prosess som kalles "fotoablativ nedbrytning" uten å forårsake unødvendig skade på øyet.