Obsah
- Definícia lasera
- Ako sa vyrábajú laserové lúče
- Inverzia populácie
- Princíp laseru
- Kategorizácia typov laserov
- Súčasti laserov
- Hélium-neónový laser
- Lasery Argon, Krypton a Xenon Ion
- Lasery oxidu uhličitého
- Excimerové lasery
Využitím sily svetla pomocou laserov môžete používať lasery na rôzne účely a lepšie ich porozumieť štúdiom základnej fyziky a chémie, vďaka ktorej sú schopné pracovať.
Laser sa všeobecne vyrába laserovým materiálom, či už ide o pevný, kvapalný alebo plynný plyn, ktorý vydáva žiarenie vo forme svetla. Ako skratka pre „zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia“, metóda stimulovaných emisií ukazuje, ako sa lasery líšia od iných zdrojov elektromagnetického žiarenia. Vedieť, ako sa tieto frekvencie svetla objavia, vám umožní využiť ich potenciál na rôzne účely.
Definícia lasera
Lasery môžu byť definované ako zariadenie, ktoré aktivuje elektróny na vyžarovanie elektromagnetického žiarenia. Táto laserová definícia znamená, že žiarenie môže mať podobu akéhokoľvek druhu na elektromagnetickom spektre, od rádiových vĺn po gama lúče.
Všeobecne svetlo laserov prechádza úzkou cestou, sú však možné aj lasery so širokým rozsahom vyžarovaných vĺn. Prostredníctvom týchto predstáv o laseroch ich môžete považovať za vlny rovnako ako morské vlny na morskom pobreží.
Vedci opísali lasery z hľadiska ich koherencie, čo je vlastnosť, ktorá popisuje, či je fázový rozdiel medzi dvoma signálmi v jednom kroku a či majú rovnakú frekvenciu a tvar vlny. Ak si viete predstaviť lasery ako vlny s vrcholmi, údoliami a žľabmi, fázovým rozdielom by bolo, koľko jedna vlna nie je úplne v synchronizácii s inou alebo ako ďaleko by sa tieto dve vlny od prekrývania prelínali.
Frekvencia svetla je, koľko vrcholov vlny prechádza daným bodom za sekundu, a vlnová dĺžka je celá dĺžka jednej vlny od koryta po koryto alebo od vrcholu k vrcholu.
Fotóny, jednotlivci, kvantové častice energie, tvoria elektromagnetické žiarenie lasera. Tieto kvantované pakety znamenajú, že svetlo lasera má vždy energiu ako násobok energie jedného fotónu a že prichádza do týchto kvantových „paketov“. To spôsobuje elektromagnetické vlny ako častice.
Ako sa vyrábajú laserové lúče
Mnoho typov zariadení vyžaruje lasery, napríklad optické dutiny. Sú to komory, ktoré odrážajú svetlo z materiálu, ktorý vyžaruje elektromagnetické žiarenie späť do seba. Spravidla sa vyrábajú z dvoch zrkadiel, jedného na každom konci materiálu, takže keď odrážajú svetlo, lúče svetla sa zosilnia. Tieto zosilnené signály vystupujú cez priehľadnú šošovku na konci laserovej dutiny.
Keď je v prítomnosti zdroja energie, napríklad externej batérie, ktorá dodáva prúd, materiál, ktorý vyžaruje elektromagnetické žiarenie, emituje svetlo lasera v rôznych energetických stavoch. Tieto úrovne energie alebo kvantové úrovne závisia od samotného zdrojového materiálu. Vyššie energetické stavy elektrónov v materiáli sú s väčšou pravdepodobnosťou nestabilné alebo v excitovaných stavoch a laser ich bude emitovať cez svoje svetlo.
Na rozdiel od iných svetiel, ako je svetlo z baterky, lasery vydávajú svetlo v pravidelných krokoch so sebou. To znamená, že hrebeň a koryto každej vlny laserovej línie sa zhoduje s vlnami, ktoré prichádzajú pred a po, čím sa ich svetlo spojí.
Lasery sú navrhnuté tak, že vydávajú svetlo so špecifickými frekvenciami elektromagnetického spektra. V mnohých prípadoch má toto svetlo formu úzkych, diskrétnych lúčov, ktoré lasery emitujú pri presných frekvenciách, ale niektoré lasery vydávajú široké a súvislé rozsahy svetla.
Inverzia populácie
Jednou z vlastností lasera napájaného z externého zdroja energie, ktorý sa môže vyskytnúť, je inverzia populácie. Je to forma stimulovanej emisie a vyskytuje sa, keď počet častíc v excitovanom stave prevyšuje počet častíc v energetickom stave nižšej úrovne.
Keď laser dosiahne inverziu populácie, množstvo tejto stimulovanej emisie, ktorú môže svetlo vytvoriť, bude väčšie ako množstvo absorpcie zo zrkadiel. Takto sa vytvorí optický zosilňovač, a ak ho umiestnite do rezonančnej optickej dutiny, vytvorili ste laserový oscilátor.
Princíp laseru
Tieto metódy vzrušujúcich a emitujúcich elektrónov tvoria základ pre lasery, ktoré sú zdrojom energie, čo je laserový princíp nájdený v mnohých použitiach. Kvantizované úrovne, ktoré môžu elektróny obsadzovať, sa pohybujú od nízkoenergetických hladín, ktoré nevyžadujú uvoľnenie väčšieho množstva energie a častice s vysokou energiou, ktoré zostávajú blízko a tesne k jadru. Keď sa elektrón uvoľní z dôvodu zrážania atómov navzájom v správnej orientácii a na úrovni energie, ide o spontánnu emisiu.
Ak dôjde k spontánnej emisii, fotón emitovaný atómom má náhodnú fázu a smer. Je to preto, že princíp neurčitosti bráni vedcom poznať polohu a hybnosť častice s dokonalou presnosťou. Čím viac viete o polohe častíc, tým menej viete o jej hybnosti a naopak.
Energiu týchto emisií môžete vypočítať pomocou Planckovej rovnice E = hν pre energiu E v jouloch, frekvencia ν elektrónu v s-1 a Plancks konštantné hod = 6.63 × 10-34 m2 kg / s. Energia, ktorú má fotón pri emitovaní z atómu, sa môže tiež vypočítať ako zmena energie. Ak chcete nájsť súvisiacu frekvenciu s touto zmenou energie, vypočítajte ν pomocou energetických hodnôt tejto emisie.
Kategorizácia typov laserov
Vzhľadom na širokú škálu použitia laserov možno lasery kategorizovať podľa účelu, typu svetla alebo dokonca podľa materiálov samotných laserov. Pri hľadaní spôsobu ich klasifikácie je potrebné zohľadniť všetky tieto rozmery laserov. Jedným zo spôsobov, ako ich zoskupiť, je podľa vlnovej dĺžky svetla, ktoré používajú.
Vlnová dĺžka laserového elektromagnetického žiarenia určuje frekvenciu a silu energie, ktorú používajú. Väčšia vlnová dĺžka koreluje s menším množstvom energie a menšou frekvenciou. Naopak, vyššia frekvencia lúča svetla znamená, že má viac energie.
Môžete tiež zoskupovať lasery podľa charakteru laserového materiálu. Lasery v tuhom skupenstve používajú pevnú maticu atómov, ako je neodým, ktoré sa používajú v kryštalickom hlinitom granáte Ytrium, ktorý obsahuje ióny neodýmu pre tieto typy laserov. Plynové lasery používajú v skúmavke zmes plynov ako hélium a neóny, ktoré vytvárajú červenú farbu. Farbiace lasery sú tvorené materiálmi organických farbív v kvapalných roztokoch alebo suspenziách
Farbiace lasery používajú laserové médium, ktoré je zvyčajne komplexným organickým farbivom v tekutom roztoku alebo suspenzii. Polovodičové lasery používajú dve vrstvy polovodičového materiálu, ktoré je možné zabudovať do väčších polí. Polovodiče sú materiály, ktoré vedú elektrinu s použitím sily medzi silou izolátora a vodiča, ktorý používa malé množstvo nečistôt alebo zavedenej chemikálie kvôli zavedeným chemikáliám alebo zmenám teploty.
Súčasti laserov
Všetky lasery používajú na všetky svoje rôzne použitia tieto dve zložky zdroja svetla vo forme pevnej látky, kvapaliny alebo plynu, ktorá uvoľňuje elektróny a niečo, čo tento zdroj stimuluje. Môže to byť iný laser alebo spontánna emisia samotného laserového materiálu.
Niektoré lasery používajú čerpacie systémy, metódy zvyšovania energie častíc v laserovom médiu, ktoré im umožňujú dosiahnuť ich vzrušený stav, aby urobili inverziu populácie. Pri optickom čerpaní, ktoré prenáša energiu do laserového materiálu, sa môže použiť plynová záblesková lampa. V prípadoch, keď sa energia laserového materiálu spolieha na kolízie atómov v materiáli, systém sa označuje ako kolízne čerpadlo.
Súčasti laserového lúča sa tiež líšia v tom, ako dlho trvá dodanie energie. Lasery s kontinuálnymi vlnami využívajú stabilný priemerný výkon lúča. Pri systémoch s vyšším výkonom môžete spravidla upraviť výkon, ale pri plynových laseroch s nižšou výkonnosťou, ako sú napríklad héliónové neónové lasery, je úroveň výkonu stanovená na základe obsahu plynu.
Hélium-neónový laser
Hélium-neónový laser bol prvý systém so stálou vlnou a je známe, že vydáva červené svetlo. Historicky používali vysokofrekvenčné signály na excitáciu materiálu, ale v súčasnosti používajú malý elektrónový výboj medzi elektródami v trubici lasera.
Keď sú elektróny v héliu vzrušené, uvoľňujú energiu atómom neónov prostredníctvom zrážok, ktoré vytvárajú inverziu populácie medzi atómami neónov. Hélium-neónový laser môže tiež fungovať stabilne pri vysokých frekvenciách. Používa sa pri zarovnávaní potrubí, geodézie a röntgenových lúčoch.
Lasery Argon, Krypton a Xenon Ion
Tri vzácne plyny, argón, kryptón a xenón, preukázali použitie v laserových aplikáciách na desiatkach laserových frekvencií, ktoré pokrývajú ultrafialové a infračervené žiarenie. Tieto tri plyny môžete tiež zmiešať, aby ste vytvorili špecifické frekvencie a emisie. Tieto plyny v ich iónových formách nechajú svoje elektróny nadchnúť zrážkou, kým nedosiahnu inverziu populácie.
Mnoho návrhov týchto druhov laserov vám umožní zvoliť určitú vlnovú dĺžku, ktorú má dutina emitovať, aby sa dosiahla požadovaná frekvencia. Manipuláciou párov zrkadiel v dutine môžete tiež izolovať jednotlivé frekvencie svetla. Tri plyny, argón, kryptón a xenón, vám umožňujú vybrať si z mnohých kombinácií svetelných frekvencií.
Tieto lasery produkujú výstupy, ktoré sú vysoko stabilné a nevytvárajú veľa tepla. Tieto lasery vykazujú rovnaké chemické a fyzikálne princípy, aké sa používajú v majákoch, ako aj jasné elektrické žiarovky ako stroboskopy.
Lasery oxidu uhličitého
Lasery s oxidom uhličitým sú najúčinnejšie a najúčinnejšie lasery s kontinuálnymi vlnami. Fungujú pomocou elektrického prúdu v plazmovej trubici, ktorá obsahuje plynný oxid uhličitý. Kolízie elektrónov excitujú tieto molekuly plynu, ktoré potom uvoľňujú energiu. Môžete tiež pridať dusík, hélium, xenón, oxid uhličitý a vodu, aby ste vytvorili rôzne laserové frekvencie.
Pri pohľade na typy laserov, ktoré sa dajú použiť v rôznych aroch, môžete určiť, ktoré z nich môžu vytvárať veľké množstvá energie, pretože majú vysokú mieru účinnosti, takže využívajú značnú časť energie, ktorá im bola poskytnutá, bez toho, aby im veľa dopustili ísť do odpadu. Zatiaľ čo héliónové neónové lasery majú mieru účinnosti menšiu ako 0,1%, miera pre lasery s oxidom uhličitým je asi 30 percent, čo je 300-krát viac ako u héliónových laserov. Napriek tomu lasery na báze oxidu uhličitého potrebujú špeciálny povlak, na rozdiel od heliových neónových laserov, aby odrážali alebo prenášali svoje príslušné frekvencie.
Excimerové lasery
Excimerové lasery používajú ultrafialové (UV) svetlo, ktoré sa pri svojom prvom vynáleze v roku 1975 pokúsilo vytvoriť zaostrený lúč laserov pre presnosť v mikrochirurgii a priemyselnej mikrolitografii. Ich názov pochádza z termínu "excitovaný dimér", v ktorom je dimér produktom kombinácií plynov, ktoré sú elektricky excitované s konfiguráciou úrovne energie, ktorá vytvára špecifické frekvencie svetla v UV oblasti elektromagnetického spektra.
Tieto lasery používajú reaktívne plyny, ako je chlór a fluór, spolu s množstvami vzácnych plynov argón, kryptón a xenón. Lekári a vedci stále skúmajú svoje použitie v chirurgických aplikáciách, vzhľadom na to, aké výkonné a efektívne môžu byť použité na laserové aplikácie chirurgie očí. Excimerové lasery nevytvárajú teplo v rohovke, ale ich energia môže narušiť intermolekulárne väzby v rohovkovom tkanive v procese nazývanom „fotoablatívny rozklad“ bez toho, aby spôsobila zbytočné poškodenie oka.