Een laserstraal maken

Inhoud

• Laserdefinitie
• Hoe laserstralen worden gemaakt
• Populatie-inversie
• Laserprincipe
• Categorieën lasers categoriseren
• Componenten van lasers
• Helium-neon laser
• Argon, Krypton en Xenon-ionenlasers
• Kooldioxide Lasers
• Excimer Lasers

Door gebruik te maken van de kracht van het licht door middel van lasers, kunt u lasers voor verschillende doeleinden gebruiken en ze beter begrijpen door de onderliggende fysica en chemie te bestuderen die hen laat werken.

Over het algemeen wordt een laser geproduceerd door een lasermateriaal, of het nu vast, vloeibaar of gas is, dat straling in de vorm van licht afgeeft. Als acroniem voor "lichtversterking door gestimuleerde straling", laat de methode van gestimuleerde emissies zien hoe lasers verschillen van andere bronnen van elektromagnetische straling. Als je weet hoe deze lichtfrequenties tevoorschijn komen, kun je hun potentieel benutten voor verschillende toepassingen.

Laserdefinitie

Lasers kunnen worden gedefinieerd als een apparaat dat elektronen activeert om elektromagnetische straling uit te zenden. Deze laserdefinitie betekent dat straling op het elektromagnetische spectrum elke vorm kan aannemen, van radiogolven tot gammastralen.

Over het algemeen reist het licht van lasers over een smal pad, maar lasers met een breed scala aan uitgezonden golven zijn ook mogelijk. Door deze noties van lasers kun je ze zien als golven, net als oceaangolven aan de kust.

Wetenschappers hebben lasers beschreven in termen van hun coherentie, een functie die beschrijft of het faseverschil tussen twee signalen gelijk is en dat ze dezelfde frequentie en golfvorm hebben. Als u lasers voorstelt als golven met pieken, dalen en dalen, zou het faseverschil zijn hoeveel de ene golf niet helemaal synchroon loopt met de andere of hoe ver de twee golven niet overlappen.

De frequentie van licht is hoeveel golfpieken een bepaald punt in een seconde passeren, en de golflengte is de gehele lengte van een enkele golf van dal tot dal of van piek tot piek.

Fotonen, individuele kwantumdeeltjes energie, vormen de elektromagnetische straling van een laser. Deze gekwantiseerde pakketten betekenen dat het licht van een laser altijd de energie heeft als een veelvoud van de energie van een enkel foton en dat het in deze kwantum "pakketten" komt. Dit is wat elektromagnetische golven deeltjesachtig maakt.

Hoe laserstralen worden gemaakt

Veel soorten apparaten zenden lasers uit, zoals optische holten. Dit zijn kamers die het licht reflecteren van een materiaal dat elektromagnetische straling naar zichzelf uitzendt. Ze zijn over het algemeen gemaakt van twee spiegels, één aan elk uiteinde van het materiaal zodat, wanneer ze licht reflecteren, de lichtstralen sterker worden. Deze versterkte signalen komen door een transparante lens aan het einde van de laserholte.

Wanneer in aanwezigheid van een energiebron, zoals een externe batterij die stroom levert, zendt het materiaal dat elektromagnetische straling uitzendt het licht van de laser uit in verschillende energietoestanden. Deze energieniveaus, of kwantumniveaus, zijn afhankelijk van het bronmateriaal zelf. Hogere energietoestanden van elektronen in het materiaal zijn waarschijnlijk onstabiel, of in geëxciteerde toestanden, en de laser zal deze door zijn licht uitzenden.

In tegenstelling tot andere lichten, zoals het licht van een zaklamp, geven lasers licht af in periodieke stappen met zichzelf. Dat betekent dat de top en trog van elke golf van een laser in lijn liggen met die van de golven die voor en na komen, waardoor hun licht coherent wordt.

Lasers zijn zo ontworpen dat ze licht van specifieke frequenties van het elektromagnetische spectrum afgeven. In veel gevallen neemt dit licht de vorm aan van smalle, discrete stralen die de lasers op precieze frequenties uitzenden, maar sommige lasers geven wel brede, ononderbroken lichtstralen af.

Populatie-inversie

Een kenmerk van een laser die wordt aangedreven door een externe energiebron die kan optreden, is een populatie-inversie. Dit is een vorm van gestimuleerde emissie en het doet zich voor wanneer het aantal deeltjes in een geëxciteerde toestand groter is dan die in een lagere energietoestand.

Wanneer de laser populatie-inversie bereikt, zal de hoeveelheid van deze gestimuleerde emissie die licht kan veroorzaken groter zijn dan de hoeveelheid absorptie door de spiegels. Dit creëert een optische versterker en als u er een in een resonerende optische holte plaatst, hebt u een laseroscillator gecreëerd.

Laserprincipe

Deze methoden voor het opwekken en uitzenden van elektronen vormen de basis voor lasers die een energiebron zijn, een laserprincipe dat in veel toepassingen voorkomt. De gekwantiseerde niveaus die elektronen kunnen innemen, variëren van energiezuinige die niet veel energie nodig hebben om vrij te komen en deeltjes met hoge energie die dicht bij de kern blijven. Wanneer het elektron vrijkomt doordat de atomen in de juiste richting en het juiste energieniveau met elkaar botsen, is dit een spontane emissie.

Wanneer spontane emissie optreedt, heeft het door het atoom uitgezonden foton een willekeurige fase en richting. Dit komt omdat het Onzekerheidsprincipe voorkomt dat wetenschappers zowel de positie als het momentum van een deeltje met perfecte precisie kennen. Hoe meer je weet van een deeltjespositie, hoe minder je weet van zijn momentum en vice versa.

U kunt de energie van deze emissies berekenen met behulp van de Planck-vergelijking E = hν voor een energie E in joules, frequentie ν van het elektron in s^-1 en Plancks constant h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. De energie die een foton heeft wanneer het wordt uitgestoten door een atoom kan ook worden berekend als een verandering in energie. Bereken om de bijbehorende frequentie met deze verandering in energie te vinden ν gebruik van de energiewaarden van deze emissie.

Categorieën lasers categoriseren

Gezien het brede scala aan toepassingen voor lasers, kunnen lasers worden gecategoriseerd op basis van doel, type licht of zelfs de materialen van de lasers zelf. Bij het bedenken van een manier om ze te categoriseren, moet rekening worden gehouden met al deze dimensies van lasers. Een manier om ze te groeperen is door de golflengte van het licht dat ze gebruiken.

De golflengte van een elektromagnetische straling van een laser bepaalt de frequentie en sterkte van de energie die zij gebruiken. Een grotere golflengte correleert met een kleinere hoeveelheid energie en een kleinere frequentie. Een grotere frequentie van een lichtstraal betekent daarentegen dat deze meer energie heeft.

U kunt ook lasers groeperen op basis van de aard van het lasermateriaal. Vaste-toestandlasers gebruiken een vaste matrix van atomen zoals neodymium gebruikt in het kristal Yttrium aluminiumgranaat waarin de neodymium-ionen voor dit soort laser zijn ondergebracht. Gaslasers gebruiken een mengsel van gassen in een buis zoals helium en neon die een rode kleur creëren. Kleurstoflasers worden gemaakt door organische kleurstofmaterialen in vloeibare oplossingen of suspensies

Kleurstoflasers gebruiken een lasermedium dat meestal een complexe organische kleurstof in vloeibare oplossing of suspensie is. Halfgeleiderlasers gebruiken twee lagen halfgeleidermateriaal dat in grotere arrays kan worden ingebouwd. Halfgeleiders zijn materialen die elektriciteit geleiden met behulp van de sterkte tussen die van een isolator en een geleider die kleine hoeveelheden onzuiverheden of geïntroduceerde chemicaliën gebruiken vanwege geïntroduceerde chemicaliën of temperatuursveranderingen.

Componenten van lasers

Voor al hun verschillende toepassingen gebruiken alle lasers deze twee componenten van een lichtbron in de vorm van vaste stof, vloeistof of gas dat elektronen afgeeft en iets dat deze bron stimuleert. Dit kan een andere laser zijn of de spontane emissie van het lasermateriaal zelf.

Sommige lasers gebruiken pompsystemen, methoden voor het verhogen van de energie van deeltjes in het lasermedium waarmee ze hun opgewonden toestanden kunnen bereiken om populatie-inversie te maken. Een gasflitslamp kan worden gebruikt in optisch pompen dat energie naar het lasermateriaal voert. In gevallen waarin de energie van lasermaterialen afhankelijk is van botsingen van de atomen in het materiaal, wordt het systeem botsingspompen genoemd.

De componenten van een laserstraal variëren ook in hoe lang ze nodig hebben om energie te leveren. Continu golflasers gebruiken een stabiel gemiddeld bundelvermogen. Met systemen met een hoger vermogen kunt u over het algemeen het vermogen aanpassen, maar met gaslasers met een lager vermogen zoals de helium-neonlasers wordt het vermogensniveau vastgesteld op basis van de inhoud van het gas.

Helium-neon laser

De helium-neonlaser was het eerste continue golfsysteem en staat erom bekend een rood licht af te geven. Historisch gezien gebruikten ze radiofrequentiesignalen om hun materiaal te exciteren, maar tegenwoordig gebruiken ze een kleine gelijkstroomontlading tussen elektroden in de buis van de laser.

Wanneer de elektronen in helium worden opgewekt, geven ze energie af aan neonatomen door botsingen die een populatie-inversie tussen de neonatomen creëren. De helium-neonlaser kan ook bij hoge frequenties stabiel functioneren. Het wordt gebruikt bij het uitlijnen van pijpleidingen, landmeten en in röntgenfoto's.

Argon, Krypton en Xenon-ionenlasers

Drie nobele gassen, argon, krypton en xenon, hebben gebruik laten zien in lasertoepassingen over tientallen laserfrequenties die ultraviolet tot infrarood omvatten. Je kunt deze drie gassen ook met elkaar mengen om specifieke frequenties en emissies te produceren. Deze gassen in hun ionische vormen laten hun elektronen opwinden door tegen elkaar te botsen totdat ze populatie-inversie bereiken.

Veel ontwerpen van dit soort lasers laten je een bepaalde golflengte selecteren die de holte moet uitzenden om de gewenste frequenties te bereiken. Door het paar spiegels in de holte te manipuleren, kunt u ook afzonderlijke lichtfrequenties isoleren. Met de drie gassen, argon, krypton en xenon, kunt u kiezen uit vele combinaties van lichtfrequenties.

Deze lasers produceren output die zeer stabiel zijn en niet veel warmte genereren. Deze lasers vertonen dezelfde chemische en fysische principes die in vuurtorens worden gebruikt, evenals felle, elektrische lampen zoals stroboscopen.

Kooldioxide Lasers

Koolstofdioxide lasers zijn de meest efficiënte en effectieve van lasers met continue golven. Ze werken met behulp van een elektrische stroom in een plasmabuis met koolstofdioxidegas. De elektronenbotsingen wekken deze gasmoleculen op die vervolgens energie afgeven. U kunt ook stikstof, helium, xenon, koolstofdioxide en water toevoegen om verschillende laserfrequenties te produceren.

Als je kijkt naar de soorten laser die in verschillende gebieden kunnen worden gebruikt, kun je bepalen welke grote hoeveelheden stroom kunnen creëren, omdat ze een hoge efficiëntie hebben, zodat ze een aanzienlijk deel van de energie gebruiken die ze krijgen zonder veel te laten wordt verspild. Terwijl helium-neonlasers een efficiëntie van minder dan 0,1% hebben, is het percentage voor koolstofdioxide-lasers ongeveer 30 procent, 300 keer dat van helium-neonlasers. Desondanks hebben koolstofdioxide lasers een speciale coating nodig, in tegenstelling tot helium-neon lasers, om hun juiste frequenties te reflecteren of uit te zenden.

Excimer Lasers

Excimerlasers gebruiken ultraviolet (UV) licht dat, toen het voor het eerst werd uitgevonden in 1975, probeerde een gerichte laserstraal te creëren voor precisie in microchirurgie en industriële microlithografie. Hun naam komt van de term "geëxciteerde dimeer" waarin een dimeer het product is van gascombinaties die elektrisch worden geëxciteerd met een energieniveau-configuratie die specifieke lichtfrequenties creëert in het UV-bereik van het elektromagnetische spectrum.

Deze lasers gebruiken reactieve gassen zoals chloor en fluor naast hoeveelheden edelgassen argon, krypton en xenon. Artsen en onderzoekers onderzoeken nog steeds hun gebruik in chirurgische toepassingen, gezien hoe krachtig en effectief ze kunnen worden gebruikt voor lasertoepassingen voor oogchirurgie. Excimerlasers genereren geen warmte in het hoornvlies, maar hun energie kan intermoleculaire bindingen in hoornvliesweefsel breken in een proces dat "fotoablatieve ontleding" wordt genoemd zonder onnodige schade aan het oog te veroorzaken.