Kuinka luoda lasersäde

Sisältö

• Lasermääritys
• Kuinka lasersäteet tehdään
• Väestön inversio
• Laserperiaate
• Laserlajien luokittelu
• Laserien komponentit
• Helium-neon laser
• Argon-, Krypton- ja Ksenonionilazerit
• Hiilidioksidilaserit
• Excimer-laserit

Valjastamalla valon voima laserien avulla, voit käyttää lasereita moniin tarkoituksiin ja ymmärtää niitä paremmin tutkimalla taustalla olevaa fysiikkaa ja kemiaa, joka saa ne toimimaan.

Laseria tuottaa yleensä lasermateriaali, olipa se kiinteä, nestemäinen tai kaasullinen, joka antaa säteilyä valon muodossa. Lyhenteenä "valon vahvistumiselle stimuloidulla säteilyn säteilyllä" stimuloitujen päästöjen menetelmä osoittaa, kuinka laserit eroavat muista sähkömagneettisen säteilyn lähteistä. Tietäen kuinka nämä valotaajuudet esiintyvät, voit käyttää niitä mahdollisuuksiinsa erilaisiin käyttötarkoituksiin.

Lasermääritys

Laserit voidaan määritellä laitteeksi, joka aktivoi elektroneja säteilemään sähkömagneettista säteilyä. Tämä lasermääritys tarkoittaa, että säteily voi olla minkä tahansa muotoista sähkömagneettisella spektrillä radioaalloista gammasäteisiin.

Yleensä laserien valo kulkee kapeaa reittiä, mutta myös laserit, joilla on laaja emittoitu aalto, ovat mahdollisia. Näiden lasereiden käsitteiden avulla voit ajatella niitä aalloina, kuten meren aaltoja meren rannalla.

Tutkijat ovat kuvanneet laserit koherenssinsa suhteen, ominaisuuden, joka kuvaa, onko kahden signaalin vaihe-ero vaiheessa ja onko niillä sama taajuus ja aaltomuoto. Jos kuvittelet lasereita aalloina, joilla on piikit, laaksot ja kourut, vaihe-ero olisi kuinka suuri yksi aalto ei ole täysin synkronoituneena toisen kanssa tai kuinka kaukana toisistaan ​​kaksi aaltoa olisivat päällekkäisyyksistä.

Valon taajuus on kuinka monta aallonhuippua kulkee tietyn pisteen läpi sekunnissa, ja aallonpituus on yhden aallon koko pituus kourusta kouruun tai huipusta huippuun.

Fotonit, yksilöiden energian kvanttihiukkaset, muodostavat laserin sähkömagneettisen säteilyn. Nämä kvantisoidut paketit tarkoittavat, että laserin valolla on aina energia yhden fotonin energian monikertaisena ja että se tulee näihin kvantti "paketteihin". Tämän vuoksi sähkömagneettiset aallot ovat hiukkasmaisia.

Kuinka lasersäteet tehdään

Monen tyyppiset laitteet säteilevät lasereita, kuten optiset onkalot. Nämä ovat kammioita, jotka heijastavat valoa materiaalista, joka säteilee takaisin sähkömagneettista säteilyä. Ne tehdään yleensä kahdesta peilistä, yksi materiaalin molemmista päistä siten, että kun heijastavat valoa, valonsäteet vahvistuvat. Nämä vahvistetut signaalit poistuvat läpinäkyvän linssin läpi laserontelon päässä.

Kun energialähde, kuten ulkoinen akku, joka syöttää virtaa, läsnäollessa, sähkömagneettista säteilyä säteilevä materiaali emittoi laserin valoa eri energiatiloissa. Nämä energiatasot, tai kvantitasot, riippuvat itse lähteestä. Materiaalissa olevien elektronien korkeammat energiatilat ovat todennäköisemmin epävakaita tai virittyneissä tiloissa, ja laser emittoi nämä valonsa kautta.

Toisin kuin muut valot, kuten taskulampun valo, laserit lähettävät valoa määräajoin itsensä kanssa. Tämä tarkoittaa sitä, että laserin jokaisen aallon harja ja kouru ovat samanlaisia ​​kuin ennen ja jälkeen tulevien aaltojen, mikä tekee niiden valosta koherentin.

Laserit on suunniteltu tällä tavalla siten, että ne lähettävät valoa tiettyihin sähkömagneettisen spektrin taajuuksiin. Monissa tapauksissa tämä valo on kapeiden, erillisten säteiden muodossa, joita laserit lähettävät tarkkoilla taajuuksilla, mutta jotkut laserit lähettävät laajoja, jatkuvia valon alueita.

Väestön inversio

Yksi ulkoisella energialähteellä toimivan laserin ominaisuus, joka voi esiintyä, on populaation inversio. Tämä on stimuloidun säteilyn muoto, ja se tapahtuu, kun herätetyssä tilassa olevien hiukkasten lukumäärä ylittää alhaisemman energian tilassa olevien hiukkasten lukumäärän.

Kun laser saavuttaa populaation inversion, tämän stimuloidun säteilyn määrä, jonka valo voi luoda, on suurempi kuin peilien absorptiomäärä. Tämä luo optisen vahvistimen, ja jos sijoitat yhden resonanssin olevan optisen onkalon sisälle, olet luonut laseroskillaattorin.

Laserperiaate

Nämä jännittävien ja säteilevien elektronien menetelmät muodostavat perustan lasereille, jotka ovat energialähde, laserperiaate, jota esiintyy monissa käyttökohteissa. Kvantisoidut tasot, joita elektronit voivat käyttää, vaihtelevat alhaisen energian tasoista, jotka eivät vaadi paljon energiaa vapautumaan, ja korkean energian hiukkasista, jotka pysyvät lähellä ja tiukasti ytimessä. Kun elektroni vapautuu, koska atomit törmäävät toisiinsa oikeassa suunnassa ja energiatasossa, tämä on spontaani säteily.

Kun spontaani säteily tapahtuu, atomin emittoimalla fotonilla on satunnainen vaihe ja suunta. Tämä johtuu siitä, että epävarmuusperiaate estää tutkijoita tietämästä hiukkasen sijainnin ja liikkeen täydellisellä tarkkuudella. Mitä enemmän tiedät hiukkasten sijainnin, sitä vähemmän tiedät niiden vauhtia ja päinvastoin.

Voit laskea näiden päästöjen energian Planck-yhtälöllä E = hν energialle E jouleina, taajuus ν elektronin sekunnissa^-1 ja Plancks vakiona h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Energia, joka fotonilla on atomista emittoitaessa, voidaan myös laskea energian muutoksena. Laske tämän energianmuutoksen liittyvä taajuus laskemalla ν käyttämällä tämän päästön energia-arvoja.

Laserlajien luokittelu

Laserien laajan käyttöalueen vuoksi laserit voidaan luokitella käyttötarkoituksen, valotyypin tai jopa itse laserien materiaalien perusteella. Niiden luokittelemisessa on otettava huomioon kaikki nämä laserien mitat. Yksi tapa ryhmitellä heitä on heidän käyttämänsä valon aallonpituus.

Laserien sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus määrää heidän käyttämänsä energian taajuuden ja voimakkuuden. Suurempi aallonpituus korreloi pienemmän energian määrän ja pienemmän taajuuden kanssa. Sitä vastoin suurempi valonsäteen taajuus tarkoittaa, että sillä on enemmän energiaa.

Voit myös ryhmitellä laserit lasereiden luonteen mukaan. Puolijohdelaserit käyttävät kiinteää atomimatriisia, kuten neodyymia, jota käytetään kidetytrium-alumiinigranaatissa, joka sisältää neodyymi-ioneja tämäntyyppisissä lasereissa. Kaasulaserit käyttävät putken kaasuseosta, kuten heliumia ja neonia, jotka luovat punaisen värin. Väriainelaserit luodaan orgaanisilla väriaineilla nestemäisissä liuoksissa tai suspensioissa

Väriasereilla käytetään laserväliainetta, joka on yleensä monimutkainen orgaaninen väriaine nestemäisessä liuoksessa tai suspensiossa. Puolijohdelaserit käyttävät kahta puolijohdemateriaalikerrosta, jotka voidaan rakentaa suurempiin ryhmiin. Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka johtavat sähköä vahvuudella eristimen ja johtimen välillä, jotka käyttävät pieniä määriä epäpuhtauksia tai syötettyjä kemikaaleja johdettujen kemikaalien tai lämpötilan muutosten vuoksi.

Laserien komponentit

Kaikissa lasereissa käytetään kaikkia näitä erilaisia ​​valolähteen komponentteja kiinteänä, nestemäisenä tai kaasuna, joka erottaa elektroneja, ja jotain tämän lähteen stimuloimiseksi. Tämä voi olla toinen laser tai itse lasimateriaalin spontaani säteily.

Jotkut laserit käyttävät pumppausjärjestelmiä, menetelmiä hiukkasten energian lisäämiseksi laserväliaineessa, jotka antavat niiden saavuttaa viritetyt tilansa populaation kääntämiseksi. Kaasulamppu voidaan käyttää optisessa pumppauksessa, joka kuljettaa energiaa lasermateriaaliin. Tapauksissa, joissa lasermateriaalien energia riippuu materiaalin sisällä olevien atomien törmäyksistä, järjestelmään viitataan törmäyspumppuna.

Lasersäteen komponentit vaihtelevat myös kuinka kauan ne vievät energiaa. Jatkuvaaltolaserit käyttävät vakaata keskimääräistä säteen tehoa. Suuremman tehon järjestelmillä voit yleensä säätää tehoa, mutta pienemmän tehon kaasulazerilla, kuten helium-neon-lasereilla, tehotaso on kiinteä kaasun sisällön perusteella.

Helium-neon laser

Helium-neonlaser oli ensimmäinen jatkuva aaltojärjestelmä ja sen tiedetään lähettävän punaista valoa. Historiallisesti he käyttivät radiotaajuussignaaleja materiaalin virittämiseen, mutta nykyään he käyttävät pientä tasavirtapurkausta laserien putken elektrodien välillä.

Kun heliumin elektronit kiihtyvät, ne vapauttavat energiaa neoniatomeille törmäyksissä, jotka aiheuttavat populaation inversion neonatomien keskuudessa. Helium-neonlaser voi toimia myös vakaasti korkeilla taajuuksilla. Sitä käytetään putkistojen kohdistamiseen, mittaamiseen ja röntgenkuvaukseen.

Argon-, Krypton- ja Ksenonionilazerit

Kolme jalokaasua, argon, kriptoni ja ksenoni, ovat osoittaneet käytön lasersovelluksissa kymmenillä lasertaajuuksilla, jotka ulottuvat ultraviolettista infrapunaan. Voit myös sekoittaa nämä kolme kaasua keskenään tuottaaksesi tietyt taajuudet ja päästöt. Nämä kaasut ionisessa muodossaan antavat elektroniensa kiihtyä törmäämällä toisiinsa, kunnes ne saavuttavat populaation käännöksen.

Monet tällaisten lasereiden mallit antavat sinun valita tietyn aallonpituuden ontelon säteilyä varten haluttujen taajuuksien saavuttamiseksi. Peiliparin manipulointi ontelossa voi myös eristää valon yksittäiset taajuudet. Kolmen kaasun, argonin, kryptonin ja ksenonin avulla voit valita monista valotaajuuksien yhdistelmistä.

Nämä laserit tuottavat erittäin vakaita lähtöjä, jotka eivät tuota paljon lämpöä. Nämä laserit osoittavat samat kemialliset ja fysikaaliset periaatteet, joita käytetään majakoissa, samoin kuin kirkkaat, sähkölamput, kuten stroboskoopit.

Hiilidioksidilaserit

Hiilidioksidilaserit ovat tehokkaimpia ja tehokkaimpia jatkuvien aaltojen lasereissa. Ne toimivat käyttämällä sähkövirtaa plasmaputkessa, jossa on hiilidioksidikaasua. Elektroni-törmäykset kiihdyttävät näitä kaasumolekyylejä, jotka sitten lähettävät energiaa. Voit myös lisätä typpeä, heliumia, ksenonia, hiilidioksidia ja vettä tuottamaan erilaisia ​​lasertaajuuksia.

Tarkasteltaessa laserityyppejä, joita voidaan käyttää erilaisilla areeneilla, voit määrittää, mitkä niistä voivat tuottaa suuria määriä voimaa, koska niiden hyötysuhde on korkea, joten ne käyttävät merkittävän osan heille annetusta energiasta antamatta paljon mennä hukkaan. Vaikka helium-neonlaserien hyötysuhde on alle .1%, hiilidioksidilaserien nopeus on noin 30 prosenttia, 300-kertainen helium-neon-laserien kanssa. Tästä huolimatta hiilidioksidilaserit tarvitsevat erityisen pinnoitteen, toisin kuin helium-neonlasereista, heijastamaan tai siirtämään niiden sopivia taajuuksia.

Excimer-laserit

Excimer-laserit käyttävät ultraviolettivaloa (ultraviolettivaloa), joka keksittiin ensimmäisen kerran vuonna 1975 ja jonka tarkoituksena oli luoda kohdistettu lasersäde tarkkuuden saavuttamiseksi mikrokirurgiassa ja teollisessa mikrolitografiassa. Heidän nimensä tulee termistä "kiihtynyt dimeeri", jossa dimeeri on kaasuyhdistelmien tuote, jotka ovat sähköisesti kiihtyneitä energiatason konfiguraatiolla, joka luo tietyt valotaajuudet sähkömagneettisen spektrin UV-alueella.

Nämä laserit käyttävät reaktiivisia kaasuja, kuten klooria ja fluoria, jalokaasujen argonin, kryptonin ja ksenonin määrien lisäksi. Lääkärit ja tutkijat tutkivat edelleen niiden käyttöä kirurgisissa sovelluksissa ottaen huomioon, kuinka tehokkaita ja tehokkaita niitä voidaan käyttää silmäkirurgisissa lasersovelluksissa. Excimer-laserit eivät tuota lämpöä sarveiskalvossa, mutta niiden energia voi rikkoa sarveiskalvon kudosten molekyylien välisiä sidoksia prosessissa, jota kutsutaan "fotoablatiiviseksi hajoamiseksi" aiheuttamatta tarpeetonta vahinkoa silmälle.