Lézernyaláb létrehozása

Tartalom

• Lézeres meghatározás
• Hogyan készülnek a lézersugarak?
• A népesség inverziója
• Lézer alapelv
• A lézertípusok kategorizálása
• A lézerek alkatrészei
• Hélium-neon lézer
• Argon, Krypton és Xenon ion lézerek
• Szén-dioxid-lézerek
• Excimer lézerek

A lézerrel történő fényerő kiaknázásával különféle célokra használhatja a lézereket, és jobban megértheti őket a mögöttes fizika és kémia tanulmányozásával, amely működésbe hozza őket.

Általában a lézert egy lézer anyag állítja elő, legyen az szilárd, folyékony vagy gáz, amely fény formájában sugárzást bocsát ki. A stimulált sugárzás által keltett fényerősítés rövidítéseként az stimulált sugárzás módszerével megmutatjuk, hogy a lézerek hogyan különböznek az elektromágneses sugárzás más forrásaitól. Annak ismerete, hogy ezek a fényfrekvenciák hogyan jelennek meg, megengedi, hogy kihasználja a potenciáljukat különféle felhasználásokhoz.

Lézeres meghatározás

A lézerek meghatározhatók olyan eszközként, amely aktiválja az elektronokat az elektromágneses sugárzás kibocsátására. Ez a lézerdefiníció azt jelenti, hogy a sugárzás bármilyen formában megjelenhet az elektromágneses spektrumon, a rádióhulláktól a gammasugarakig.

Általában a lézerek fénye szűk útvonalon halad, de lehetséges a széles sugárzású hullámok lézere is. A lézerek ezen elképzelésein keresztül hullámokra gondolhat, akárcsak az óceán hullámai a tengerparton.

A tudósok a lézereket koherenciájuk alapján írták le. Ez egy olyan tulajdonság, amely leírja, hogy a két jel közötti fáziskülönbség lépésben van-e, és ugyanazon frekvencia és hullámforma van-e. Ha azt képzeljük, hogy a lézerek hullámokká válnak csúcsokkal, völgyekkel és mélyedésekkel, akkor a fáziskülönbség az lenne, hogy egy hullám mennyiben van szinkronban a másikkal, vagy milyen távolságra vannak a két hullám az átfedéstől.

A fény frekvenciája az, hogy hány hullámcsúcs halad át egy adott ponton egy másodpercen belül, és a hullámhossz az egyetlen hullám teljes hossza az érvtől a mélységig vagy a csúcstól a csúcsig.

A fotonok, az egyének energia kvantum részecskéi, alkotják a lézer elektromágneses sugárzását. Ezek a kvantált csomagok azt jelentik, hogy a lézer fényének energiája mindig egy foton energiájának többszöröse, és ezekbe a kvantum "csomagokba" kerül. Ez teszi az elektromágneses hullámokat részecskékké.

Hogyan készülnek a lézersugarak?

Sokféle készülék lézert bocsát ki, például optikai üregek. Ezek olyan kamrák, amelyek visszaverik egy olyan anyagból származó fényt, amely elektromágneses sugárzást bocsát ki magához. Általában két tükrből készülnek, amelyek az anyag mindkét végén egyek, így amikor fényvisszaverődik, a fénynyalábok erősebbé válnak. Ezek az erősített jelek a lézerüreg végén lévő átlátszó lencsén keresztül távoznak.

Energiaforrás, például külső akkumulátor jelenlétében, amely áramot szolgáltat, az elektromágneses sugárzást bocsátó anyag különböző energiaállapotokban bocsátja ki a lézer fényét. Ezek az energiaszintek, vagy kvantumszintek maga a forrásanyagtól függenek. Az anyagban az elektronok magasabb energiaállapota valószínűleg instabil vagy gerjesztett állapotban van, és a lézer ezeket a fényen keresztül bocsátja ki.

Más lámpáktól, például a zseblámpától eltérően, a lézerek periodikus lépésekben bocsátanak ki fényt. Ez azt jelenti, hogy a lézer minden egyes hullámának csúcsa és alsó része megegyezik az előző és utáni hullámok hullámaival és hullámaival, így koherensvé teszi a fényt.

A lézereket úgy tervezték, hogy az elektromágneses spektrum specifikus frekvenciáira világítsanak. Sok esetben ez a fény keskeny, diszkrét sugarak formájában fordul elő, amelyeket a lézerek pontos frekvencián bocsátanak ki, ám egyes lézerek széles, folyamatos fénytartományt bocsátanak ki.

A népesség inverziója

A külső energiaforrás által működtetett lézer egyik jellemzője, hogy előfordulhat, a populáció inverziója. Ez egy stimulált kibocsátás egy formája, és akkor fordul elő, amikor egy gerjesztett állapotban a részecskék száma meghaladja az alacsonyabb szintű energiaállapotban levő részecskék számát.

Amikor a lézer eléri a populáció inverziót, a stimulált sugárzás mennyisége, amelyet a fény képes létrehozni, nagyobb lesz, mint a tükrök abszorpciója. Ez létrehoz egy optikai erősítőt, és ha egy rezonáns optikai üregbe helyezi, akkor lézer oszcillátort hozott létre.

Lézer alapelv

Ezek az izgalmas és emittáló elektronok módszerét képezik az alapja annak, hogy a lézerek energiaforrásként működjenek; ez a lézer alapelv számos alkalmazásban megtalálható. Az kvantált szintek, melyeket az elektronok elfoglalhatnak, az alacsony energiájúakig terjednek, amelyeknek nem kell sok energiát szabadítaniuk, és a nagy energiájú részecskéknek, amelyek közel és szorosan maradnak a maghoz. Amikor az elektron felszabadul az atomok ütközésének következtében a helyes tájolással és energiaszinten, ez spontán emisszió.

Spontán emisszió esetén az atom által kibocsátott fotonnak véletlenszerű fázisa és iránya van. Ennek oka az, hogy a bizonytalanság elve megakadályozza, hogy a tudósok tökéletes pontossággal megismerjék egy részecske helyzetét és lendületét. Minél többet tudsz a részecskék helyzetéről, annál kevesebbet tudsz annak lendületéről, és fordítva.

A Planck egyenlettel kiszámíthatja ezen kibocsátások energiáját E = hν egy energiaért E džaulokban, frekvencia ν az elektron értéke s-ben^-1 és Plancks állandó h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Az az energia, amely a fotonnak akkor származik, amikor egy atomból kibocsátódik, az energiaváltozásként is kiszámítható. Számítsa ki az energiaváltozással kapcsolatos frekvencia megtalálásához ν ennek a kibocsátásnak az energiaértékeit felhasználva.

A lézertípusok kategorizálása

Tekintettel a lézerek széles körű felhasználására, a lézereket célzás, fénytípus vagy akár maguk a lézerek anyagai alapján lehet kategorizálni. A kategorizálás módjának kidolgozásánál figyelembe kell venni a lézerek mindegyik dimenzióját. A csoportosítás egyik módja az általuk használt fény hullámhossza.

A lézerek elektromágneses sugárzásának hullámhossza meghatározza az általuk használt energia frekvenciáját és erősségét. A nagyobb hullámhossz korrelál kisebb energiamennyiséggel és kisebb frekvenciával. Ezzel szemben a nagyobb fénysugár nagyobb energiát jelent.

A lézereket a lézeres anyag jellege szerint is csoportosíthatja. A szilárdtest lézerek az atomok szilárd mátrixát, például a neodímet használják az ittrium-alumínium gránát kristályban, amely az ilyen típusú lézer neodímium-ionjait tartalmazza. A gázlézerek gázok keverékét használják egy csőben, például hélium és neon, amelyek vörös színűek. A festéklézereket folyékony oldatokban vagy szuszpenziókban előállított szerves festékanyagok hozzák létre

A festék lézerek lézeres közeget használnak, amely rendszerint egy komplex szerves festék folyékony oldatban vagy szuszpenzióban. A félvezető lézerek két rétegű félvezető anyagot használnak, amelyeket nagyobb tömbökbe lehet beépíteni. A félvezetők olyan anyagok, amelyek villamos energiát vezetnek a szigetelő és az olyan vezető közötti erősség alapján, amely kis mennyiségű szennyeződést vagy bevezetett vegyi anyagot vezet be a bevezetett vegyi anyagok vagy a hőmérséklet változása miatt.

A lézerek alkatrészei

Valamennyi lézeres felhasználásukhoz a fényforrás e két alkotóelemét szilárd, folyékony vagy gáz formájában használják, amely elektronokat bocsát ki, és stimulálják ezt a forrást. Ez lehet egy másik lézer vagy maga a lézer anyag spontán sugárzása.

Egyes lézerek pumpáló rendszereket használnak, a lézer közegben lévő részecskék energiájának növelésére szolgáló módszereket, amelyek lehetővé teszik, hogy elérjék gerjesztett állapotukat, hogy a populáció inverziót hozzon. Az optikai szivattyúzáshoz gázvaku lámpa használható, amely energiát szállít a lézer anyagához. Azokban az esetekben, amikor a lézeranyagok energiája az anyagon belüli atomok ütközésén múlik, a rendszert ütközés-szivattyúzásnak nevezik.

A lézersugár alkotóelemei abban is eltérőek lehetnek, hogy mennyi időt vesznek igénybe az energiaszállításhoz. A folyamatos hullámú lézerek stabil átlagos sugárteljesítményt használnak. Nagyobb teljesítményű rendszereknél általában beállíthatja az energiát, de alacsonyabb teljesítményű gáz lézereknél, például a hélium-neon lézereknél az erősségi szintet a gáz tartalma alapján rögzítik.

Hélium-neon lézer

A hélium-neon lézer volt az első folyamatos hullámrendszer, és ismert, hogy vörös fényt bocsát ki. A történelem során rádiófrekvenciás jeleket használtak anyagának gerjesztésére, de manapság kismértékű egyenáram-kisülést alkalmaznak a lézercsőben lévő elektródák között.

Amikor a héliumban lévő elektronok gerjesztésre kerülnek, energiát bocsátanak ki a neon atomoknak olyan ütközésekkel, amelyek a populáció inverziót idéznek elő a neon atomok között. A hélium-neon lézer stabil módon, nagy frekvenciákon is működhet. Csövek összehangolására, felmérésre és röntgenfelvételre használják.

Argon, Krypton és Xenon ion lézerek

Három nemesgáz, az argon, a kripton és a xenon, lézer alkalmazásokban használtak tucatnyi lézerfrekvencián, amelyek ultraibolya és infravörös tartományba esnek. Ezeket a három gázt összekeverheti egymással is, hogy meghatározott frekvenciákat és kibocsátásokat hozzon létre. Ezeknek a gázoknak az ionos formájukban elektronjai gerjesztik egymást ütközve, amíg el nem fordulnak a populáció inverziója.

Az ilyen típusú lézerek sokféle kivitele lehetővé teszi egy adott hullámhossz kiválasztását az üreg számára, amelyet kibocsátani kell, hogy elérje a kívánt frekvenciákat. A tükrök párjának az üregben történő manipulálása lehetővé teszi a különálló fényfrekvenciák elkülönítését. A három gáz, az argon, a kripton és a xenon lehetővé teszi a fényfrekvenciák sokféle kombinációja közötti választást.

Ezek a lézerek nagyon stabil kimeneteket eredményeznek, és nem termelnek sok hőt. Ezek a lézerek ugyanazokat a kémiai és fizikai elveket mutatják, mint a világítótornyokban, valamint a fényes, elektromos lámpákat, mint például a stroboszkópokat.

Szén-dioxid-lézerek

A szén-dioxid lézerek a leghatékonyabbak és folyamatos hullámú lézerek. Szén-dioxid-gázzal rendelkező plazmacsőben lévő elektromos áram felhasználásával működnek. Az elektronok ütközése gerjeszti ezeket a gázmolekulákat, amelyek energiát bocsátanak ki. Hozzáadhat nitrogént, héliumot, xenont, szén-dioxidot és vizet is különböző lézerfrekvenciák előállításához.

Ha megvizsgáljuk a lézertípusokat, amelyeket különféle területeken lehet használni, akkor meghatározhatjuk, hogy melyik képes nagy mennyiségű energiát előállítani, mert nagy hatékonyságú, tehát jelentős energiát használnak fel nekik adott energia nélkül. menj pazarolni. Míg a hélium-neon lézerek hatékonysága kevesebb, mint 1,1%, a szén-dioxid lézerek aránya körülbelül 30%, 300-szorosa a hélium-neon lézerek hatékonyságának. Ennek ellenére a szén-dioxid-lézereknek speciális bevonattal kell rendelkezniük, ellentétben a hélium-neon lézerekkel, hogy tükrözzék vagy továbbítsák a megfelelő frekvenciáikat.

Excimer lézerek

Az excimer lézerek ultraibolya (UV) fényt használnak, amelyek 1975-ben az első feltaláláskor megkíséreltek fókuszált lézersugarat létrehozni a mikrosebészet és az ipari mikrolitográfia pontossága érdekében. Nevük a "gerjesztett dimer" kifejezésből származik, amelyben a dimer gázkombinációk terméke, amelyek elektromosan gerjesztve vannak olyan energiaszintű konfigurációval, amely meghatározott fényfrekvenciákat hoz létre az elektromágneses spektrum UV tartományában.

Ezek a lézerek reaktív gázokat, például klórt és fluort használnak, nemesgázok, argon, kripton és xenon mellett. Az orvosok és a kutatók még mindig feltárják a műtéti alkalmazásokat, figyelembe véve, hogy mennyire hatékonyak és hatásosak a szemműtétek lézeres alkalmazásaiban. Az excimer lézerek nem termelnek hőt a szaruhártyában, de energiájuk képes megbontani a szaruhártya szöveteiben az intermolekuláris kötelékeket egy úgynevezett "fotoablatív bomlás" folyamatban, a szem szükségtelen károsodása nélkül.