Sadržaj
- Laserska definicija
- Kako nastaju laserske zrake
- Inverzija stanovništva
- Princip lasera
- Kategorizacija vrsta lasera
- Komponente lasera
- Helij-neonski laser
- Argoni, Krypton i Xenon jonski laseri
- Laseri ugljičnog dioksida
- Excimer laseri
Usmjeravajući snagu svjetlosti pomoću lasera, možete ih koristiti za različite svrhe i bolje ih razumjeti proučavanjem fizike i kemije u osnovi koja ih tjera da rade.
Općenito, laser se proizvodi laserskim materijalom, bilo da je čvrst, tekuć ili plin koji odašilje zračenje u obliku svjetlosti. Kao kratica za "pojačavanje svjetlosti poticanom emisijom zračenja", metoda poticane emisije pokazuje kako se laseri razlikuju od ostalih izvora elektromagnetskog zračenja. Znajući kako nastaju ove frekvencije svjetlosti može vam dopustiti da iskoristite njihov potencijal za razne namjene.
Laserska definicija
Laseri se mogu definirati kao uređaj koji aktivira elektrone za emitiranje elektromagnetskog zračenja. Ova laserska definicija znači da zračenje može imati oblik bilo koje vrste na elektromagnetskom spektru, od radio valova do gama zraka.
Općenito, svjetlost lasera putuje uskom stazom, ali mogući su i laseri sa širokim rasponom odašiljanih valova. Kroz ove pojmove lasera, možete ih zamisliti kao valove poput okeanskih valova na morskoj obali.
Znanstvenici su lasere opisali u smislu njihove koherencije, značajku koja opisuje je li fazna razlika između dva signala u koraku i imaju li istu frekvenciju i valni oblik. Ako zamislite lasere kao valove s vrhovima, dolinama i koritima, razlika u fazama bi bila koliko je jedan val neskladan s drugim ili koliko bi se ta dva vala od preklapanja.
Frekvencija svjetlosti je koliko valnih vrhova prođe kroz datu točku u sekundi, a valna duljina je cijela dužina pojedinog vala od korita do korita ili od vrha do vrha.
Fotoni, pojedinci, kvantne čestice energije, čine elektromagnetsko zračenje lasera. Ti kvantizirani paketi znače da svjetlost lasera uvijek ima energiju kao višestruku energiju pojedinačnog fotona i da dolazi u tim kvantnim "paketima". To je ono što elektromagnetske valove čini česticama.
Kako nastaju laserske zrake
Mnoge vrste uređaja emitiraju lasere, poput optičkih šupljina. To su komore koje reflektiraju svjetlost materijala koji emitira elektromagnetsko zračenje na sebe. Obično su izrađena od dva ogledala, po jedno na svakom kraju materijala, tako da, kada odražavaju svjetlost, zrake svjetlosti postaju jače. Ti pojačani signali izlaze kroz prozirnu leću na kraju laserske šupljine.
Kada u prisutnosti izvora energije, poput vanjske baterije koja napaja struju, materijal koji emitira elektromagnetsko zračenje emitira svjetlost lasera u različitim energetskim stanjima. Ove razine energije ili kvantne razine ovise o samom izvornom materijalu. Stanje veće energije elektrona u materijalu vjerojatnije je da su nestabilne ili u pobuđenim stanjima, a laser će ih emitirati kroz svoju svjetlost.
Za razliku od ostalih svjetala, poput svjetla svjetiljke, laseri ispuštaju svjetlost u povremenim koracima sa sobom. To znači da je greben i korito svakog vala lasera u liniji s valovima koji dolaze prije i poslije, čineći svoju svjetlost koherentnom.
Laseri su dizajnirani na taj način da odašilju svjetlost određenih frekvencija elektromagnetskog spektra. U mnogim slučajevima to svjetlo ima oblik uskih, diskretnih zraka koje laseri emitiraju preciznim frekvencijama, ali neki laseri odaju široki, neprekinuti raspon svjetlosti.
Inverzija stanovništva
Jedna od karakteristika lasera koje pokreće vanjski izvor energije do kojeg može doći je inverzija stanovništva. To je oblik stimulirane emisije, a javlja se kada broj čestica u pobuđenom stanju nadmaši one u energetskom stanju niže razine.
Kada laser postigne inverziju stanovništva, količina ove poticane emisije koju svjetlost može stvoriti bit će veća od količine apsorpcije iz zrcala. To stvara optičko pojačalo i, ako ga postavite unutar rezonantne optičke šupljine, stvorili ste laserski oscilator.
Princip lasera
Ove metode uzbudljivog i emitirajućeg elektrona čine osnovu za laser kao izvor energije, laserski princip koji se nalazi u mnogim slučajevima. Kvantizirana razina koju elektroni mogu zauzeti kreće se od one s niskim udjelom energije za koju nije potrebno mnogo energije da bi se oslobodilo i visokoenergetskih čestica koje ostaju bliske i tijesno do jezgre. Kada se elektron oslobađa zbog sudaranja atoma jedan u drugom u ispravnoj orijentaciji i energetskoj razini, to je spontana emisija.
Kada se dogodi spontana emisija, foton koji emitira atom ima slučajnu fazu i smjer. To je zato što Načelo nesigurnosti sprječava znanstvenike da sa savršenom preciznošću znaju i položaj i moment čestice. Što više znate o položaju čestica, manje znate o njegovom zamahu i obrnuto.
Energiju ovih emisija možete izračunati pomoću Planckove jednadžbe E = hν za energiju E u džoulima, frekvencija ν elektrona u s-1 a Plancks konstanta h = 6.63 × 10-34 m2 kg / s. Energija koju foton ima kad se emitira iz atoma također se može izračunati kao promjena energije. Da biste pronašli povezanu frekvenciju s ovom promjenom energije, izračunajte ν koristeći energetske vrijednosti ove emisije.
Kategorizacija vrsta lasera
S obzirom na široku paletu upotrebe lasera, laseri se mogu kategorizirati na temelju namjene, vrste svjetla ili čak materijala samih lasera. Izmišljajući način da ih kategorizirate treba uzeti u obzir sve ove dimenzije lasera. Jedan od načina grupiranja je talasna dužina svjetlosti koju koriste.
Valna duljina lasera s elektromagnetskim zračenjem određuje frekvenciju i snagu energije koju koriste. Veća valna duljina korelira s manjom količinom energije i manjom frekvencijom. Suprotno tome, veća frekvencija snopa svjetlosti znači da ima više energije.
Lase možete grupirati i prema prirodi laserskog materijala. Laser u čvrstom stanju koristi čvrstu matricu atoma, kao što je neodimij, korišten u kristalnom aluminijumskom granatu iz itrijuma, u kojem se nalaze neodimijevi ioni za ove vrste lasera. Gasni laseri koriste mješavinu plinova u cijevi poput helija i neona koji stvaraju crvenu boju. Laseri u boji stvaraju se materijali organskog boje u tekućim otopinama ili suspenzijama
Laseri u boji koriste laserski medij koji je obično složeno organsko bojilo u tekućoj otopini ili suspenziji. Poluvodički laseri koriste dva sloja poluvodičkog materijala koji se mogu ugraditi u veće nizove. Poluvodiči su materijali koji provode električnu energiju koristeći snagu između izolatora i vodiča koji koriste male količine nečistoća ili kemikalije koja se unosi zbog unesenih kemikalija ili promjena temperature.
Komponente lasera
Za sve svoje različite primjene, svi laseri koriste ove dvije komponente izvora svjetlosti u obliku krute tvari, tekućine ili plina koji odašilje elektrone i nešto što bi stimuliralo taj izvor. To može biti drugi laser ili spontano emitiranje samog laserskog materijala.
Neki laseri koriste crpne sustave, metode povećanja energije čestica u laserskom mediju koji im omogućavaju da dosegnu svoja uzbuđena stanja kako bi izvršili inverziju stanovništva. Plinska bljeskalica može se koristiti u optičkoj crpki koja prenosi energiju na laserski materijal. U slučajevima kada se energija laserskih materijala oslanja na sudare atoma u materijalu, sustav se naziva koliziona crpka.
Komponente laserskog snopa razlikuju se i u vremenu koliko im je potrebno za isporuku energije. Laseri s kontinuiranim valom koriste stabilnu prosječnu snagu snopa. S sistemima veće snage možete općenito prilagoditi snagu, ali s plinskim laserima manje snage poput helij-neonskih lasera razina snage se fiksira na temelju sadržaja plina.
Helij-neonski laser
Helij-neonski laser bio je prvi sustav kontinuiranih valova i poznato je da odašilje crveno svjetlo. Povijesno su koristili radiofrekvencijske signale da bi pobudili svoj materijal, ali danas koriste mali iscjedak istosmjerne struje između elektroda u epruveti lasera.
Kad se elektroni u heliju pobude, oni daju energiju neonskim atomima sudara koji stvaraju inverziju populacije među neonskim atomima. Helij-neonski laser također može stabilno funkcionirati na visokim frekvencijama. Koristi se za poravnavanje cjevovoda, izmjere i rendgenske zrake.
Argoni, Krypton i Xenon jonski laseri
Tri plemenita plina, argon, kripton i ksenon, pokazala su upotrebu u laserskim primjenama na više desetaka laserskih frekvencija koje sežu od ultraljubičastog do infracrvenog. Ova tri plina možete također miješati jedan s drugim da biste proizveli određene frekvencije i emisije. Ti plinovi u svojim ionskim oblicima omogućuju da im se elektroni pobuđuju sudarajući se jedan o drugi dok ne postignu inverziju stanovništva.
Mnogi modeli ovakvih lasera omogućuju vam odabir određene valne duljine koju će šupljina emitirati za postizanje željenih frekvencija. Manipuliranje para zrcala unutar šupljine također vam može omogućiti izoliranje jedinstvenih frekvencija svjetlosti. Tri plina, argon, kripton i ksenon, omogućuju vam odabir između mnogih kombinacija frekvencija svjetlosti.
Ovi laseri proizvode rezultate koji su vrlo stabilni i ne stvaraju mnogo topline. Ovi laseri pokazuju iste kemijske i fizikalne principe koji se koriste u svjetionicima, kao i svijetle, električne svjetiljke poput stroboskopa.
Laseri ugljičnog dioksida
Laseri ugljičnog dioksida najučinkovitiji su i najučinkovitiji laseri s kontinuiranim valovima. Oni funkcioniraju pomoću električne struje u plazmi u cijevi koja ima plin ugljični dioksid. Sudari elektrona pobuđuju ove molekule plina koji tada odaju energiju. Možete također dodati dušik, helij, ksenon, ugljični dioksid i vodu za proizvodnju različitih frekvencija lasera.
Kada gledate vrste lasera koji se mogu koristiti u različitim areama, možete odrediti koji od njih mogu stvoriti velike količine snage, jer imaju visoku stopu iskoristivosti, tako da koriste značajan udio energije koja im se daje, a da pritom ne puštaju puno idi na otpad. Dok su helij-neonski laseri efikasnost manja od 0,1%, stopa za lasere s ugljičnim dioksidom iznosi oko 30 posto, što je 300 puta veća od helij-neonskih lasera. Uprkos tome, laseri s ugljičnim dioksidom trebaju poseban premaz, za razliku od helij-neonskih lasera, da bi odražavali ili odašiljali svoje odgovarajuće frekvencije.
Excimer laseri
Eksimerni laseri koriste ultraljubičastu (UV) svjetlost koja je, kada je prvi put izumljena 1975., pokušala stvoriti fokusiranu zraku lasera za preciznost u mikrokirurgiji i industrijskoj mikrolitografiji. Njihovo ime dolazi od izraza "uzbuđeni dimer" u kojem je dimer produkt kombinacija plinova koje su električno pobudjene s konfiguracijom energetske razine koja stvara specifične frekvencije svjetlosti u UV rasponu elektromagnetskog spektra.
Ovi laseri koriste reaktivne plinove poput klora i fluora, zajedno s plemenitim plinovima argonom, kriptonom i ksenonom. Liječnici i istraživači još uvijek istražuju njihovu uporabu u kirurškim aplikacijama s obzirom na to koliko se moćne i učinkovite mogu koristiti za laserske aplikacije za kirurgiju oka. Eksimerni laseri ne stvaraju toplinu u rožnici, ali njihova energija može razbiti intermolekularne veze u tkivu rožnice u procesu koji se naziva "fotoablativno raspadanje" bez nanošenja nepotrebnog oštećenja oka.