Περιεχόμενο
- Ορισμός λέιζερ
- Πώς κατασκευάζονται οι δέσμες λέιζερ
- Αναστροφή πληθυσμού
- Αρχή λέιζερ
- Κατηγοριοποίηση τύπων λέιζερ
- Συστατικά των λέιζερ
- Χέλι-νέον λέιζερ
- Argon, Krypton και Xenon Ion Lasers
- Λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα
- Excimer Lasers
Αξιοποιώντας τη δύναμη του φωτός μέσω των λέιζερ, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λέιζερ για διάφορους σκοπούς και να τους καταλάβετε καλύτερα μελετώντας την υποκείμενη φυσική και χημεία που τις κάνει να λειτουργούν.
Γενικά, ένα λέιζερ παράγεται από ένα υλικό λέιζερ, είτε είναι στερεό, είτε υγρό είτε αέριο, που εκπέμπει ακτινοβολία υπό μορφή φωτός. Ως ακρωνύμιο για την "ενίσχυση του φωτός με διέγερση εκπομπής ακτινοβολίας", η μέθοδος των διεγερμένων εκπομπών δείχνει πώς τα λέιζερ διαφέρουν από άλλες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Γνωρίζοντας πώς αυτές οι συχνότητες φωτός αναδύονται μπορεί να σας αφήσει να αξιοποιήσετε τις δυνατότητές τους για διάφορες χρήσεις.
Ορισμός λέιζερ
Τα λέιζερ μπορούν να οριστούν ως μια συσκευή που ενεργοποιεί τα ηλεκτρόνια για να εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτός ο ορισμός λέιζερ σημαίνει ότι η ακτινοβολία μπορεί να λάβει τη μορφή οποιουδήποτε είδους στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, από ραδιοκύματα έως ακτίνες γάμμα.
Γενικά το φως των λέιζερ ταξιδεύει κατά μήκος μιας στενής διαδρομής, αλλά είναι επίσης δυνατά τα λέιζερ με ένα ευρύ φάσμα εκπεμπόμενων κυμάτων. Μέσα από αυτές τις έννοιες των λέιζερ, μπορείτε να τους θεωρήσετε ως κύματα ακριβώς όπως τα κύματα των ωκεανών στην παραλία.
Οι επιστήμονες έχουν περιγράψει τα λέιζερ ως προς τη συνοχή τους, ένα χαρακτηριστικό που περιγράφει αν η διαφορά φάσης μεταξύ δύο σημάτων είναι βήμα και έχουν την ίδια συχνότητα και κυματομορφή. Εάν φανταστείτε λέιζερ ως κύματα με κορυφές, κοιλάδες και κοιλότητες, η διαφορά φάσης θα ήταν πόσο ένα κύμα δεν είναι αρκετά σε συγχρονισμό με άλλο ή πόσο μακριά θα ήταν τα δύο κύματα από την επικάλυψη.
Η συχνότητα του φωτός είναι πόσες κορυφές κύματος περνούν μέσα από ένα δεδομένο σημείο σε ένα δευτερόλεπτο και το μήκος κύματος είναι ολόκληρο το μήκος ενός μόνο κύματος από το κατώτατο σημείο στο κατώτατο σημείο ή από την κορυφή στην κορυφή.
Φωτόνια, άτομα κβαντικά σωματίδια ενέργειας, συνθέτουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ενός λέιζερ. Αυτά τα κβαντισμένα πακέτα σημαίνουν ότι το φως ενός λέιζερ έχει πάντα την ενέργεια ως ένα πολλαπλάσιο της ενέργειας ενός μόνο φωτονίου και ότι έρχεται σε αυτά τα κβαντικά "πακέτα". Αυτό κάνει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σωματιδιακά.
Πώς κατασκευάζονται οι δέσμες λέιζερ
Πολλοί τύποι συσκευών εκπέμπουν λέιζερ, όπως οπτικές κοιλότητες. Αυτοί είναι θάλαμοι που αντανακλούν το φως από ένα υλικό που εκπέμπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πίσω στον εαυτό του. Είναι γενικά κατασκευασμένα από δύο καθρέφτες, ένα σε κάθε άκρο του υλικού έτσι ώστε, όταν αντανακλούν το φως, οι δέσμες φωτός γίνονται ισχυρότερες. Αυτά τα ενισχυμένα σήματα εξέρχονται μέσω ενός διαφανούς φακού στο άκρο της κοιλότητας του λέιζερ.
Όταν υπάρχει μια πηγή ενέργειας, όπως μια εξωτερική μπαταρία που τροφοδοτεί ρεύμα, το υλικό που εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπει το φως του λέιζερ σε διάφορες ενεργειακές καταστάσεις. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας, ή τα κβαντικά επίπεδα, εξαρτώνται από το ίδιο το υλικό πηγής. Υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις ηλεκτρονίων στο υλικό είναι πιο πιθανό να είναι ασταθείς ή σε διεγερμένες καταστάσεις και το λέιζερ θα τις εκπέμψει μέσω του φωτός του.
Σε αντίθεση με άλλα φώτα, όπως το φως από έναν φακό, τα λέιζερ εκπέμπουν φως σε περιοδικά βήματα με τον εαυτό του. Αυτό σημαίνει ότι η κορυφή και το κατώτατο σημείο κάθε κύματος λέιζερ ευθυγραμμίζονται με εκείνα των κυμάτων που έρχονται πριν και μετά, κάνοντας το φως τους συνεκτικό.
Τα λέιζερ έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να εκπέμπουν φως συγκεκριμένων συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σε πολλές περιπτώσεις, το φως αυτό έχει τη μορφή στενών διακριτών ακτίνων που εκπέμπουν τα λέιζερ σε ακριβείς συχνότητες, αλλά μερικά λέιζερ εκπέμπουν ευρείες και συνεχείς φωτεινές περιοχές.
Αναστροφή πληθυσμού
Ένα χαρακτηριστικό ενός λέιζερ που τροφοδοτείται από μια εξωτερική πηγή ενέργειας που μπορεί να συμβεί είναι μια αναστροφή του πληθυσμού. Αυτή είναι μια μορφή διέγερσης εκπομπής και συμβαίνει όταν ο αριθμός του αριθμού των σωματιδίων σε κατάσταση διεγέρσεως ξεπερνά τους αριθμούς σε κατάσταση χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης.
Όταν το λέιζερ επιτύχει την αντιστροφή του πληθυσμού, η ποσότητα αυτής της διεγερμένης εκπομπής που μπορεί να δημιουργήσει το φως θα είναι μεγαλύτερη από την ποσότητα απορρόφησης από τους καθρέφτες. Αυτό δημιουργεί έναν οπτικό ενισχυτή και, εάν τοποθετήσετε ένα μέσα σε μια συντονισμένη οπτική κοιλότητα, έχετε δημιουργήσει έναν ταλαντωτή λέιζερ.
Αρχή λέιζερ
Αυτές οι μέθοδοι διέγερσης και εκπομπής ηλεκτρονίων αποτελούν τη βάση για τη χρήση λέιζερ ως πηγή ενέργειας, μιας αρχής λέιζερ που βρίσκεται σε πολλές χρήσεις. Τα κβαντισμένα επίπεδα που μπορούν να καταλάβουν τα ηλεκτρόνια κυμαίνονται από αυτά χαμηλής ενέργειας που δεν απαιτούν μεγάλη ποσότητα ενέργειας για απελευθέρωση και σωματίδια υψηλής ενέργειας που παραμένουν κοντά και σφιχτά στον πυρήνα. Όταν τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται λόγω των συγκρούσεων μεταξύ των ατόμων με το σωστό προσανατολισμό και την ενεργειακή στάθμη, αυτό είναι αυθόρμητη εκπομπή.
Όταν συμβαίνει αυθόρμητη εκπομπή, το φωτόνιο που εκπέμπεται από το άτομο έχει τυχαία φάση και κατεύθυνση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η Αρχή Αβεβαιότητας εμποδίζει τους επιστήμονες να γνωρίζουν τόσο τη θέση όσο και την ορμή ενός σωματιδίου με απόλυτη ακρίβεια. Όσο περισσότερο γνωρίζετε τη θέση των σωματιδίων, τόσο λιγότερο γνωρίζετε για την ορμή τους και αντίστροφα.
Μπορείτε να υπολογίσετε την ενέργεια αυτών των εκπομπών χρησιμοποιώντας την εξίσωση Planck E = hν για μια ενέργεια μι σε joules, συχνότητα ν του ηλεκτρονίου στα s-1 και Plancks σταθερή h = 6.63 × 10-34 Μ2 kg / s. Η ενέργεια που έχει ένα φωτόνιο όταν εκπέμπεται από ένα άτομο μπορεί επίσης να υπολογιστεί ως μια αλλαγή στην ενέργεια. Για να βρείτε τη σχετική συχνότητα με αυτήν την αλλαγή στην ενέργεια, υπολογίστε ν χρησιμοποιώντας τις ενεργειακές τιμές αυτής της εκπομπής.
Κατηγοριοποίηση τύπων λέιζερ
Λαμβάνοντας υπόψη το ευρύ φάσμα χρήσεων για λέιζερ, τα λέιζερ μπορούν να ταξινομηθούν με βάση το σκοπό, τον τύπο του φωτός ή ακόμα και τα υλικά των ίδιων των λέιζερ. Έρχονται με έναν τρόπο να κατηγοριοποιήσουν τους πρέπει να λογοδοτούν για όλες αυτές τις διαστάσεις των λέιζερ. Ένας τρόπος ομαδοποίησης τους είναι το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούν.
Το μήκος κύματος μιας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας λέιζερ καθορίζει τη συχνότητα και τη δύναμη της ενέργειας που χρησιμοποιούν. Ένα μεγαλύτερο μήκος κύματος συσχετίζεται με μικρότερη ποσότητα ενέργειας και μικρότερη συχνότητα. Αντίθετα, μεγαλύτερη συχνότητα μιας δέσμης φωτός σημαίνει ότι έχει περισσότερη ενέργεια.
Μπορείτε επίσης να ομαδοποιήσετε τα λέιζερ από τη φύση του υλικού λέιζερ. Τα λέιζερ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν μια στερεή μήτρα ατόμων όπως το νεοδύμιο που χρησιμοποιείται στο κρυσταλλικό άργιλο αλουμίνιο γρανάτη που φιλοξενεί τα ιόντα νεοδυμίου για αυτούς τους τύπους λέιζερ. Τα λέιζερ αερίου χρησιμοποιούν ένα μείγμα αερίων σε ένα σωληνάριο όπως το ήλιο και το νέον που δημιουργούν ένα κόκκινο χρώμα. Τα λέιζερ βαφής δημιουργούνται με οργανικά υλικά βαφής σε υγρά διαλύματα ή εναιωρήματα
Τα λέιζερ βαφής χρησιμοποιούν ένα μέσο λέιζερ το οποίο είναι συνήθως μια σύνθετη οργανική χρωστική σε υγρό διάλυμα ή εναιώρημα. Τα λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιούν δύο στρώματα υλικών ημιαγωγών που μπορούν να ενσωματωθούν σε μεγαλύτερες συστοιχίες. Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που παράγουν ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας τη δύναμη μεταξύ εκείνης ενός μονωτήρα και ενός αγωγού που χρησιμοποιούν μικρές ποσότητες ακαθαρσιών ή εισάγονται χημικά λόγω εισαγόμενων χημικών ουσιών ή μεταβολών της θερμοκρασίας.
Συστατικά των λέιζερ
Για όλες τις διαφορετικές χρήσεις τους, όλα τα λέιζερ χρησιμοποιούν αυτά τα δύο συστατικά μιας πηγής φωτός με τη μορφή στερεού, υγρού ή αερίου που εκπέμπει ηλεκτρόνια και κάτι που υποκινεί αυτή την πηγή. Αυτό μπορεί να είναι ένα άλλο λέιζερ ή η αυθόρμητη εκπομπή του ίδιου του υλικού λέιζερ.
Ορισμένα λέιζερ χρησιμοποιούν συστήματα άντλησης, μέθοδοι αύξησης της ενέργειας των σωματιδίων στο μέσο λέιζερ που τους αφήνουν να φτάσουν στις διεγερμένες καταστάσεις τους για να κάνουν αναστροφή του πληθυσμού. Μια λάμπα φλόγας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οπτική άντληση που μεταφέρει ενέργεια στο υλικό λέιζερ. Στις περιπτώσεις όπου η ενέργεια των υλικών λέιζερ στηρίζεται σε συγκρούσεις των ατόμων μέσα στο υλικό, το σύστημα αναφέρεται ως άντληση σύγκρουσης.
Τα εξαρτήματα μιας ακτίνας λέιζερ διαφέρουν επίσης από το πόσο χρόνο χρειάζονται για την παροχή ενέργειας. Τα συνεχή κύματα λέιζερ χρησιμοποιούν σταθερή μέση ισχύ δέσμης. Με συστήματα υψηλότερης ισχύος, μπορείτε γενικά να προσαρμόσετε την ισχύ, αλλά με λέιζερ χαμηλότερης ισχύος, όπως τα λέιζερ ηλίου-νέον, η στάθμη ισχύος καθορίζεται με βάση την περιεκτικότητα του αερίου.
Χέλι-νέον λέιζερ
Το λέιζερ ηλίου-νέον ήταν το πρώτο σύστημα συνεχούς κύματος και είναι γνωστό ότι αποδίδει ένα κόκκινο φως. Ιστορικά, χρησιμοποίησαν σήματα ραδιοσυχνότητας για να διεγείρουν το υλικό τους, αλλά σήμερα χρησιμοποιούν μια μικρή απαγωγή συνεχούς ρεύματος μεταξύ ηλεκτροδίων στον σωλήνα του λέιζερ.
Όταν τα ηλεκτρόνια στο ήλιο είναι ενθουσιασμένα, αποδίδουν ενέργεια στα νεοειδή άτομα μέσω συγκρούσεων που δημιουργούν μια αναστροφή του πληθυσμού μεταξύ των ατόμων του νέοντος. Το λέιζερ ηλίου-νέον μπορεί επίσης να λειτουργεί με σταθερό τρόπο σε υψηλές συχνότητες. Χρησιμοποιείται για την ευθυγράμμιση των αγωγών, την τοπογραφία και τις ακτίνες Χ.
Argon, Krypton και Xenon Ion Lasers
Τρία ευγενή αέρια, το αργόν, το κρυπτόν και το ξένιο, έχουν δείξει χρήση σε εφαρμογές λέιζερ σε δεκάδες συχνότητες λέιζερ που καλύπτουν υπεριώδη ακτινοβολία σε υπερύθρες. Μπορείτε επίσης να αναμίξετε αυτά τα τρία αέρια μεταξύ τους για να παράγετε συγκεκριμένες συχνότητες και εκπομπές. Αυτά τα αέρια στις ιονικές τους μορφές αφήνουν τα ηλεκτρόνια τους να διεγείρονται συγκλονίζοντας το ένα το άλλο μέχρι να επιτύχουν την αντιστροφή του πληθυσμού.
Πολλά σχέδια αυτών των λέιζερ θα σας επιτρέψουν να επιλέξετε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος για να εκπέμψει η κοιλότητα για να επιτύχετε τις επιθυμητές συχνότητες. Η χειραγωγή του ζεύγους καθρεφτών μέσα στην κοιλότητα μπορεί επίσης να σας αφήσει να απομονώσετε μοναδικές συχνότητες φωτός. Τα τρία αέρια, το αργόν, το κρύπτον και το ξένιο, σας επιτρέπουν να επιλέξετε από πολλούς συνδυασμούς φωτεινών συχνοτήτων.
Αυτά τα λέιζερ παράγουν αποτελέσματα που είναι πολύ σταθερά και δεν παράγουν πολύ θερμότητα. Αυτά τα λέιζερ δείχνουν τις ίδιες χημικές και φυσικές αρχές που χρησιμοποιούνται στους φάρους καθώς και λαμπρές, ηλεκτρικές λάμπες όπως τα στροβοσκόπια.
Λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα
Τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι τα πιο αποδοτικά και αποτελεσματικά από λέιζερ συνεχούς κύματος. Λειτουργούν με ηλεκτρικό ρεύμα σε σωλήνα πλάσματος που έχει αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων διεγείρουν αυτά τα μόρια αερίου που στη συνέχεια εκπέμπουν ενέργεια. Μπορείτε επίσης να προσθέσετε άζωτο, ήλιο, ξένον, διοξείδιο του άνθρακα και νερό για να παράγετε διαφορετικές συχνότητες λέιζερ.
Όταν εξετάζετε τους τύπους λέιζερ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικά ares, μπορείτε να προσδιορίσετε ποιες μπορούν να δημιουργήσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας επειδή έχουν ένα υψηλό ποσοστό απόδοσης έτσι ώστε να χρησιμοποιούν ένα σημαντικό ποσοστό της ενέργειας που τους δίνεται χωρίς να αφήνουν πολύ πηγαίνετε στο απόβλητο. Ενώ τα λέιζερ ηλίου-νέον έχουν ποσοστό απόδοσης μικρότερο από 0,1%, ο ρυθμός για τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι περίπου 30%, 300 φορές μεγαλύτερος από εκείνον των λέιζερ ηλίου-νέον. Παρά ταύτα, τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα χρειάζονται ειδική επικάλυψη, σε αντίθεση με τα λέιζερ ηλίου-νέον, για να απεικονίσουν ή να μεταδώσουν τις κατάλληλες συχνότητες.
Excimer Lasers
Τα λέιζερ Excimer χρησιμοποιούν υπεριώδες (UV) φως το οποίο, όταν πρωτοανακαλύφθηκε το 1975, προσπάθησε να δημιουργήσει μια εστιασμένη ακτίνα λέιζερ για ακρίβεια στην μικροχειρουργική και στη βιομηχανική μικρολιθογραφία. Το όνομά τους προέρχεται από τον όρο "διεγερμένο διμερές", όπου ένα διμερές είναι προϊόν συνδυασμών αερίων που είναι ηλεκτρικά διεγερμένοι με διαμόρφωση ενεργειακού επιπέδου που δημιουργεί συγκεκριμένες συχνότητες φωτός στην περιοχή UV του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούν αντιδραστικά αέρια όπως το χλώριο και το φθόριο παράλληλα με τις ποσότητες ευγενών αερίων αργού, κρυπτόν και ξένου. Οι γιατροί και οι ερευνητές εξακολουθούν να διερευνούν τις χρήσεις τους σε χειρουργικές εφαρμογές δεδομένου του πόσο ισχυρό και αποτελεσματικό μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές λέιζερ χειρουργείου. Τα λέιζερ excimer δεν παράγουν θερμότητα στον κερατοειδή, αλλά η ενέργεια τους μπορεί να σπάσει τους ενδομοριακούς δεσμούς στον ιστό του κερατοειδούς σε μια διαδικασία που ονομάζεται "φωτοευαίσθητη αποσύνθεση" χωρίς να προκαλεί περιττή βλάβη στο μάτι.