Sisu
- Laseri määratlus
- Kuidas tehakse laserkiiri
- Rahvastiku inversioon
- Laserprintsiip
- Laseritüüpide kategoriseerimine
- Laserite komponendid
- Heelium-neoonlaser
- Argooni, Kryptoni ja ksenoonioonide laserid
- Süsinikdioksiidlaserid
- Excimer laserid
Laseri abil valguse jõudu rakendades saate lasereid kasutada erinevatel eesmärkidel ja mõista neid paremini, uurides nende aluseks olevat füüsikat ja keemiat, mis paneb neid tööle.
Üldiselt toodetakse laserit lasermaterjal, olgu see tahke, vedel või gaasiline, mis eraldab valguse kujul kiirgust. Lühendi "valguse võimendamine kiirguse stimuleerimise teel" abil stimuleeritud emissiooni meetod näitab, kuidas laserid erinevad teistest elektromagnetilise kiirguse allikatest. Teades, kuidas need valguse sagedused tekivad, saate kasutada nende potentsiaali mitmesuguseks kasutamiseks.
Laseri määratlus
Laserit võib määratleda kui seadet, mis aktiveerib elektrone elektromagnetilise kiirguse eraldamiseks. See lasermõiste tähendab, et kiirgus võib elektromagnetilises spektris esineda mis tahes vormis, raadiolainetest gammakiirteni.
Üldiselt liigub laserite valgus mööda kitsast rada, kuid võimalik on ka laser, mille laineulatus on väga lai. Nende laserite mõistete kaudu saate neid mõelda lainetena nagu ookeanilaineid mererannas.
Teadlased on kirjeldanud lasereid nende sidususe osas - funktsiooni, mis kirjeldab, kas kahe signaali faaside erinevus on sammuga ja kas neil on sama sagedus ja lainekuju. Kui kujutate lasereid ette kui laineid, millel on tipud, orud ja süvendid, oleks faaside erinevus selles, kui palju üks laine pole teisega sünkroonis või kui kaugel kaks lainet oleksid kattuvusest.
Valguse sagedus on see, kui palju laine tippe läbib antud punkti sekundis, ja lainepikkus on ühe laine kogupikkus vähist madalaimani või tipust tipuni.
Fotonid, üksikisikute energia kvantosakesed, moodustavad laseri elektromagnetilise kiirguse. Need kvantiseeritud paketid tähendavad seda, et laseri valguses on energia alati ühe footoni energia kordsena ja et see tuleb nendes kvantpakettides. See muudab elektromagnetilised lained osakeste moodi.
Kuidas tehakse laserkiiri
Paljud tüüpi seadmed kiirgavad lasereid, näiteks optilised õõnsused. Need on kambrid, mis peegeldavad valgust materjalist, mis kiirgab tagasi elektromagnetilist kiirgust. Need on tavaliselt valmistatud kahest peeglist, üks materjali mõlemas otsas, nii et valguse peegeldumisel muutuvad valguskiired tugevamaks. Need võimendatud signaalid väljuvad laserõõnsuse otsas oleva läbipaistva läätse kaudu.
Kui tegemist on energiaallikaga, näiteks välise akuga, mis varustab voolu, kiirgab elektromagnetilist kiirgust kiirgav materjal laseri valgust erinevates energiaseisundites. Need energiatasemed ehk kvanttasandid sõltuvad algmaterjalist endast. Materjalis sisalduvate elektronide kõrgemad energiaseisundid on tõenäolisemalt ebastabiilsed või ergastatud olekus ja laser eraldab neid oma valguse kaudu.
Erinevalt teistest tuledest, näiteks taskulambi valgusest, eraldavad laserid valgust ise perioodiliste sammudega. See tähendab, et laserite iga laine hari ja süvend koosnevad enne ja pärast tulevate lainete harjast ja süvendist, muutes nende valguse koherentsuseks.
Laserid on konstrueeritud selliselt, et need eraldavad elektromagnetilise spektri spetsiifiliste sageduste valgust. Paljudel juhtudel on see valgus kitsaste diskreetsete kiirte kujul, mida laserid kiirgavad täpsetel sagedustel, kuid mõned laserid eraldavad laias, pidevas valguse vahemikus.
Rahvastiku inversioon
Välisest energiaallikast töötava laseri üks omadusi, mis võivad tekkida, on populatsiooni inversioon. See on stimuleeritud emissiooni vorm ja see toimub siis, kui ergastatud olekus osakeste arv ületab madalama energiataset omavate osakeste arvu.
Kui laser saavutab populatsiooni inversiooni, on selle stimuleeritud emissiooni summa, mida valgus võib tekitada, suurem kui peeglitest neeldumine. See loob optilise võimendi ja kui asetate selle resonantsoptilise õõnsuse sisse, olete loonud laserostsillaatori.
Laserprintsiip
Need põnevate ja kiirgavate elektronide meetodid on aluseks laseritele, mis on energiaallikas - laseriprintsiip, mida leidub paljudes rakendustes. Kvantiseeritud tasemed, mida elektronid võivad hõivata, ulatuvad madala energiatarbega tasemetest, mis ei vaja eraldumiseks palju energiat, ja kõrge energiaga osakestest, mis püsivad tuuma lähedal ja tihedalt. Kui elektron vabaneb, kuna aatomid põrkavad omavahel kokku õiges orientatsioonis ja energiatasandil, on see spontaanne emissioon.
Spontaanse emissiooni korral on aatomi kiirgatud footonil juhuslik faas ja suund. Selle põhjuseks on asjaolu, et määramatuse põhimõte takistab teadlastel täpse täpsusega teada nii osakese asukohta kui ka impulssi. Mida rohkem teate osakeste positsiooni, seda vähem teate selle hoogust ja vastupidi.
Nende heitkoguste energia saate arvutada Plancki võrrandi abil E = hν energia jaoks E džaulides, sagedus ν elektroni osa sekundites-1 ja Plancks konstantne h = 6.63 × 10-34 m2 kg / s. Energiat, mis footonil on aatomist eraldudes, saab arvutada ka energia muutusena. Selle energiamuutusega seotud sageduse leidmiseks arvutage ν kasutades selle emissiooni energiaväärtusi.
Laseritüüpide kategoriseerimine
Laserite laia kasutusotstarvet arvesse võttes saab lasereid liigitada vastavalt otstarbele, valguse tüübile või isegi laserite enda materjalidele. Nende liigitamiseks tuleb arvestada kõigi nende laserite mõõtmetega. Üks võimalus neid grupeerida on nende poolt kasutatava valguse lainepikkuse järgi.
Laserite elektromagnetilise kiirguse lainepikkus määrab nende poolt kasutatava energia sageduse ja tugevuse. Suurem lainepikkus korreleerub väiksema energiakoguse ja väiksema sagedusega. Seevastu suurem valguskiire sagedus tähendab, et sellel on rohkem energiat.
Laserit saab rühmitada ka lasermaterjali olemuse järgi. Tahkislaserites kasutatakse aatomite tahket maatriksit, näiteks neodüümi, mida kasutatakse ütrium-alumiiniumgranaadis asuvas ütrium-alumiiniumgranaadis, milles paiknevad neodüümiioonid seda tüüpi laserite jaoks. Gaaslaserid kasutavad torus gaaside segu nagu heelium ja neoon, mis loovad punase värvi. Värvlaserid luuakse orgaaniliste värvimaterjalide abil vedelates lahustes või suspensioonides
Värvilaserites kasutatakse laserkeskkonda, mis on tavaliselt vedelas lahuses või suspensioonis sisalduv keeruline orgaaniline värvaine. Pooljuhtide laserites kasutatakse kahte pooljuhtmaterjali kihti, mille saab ehitada suurematesse massiividesse. Pooljuhid on materjalid, mis juhivad elektrit, kasutades tugevust isolaatori ja juhi vahel, mis kasutavad sissetoodud kemikaalide või temperatuurimuutuste tõttu väikestes kogustes lisandeid või sissetoodud kemikaale.
Laserite komponendid
Kõigil erinevatel kasutusaladel kasutavad kõik laserid neid kahte valgusallika komponenti tahke, vedeliku või gaasi kujul, mis eraldab elektronid, ja midagi selle allika stimuleerimiseks. See võib olla veel üks laser või iseenda laseri enda spontaanne emissioon.
Mõnedes laserites kasutatakse pumpamissüsteeme, laserkeskkonnas osakeste energia suurendamise meetodeid, mis lasevad neil jõuda ergastatud olekutesse, et muuta elanikkond inversiooniks. Gaasil töötavat välklampi saab kasutada optilises pumpamises, mis kannab energiat lasermaterjalile. Juhtudel, kui lasermaterjalide energia sõltub materjali aatomite kokkupõrgetest, nimetatakse süsteemi kokkupõrke pumpamiseks.
Laserkiire komponendid varieeruvad ka energia edastamiseks kuluva aja jooksul. Pideva laine laserid kasutavad stabiilset keskmist kiirte võimsust. Suurema võimsusega süsteemide korral saate võimsust üldiselt reguleerida, kuid väiksema võimsusega gaasilaserite, näiteks heelium-neoonlaserite puhul on võimsuse tase fikseeritud gaasi sisalduse põhjal.
Heelium-neoonlaser
Heelium-neoonlaser oli esimene pideva laine süsteem ja teadaolevalt eraldab see punast tuld. Ajalooliselt kasutasid nad oma materjali ergastamiseks raadiosageduse signaale, kuid tänapäeval kasutavad nad laseritorus olevate elektroodide vahel väikest alalisvoolu laengut.
Kui heeliumi elektronid erutuvad, eraldavad nad neooniaatomitele energiat kokkupõrgete kaudu, mis tekitavad neooniaatomite seas inversiooni. Heeliumi-neoonlaser võib ka stabiilselt kõrgetel sagedustel töötada. Seda kasutatakse torujuhtmete joondamisel, mõõdistamisel ja röntgenikiirgustes.
Argooni, Kryptoni ja ksenoonioonide laserid
Kolm väärisgaasi, argoon, krüptoon ja ksenoon, on näidanud kasutamist laserrakendustes kümnetel laseri sagedustel, mis ulatuvad ultraviolettkiirgusest infrapunakiirguseni. Neid kolme gaasi saate ka omavahel segada, et saada kindlaid sagedusi ja emissioone. Need ioonvormides olevad gaasid lasevad elektronidel üksteise vastu põrgates ergastuda, kuni nad saavutavad populatsiooni inversiooni.
Paljud seda tüüpi laserite konstruktsioonid võimaldavad teil soovitud sageduste saavutamiseks valida õõnsuse teatud lainepikkuse. Õõnes asuva peeglite paari manipuleerimine võimaldab teil eraldada ka valguse ainsuse sagedused. Kolm gaasi, argoon, krüptoon ja ksenoon, võimaldavad teil valida paljude valgussageduste kombinatsioonide hulgast.
Need laserid annavad väljundeid, mis on väga stabiilsed ja ei tekita palju soojust. Need laserid näitavad samu keemilisi ja füüsikalisi põhimõtteid, mida kasutatakse tuletornides, aga ka eredaid elektrilampe, nagu stroboskoobid.
Süsinikdioksiidlaserid
Süsinikdioksiidlaserid on pideva laine laseritest kõige tõhusamad ja tõhusamad. Need töötavad elektrivooluga plasmatorus, milles on gaasilist süsinikdioksiidi. Elektronide kokkupõrked erutavad neid gaasimolekule, mis eraldavad energiat. Erinevate lasersageduste saamiseks võite lisada ka lämmastikku, heeliumi, ksenooni, süsinikdioksiidi ja vett.
Laseri tüüpe vaadates, mida võib kasutada erinevatel areenidel, saate kindlaks teha, millised neist võivad tekitada suures koguses elektrienergiat, kuna nende efektiivsusaste on kõrge, nii et nad kasutavad olulist osa neile antud energiast, laskmata palju mine raisku. Kui heelium-neoonlaserite efektiivsuse määr on alla .1%, siis süsinikdioksiidlaserite efektiivsus on umbes 30 protsenti, mis on 300 korda suurem kui heelium-neoonlaserite puhul. Sellele vaatamata vajavad süsinikdioksiidlaserid nende sobivate sageduste peegeldamiseks või edastamiseks erinevalt heelium-neoonlaseritest spetsiaalset katet.
Excimer laserid
Excimer-laserid kasutavad ultraviolettvalgust (UV-valgust), mille esmakordne leiutamine 1975. aastal üritas luua fokuseeritud laserkiirt täpsustamiseks mikrokirurgias ja tööstuslikus mikrolitograafias. Nende nimi pärineb terminist "ergastatud dimeer", milles dimeer on gaasikombinatsioonide toode, mis on elektriliselt ergastatud energiataseme konfiguratsiooniga, mis loob spetsiifilised valguse sagedused elektromagnetilise spektri UV-vahemikus.
Need laserid kasutavad reaktiivgaase nagu kloor ja fluor lisaks väärisgaaside argooni, krüptooni ja ksenooni kogustele. Arstid ja teadlased uurivad endiselt nende kasutamist kirurgilistes rakendustes, arvestades, kui võimsaid ja tõhusaid neid saab kasutada silmaoperatsiooni laserrakenduste jaoks. Excimer-laserid ei tekita sarvkesta kuumust, kuid nende energia võib sarvkesta kudedes molekulaarsete sidemete tõttu "fotoablatiivseks lagunemiseks" puruneda, põhjustamata seejuures silma tarbetuid kahjustusi.