Cum se creează un fascicul laser

Conţinut

• Definiție laser
• Cum sunt fabricate fascicule laser
• Inversiunea populației
• Principiul laserului
• Categorizarea tipurilor de lasere
• Componentele laserelor
• Laser cu heliu-neon
• Argon, Krypton și Xenon Ion Lasers
• Lasere cu dioxid de carbon
• Lasere excimer

Utilizând puterea luminii prin lasere, puteți utiliza lasere pentru o varietate de scopuri și să le înțelegeți mai bine studiind fizica și chimia de bază care îi face să funcționeze.

În general, un laser este produs de un material laser, fie că este solid, lichid sau gaz, care emite radiații sub formă de lumină. Ca acronim pentru „amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații”, metoda emisiilor stimulate arată modul în care laserele diferă de alte surse de radiații electromagnetice. Știind cum apar aceste frecvențe de lumină vă poate permite să valorificați potențialul lor pentru diverse utilizări.

Definiție laser

Laserele pot fi definite ca un dispozitiv care activează electronii pentru a emite radiații electromagnetice. Această definiție cu laser înseamnă că radiațiile pot lua forma de orice fel din spectrul electromagnetic, de la undele radio la razele gamma.

În general, lumina laserelor se deplasează de-a lungul unei căi înguste, dar laserele cu o gamă largă de unde emise sunt posibile. Prin aceste noțiuni de lasere, puteți gândi la ele ca valuri la fel ca valurile oceanului de pe litoral.

Oamenii de știință au descris laserele în termeni de coerența lor, caracteristică care descrie dacă diferența de fază între două semnale este în pas și au aceeași frecvență și formă de undă. Dacă vă imaginați laserele ca valuri cu vârfuri, văi și jgheaburi, diferența de fază ar fi cât de mult o undă nu este în sincronizare cu alta sau cât de departe ar fi cele două valuri de la suprapunere.

Frecvența luminii este cât de multe vârfuri de unde trec printr-un punct dat într-o secundă, iar lungimea de undă este întreaga lungime a unei singure valuri de la jgheab la jgheab sau de la vârf la vârf.

Fotoni, indivizi particule cuantice de energie, alcătuiesc radiația electromagnetică a unui laser. Aceste pachete cuantificate înseamnă că lumina unui laser are întotdeauna energia ca multiplu al energiei unui foton și că intră în aceste „pachete” cuantice. Acest lucru face ca undele electromagnetice să fie asemănătoare particulelor.

Cum sunt fabricate fascicule laser

Multe tipuri de dispozitive emit lasere, cum ar fi cavitățile optice. Acestea sunt camere care reflectă lumina dintr-un material care emite radiații electromagnetice înapoi la sine. Sunt realizate în general din două oglinzi, unul la fiecare capăt al materialului astfel încât, atunci când reflectă lumina, fasciculele de lumină devin mai puternice. Aceste semnale amplificate ies printr-un obiectiv transparent pe capătul cavității laser.

Când este în prezența unei surse de energie, cum ar fi o baterie externă care alimentează curent, materialul care emite radiații electromagnetice emite lumina laserului în diferite stări energetice. Aceste niveluri de energie sau niveluri cuantice depind de materialul sursă în sine. Starea de energie mai mare a electronilor din material este mai probabil să fie instabilă sau în stări excitate, iar laserul va emite acestea prin lumina sa.

Spre deosebire de alte lumini, cum ar fi lumina de la o lanternă, laserele emit lumină în pași periodici cu ea însăși. Asta înseamnă creasta și jgheabul fiecărei valuri a unui laser care se aliniază cu cele ale undelor care vin înainte și după, făcându-și coerența luminii.

Laserele sunt proiectate astfel încât să dea lumină frecvențelor specifice ale spectrului electromagnetic. În multe cazuri, această lumină are forma de fascicule înguste și discrete pe care laserele le emit la frecvențe precise, dar unele lasere emite o gamă largă și continuă de lumină.

Inversiunea populației

O caracteristică a unui laser alimentat de o sursă de energie externă care poate apărea este inversarea populației. Aceasta este o formă de emisie stimulată și apare atunci când numărul de particule într-o stare excitată le depășește pe cele aflate într-o stare energetică de nivel inferior.

Când laserul atinge inversiunea populației, cantitatea acestei emisii stimulate pe care lumina o poate crea va fi mai mare decât cantitatea de absorbție din oglinzi. Aceasta creează un amplificator optic și, dacă așezați unul în interiorul unei cavități optice rezonante, ați creat un oscilator laser.

Principiul laserului

Aceste metode de stimulare și emisiune a electronilor constituie baza pentru ca laserele să fie o sursă de energie, un principiu laser găsit în multe utilizări. Nivelurile cuantificate pe care le pot ocupa electronii variază de la cele cu energie scăzută care nu necesită eliberare de multă energie și particule de energie ridicate care rămân aproape și strânse de nucleu. Când electronul se eliberează datorită atomilor care se ciocnesc între ei în orientarea și nivelul energetic adecvat, aceasta este o emisie spontană.

Când are loc o emisie spontană, fotonul emis de atom are o fază și o direcție aleatoare. Acest lucru se datorează faptului că Principiul de incertitudine îi împiedică pe oamenii de știință să cunoască atât poziția, cât și momentul unei particule cu o precizie perfectă. Cu cât știi mai mult de o poziție a particulelor, cu atât mai puțin știi de impulsul acesteia și invers.

Puteți calcula energia acestor emisii folosind ecuația Planck E = hν pentru o energie E în joule, frecvență ν a electronului în s^-1 iar Plancks sunt constante h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Energia pe care un foton o are când este emisă dintr-un atom poate fi, de asemenea, calculată ca o schimbare a energiei. Pentru a găsi frecvența asociată cu această schimbare de energie, calculați ν folosind valorile energetice ale acestei emisii.

Categorizarea tipurilor de lasere

Având în vedere gama largă de utilizări pentru lasere, laserele pot fi clasificate în funcție de scopul, tipul de lumină sau chiar materialele în sine. Pentru a găsi aceste categorii de lasere, trebuie să ținem cont de o modalitate de a le clasifica. Un mod de a le grupa este în funcție de lungimea de undă a luminii pe care o folosesc.

Lungimea de undă a unei radiații electromagnetice cu lasere determină frecvența și puterea energiei pe care o folosesc. O lungime de undă mai mare se corelează cu o cantitate mai mică de energie și o frecvență mai mică. În schimb, o frecvență mai mare a unui fascicul de lumină înseamnă că are mai multă energie.

De asemenea, puteți grupa lasere după natura materialului cu laser. Laserele în stare solidă utilizează o matrice solidă de atomi, cum ar fi neodimul utilizat în cristalul de aluminiu din Yttrium, care adăpostește ionii de neodim pentru aceste tipuri de laser. Laserele cu gaz folosesc un amestec de gaze într-un tub precum heliul și neonul care creează o culoare roșie. Laserele de vopsire sunt create de materiale colorante organice în soluții sau suspensii lichide

Laserele de vopsea folosesc un mediu laser care este de obicei un colorant organic complex în soluție sau suspensie lichidă. Laserele cu semiconductor folosesc două straturi de material semiconductor care pot fi încorporate în tablouri mai mari. Semiconductorii sunt materiale care conduc electricitatea folosind rezistența dintre cea a unui izolator și un conductor care utilizează cantități mici de impurități sau substanțe chimice introduse, din cauza substanțelor chimice introduse sau a modificărilor de temperatură.

Componentele laserelor

Pentru toate diferitele lor utilizări, toate laserele folosesc aceste două componente ale unei surse de lumină sub formă de solid, lichid sau gaz care emite electroni și ceva care să stimuleze această sursă. Acesta poate fi un alt laser sau emisia spontană a materialului laser în sine.

Unele lasere folosesc sisteme de pompare, metode de creștere a energiei particulelor din mediul laser care le permit să ajungă la stările lor excitate pentru a face inversiunea populației. O lampă cu bliț cu gaz poate fi utilizată la pompa optică care transportă energie către materialul laser. În cazurile în care energia materialelor cu laser se bazează pe coliziuni ale atomilor din material, sistemul este denumit pompaj de coliziune.

Componentele unui fascicul laser diferă, de asemenea, în cât timp durează pentru a furniza energie. Laserele cu undă continuă utilizează o putere medie a fasciculului stabil. Cu sisteme de putere mai mari, puteți regla, în general, puterea, dar, cu lasere cu gaz cu putere mai mică, precum laserele cu heliu-neon, nivelul de putere este fixat în funcție de conținutul gazului.

Laser cu heliu-neon

Laserul cu heliu-neon a fost primul sistem cu unde continue și se știe că emite o lumină roșie. Istoric, au folosit semnale de frecvență radio pentru a-și excita materialul, dar în zilele noastre folosesc o mică descărcare de curent direct între electrozii din tubul laserului.

Când electronii din heliu sunt excitați, aceștia dau energie atomilor de neon prin coliziuni care creează o inversiune a populației între atomii de neon. Laserul cu heliu-neon poate funcționa, de asemenea, într-o manieră stabilă la frecvențe înalte. Este utilizat în alinierea conductelor, a supravegherii și a razelor X.

Argon, Krypton și Xenon Ion Lasers

Trei gaze nobile, argonul, kriptonul și xenonul, au arătat utilizarea în aplicațiile laser pe zeci de frecvențe laser care se extind între ultraviolete și infraroșii. De asemenea, puteți amesteca aceste trei gaze între ele pentru a produce frecvențe și emisii specifice. Aceste gaze, în formele lor ionice, lasă electronii să se excite, ciocnindu-se unul împotriva celălalt, până când ating inversiunea populației.

Multe modele de aceste tipuri de lasere vă vor permite să selectați o anumită lungime de undă pentru ca cavitatea să fie emisă pentru a atinge frecvențele dorite. Manipularea perechii de oglinzi în cavitate vă poate permite, de asemenea, să izolați frecvențe singulare de lumină. Cele trei gaze, argon, kripton și xenon, vă permit să alegeți dintre multe combinații de frecvențe luminoase.

Aceste lasere produc ieșiri care sunt foarte stabile și nu generează multă căldură. Aceste lasere arată aceleași principii chimice și fizice care sunt utilizate în faruri, precum și lămpi electrice, luminoase precum stroboscopurile.

Lasere cu dioxid de carbon

Laserele cu dioxid de carbon sunt cele mai eficiente și eficiente dintre laserele cu undă continuă. Acestea funcționează folosind un curent electric într-un tub cu plasmă care are gaz dioxid de carbon. Coliziunile electronilor excită aceste molecule de gaz care apoi dau energie. Puteți adăuga, de asemenea, azot, heliu, xenon, dioxid de carbon și apă pentru a produce diferite frecvențe laser.

Când priviți tipurile de laser care pot fi utilizate în diferite ari, puteți determina care dintre ele pot crea cantități mari de putere, deoarece au o rată de eficiență ridicată, astfel încât să folosească o proporție semnificativă din energia oferită fără a lăsa prea mult mergi la deșeuri. În timp ce laserele cu heliu-neon au o rată de eficiență mai mică de 0,1%, rata pentru laserele cu dioxid de carbon este de aproximativ 30 la sută, de 300 de ori mai mare decât laserele cu heliu-neon. În ciuda acestui fapt, laserele cu dioxid de carbon au nevoie de o acoperire specială, spre deosebire de laserele cu heliu-neon, pentru a reflecta sau a transmite frecvențele corespunzătoare ale acestora.

Lasere excimer

Laserele Excimer folosesc lumină ultravioleta (UV) care, când a fost inventată pentru prima dată în 1975, a încercat să creeze un fascicul focal de lasere pentru precizie în microchirurgie și microlitografie industrială. Numele lor provine de la termenul „dimer excitat” în care un dimer este produsul combinațiilor de gaze care sunt excitate electric cu o configurație a nivelului de energie care creează frecvențe specifice de lumină în gama UV a spectrului electromagnetic.

Aceste lasere folosesc gaze reactive precum clorul și fluorul, alături de cantități de argon, kripton și xenon. Medicii și cercetătorii continuă să-și exploreze utilizările în aplicațiile chirurgicale, având în vedere cât de puternice și eficiente pot fi utilizate pentru aplicațiile laser chirurgicale pentru ochi. Laserele excimere nu generează căldură în cornee, dar energia lor poate rupe legăturile intermoleculare din țesutul corneei într-un proces numit „descompunere fotoablativă” fără a provoca leziuni inutile ochiului.