So erstellen Sie einen Laserstrahl

Inhalt

• Laserdefinition
• Wie Laserstrahlen entstehen
• Bevölkerungsumkehr
• Laser Prinzip
• Kategorisieren von Lasertypen
• Komponenten von Lasern
• Helium-Neon-Laser
• Argon-, Krypton- und Xenon-Ionenlaser
• Kohlendioxidlaser
• Excimer-Laser

Indem Sie die Kraft des Lichts durch Laser nutzen, können Sie Laser für eine Vielzahl von Zwecken einsetzen und besser verstehen, indem Sie die zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften untersuchen, die sie zum Funktionieren bringen.

Im Allgemeinen wird ein Laser durch ein Lasermaterial erzeugt, sei es fest, flüssig oder gasförmig, das Strahlung in Form von Licht abgibt. Als Akronym für "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung" zeigt die Methode der stimulierten Emission, wie sich Laser von anderen Quellen elektromagnetischer Strahlung unterscheiden. Wenn Sie wissen, wie diese Lichtfrequenzen entstehen, können Sie ihr Potenzial für verschiedene Zwecke nutzen.

Laserdefinition

Laser können als ein Gerät definiert werden, das Elektronen aktiviert, um elektromagnetische Strahlung auszusenden. Diese Laserdefinition bedeutet, dass Strahlung im elektromagnetischen Spektrum jede Form annehmen kann, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen.

Im Allgemeinen bewegt sich das Licht von Lasern auf einem schmalen Pfad, es sind jedoch auch Laser mit einem breiten Spektrum von emittierten Wellen möglich. Durch diese Vorstellung von Lasern können Sie sich Wellen wie Meereswellen an der Küste vorstellen.

Wissenschaftler haben Laser in Bezug auf ihre Kohärenz beschrieben, ein Merkmal, das beschreibt, ob die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen gleich ist und sie die gleiche Frequenz und Wellenform haben. Wenn Sie sich Laser als Wellen mit Spitzen, Tälern und Tälern vorstellen, ist die Phasendifferenz, um wie viel eine Welle nicht vollständig mit einer anderen synchronisiert ist oder wie weit die beiden Wellen von einer Überlappung entfernt sind.

Die Frequenz des Lichts gibt an, wie viele Wellenspitzen einen bestimmten Punkt in einer Sekunde durchlaufen, und die Wellenlänge ist die gesamte Länge einer einzelnen Welle von Talsohle zu Talsohle oder von Spitze zu Spitze.

Photonen, einzelne Quantenteilchen der Energie, bilden die elektromagnetische Strahlung eines Lasers. Diese quantisierten Pakete bedeuten, dass das Licht eines Lasers immer die Energie eines Vielfachen der Energie eines einzelnen Photons hat und dass es in diesen Quanten- "Paketen" vorliegt. Dies macht elektromagnetische Wellen partikelartig.

Wie Laserstrahlen entstehen

Viele Arten von Geräten senden Laser aus, beispielsweise optische Hohlräume. Dies sind Kammern, die das Licht eines Materials reflektieren, das elektromagnetische Strahlung an sich selbst abgibt. Sie bestehen im Allgemeinen aus zwei Spiegeln, einem an jedem Ende des Materials, so dass die Lichtstrahlen stärker werden, wenn sie Licht reflektieren. Diese verstärkten Signale treten durch eine transparente Linse am Ende des Laserresonators aus.

Bei Vorhandensein einer Energiequelle, beispielsweise einer externen Batterie, die Strom liefert, sendet das Material, das elektromagnetische Strahlung aussendet, das Licht des Lasers in verschiedenen Energiezuständen aus. Diese Energieniveaus oder Quantenniveaus hängen vom Ausgangsmaterial selbst ab. Höhere Energiezustände von Elektronen im Material sind eher instabil oder in angeregten Zuständen, und der Laser emittiert diese durch sein Licht.

Im Gegensatz zu anderen Lichtquellen, wie z. B. dem Licht einer Taschenlampe, strahlen Laser das Licht in regelmäßigen Schritten mit sich selbst ab. Das bedeutet, dass der Scheitelpunkt und der Tiefpunkt jeder Welle eines Lasers mit denen der Wellen, die davor und danach kommen, übereinstimmen und ihr Licht kohärent machen.

Laser sind so ausgelegt, dass sie Licht bestimmter Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums abgeben. In vielen Fällen hat dieses Licht die Form von schmalen, diskreten Strahlen, die die Laser mit präzisen Frequenzen aussenden, aber einige Laser geben breite, kontinuierliche Lichtbereiche ab.

Bevölkerungsumkehr

Ein Merkmal eines Lasers, der von einer externen Energiequelle angetrieben wird, das auftreten kann, ist eine Populationsinversion. Dies ist eine Form der stimulierten Emission, und sie tritt auf, wenn die Anzahl der Teilchen in einem angeregten Zustand die Anzahl der Teilchen in einem Energiezustand mit niedrigerem Niveau übersteigt.

Wenn der Laser eine Populationsinversion erreicht, ist die Menge dieser stimulierten Emission, die Licht erzeugen kann, größer als die Menge der Absorption von den Spiegeln. Auf diese Weise wird ein optischer Verstärker erstellt. Wenn Sie einen optischen Verstärker in einem resonanten Hohlraum platzieren, haben Sie einen Laseroszillator erstellt.

Laser Prinzip

Diese Methoden zum Anregen und Emittieren von Elektronen bilden die Grundlage dafür, dass Laser eine Energiequelle sind, ein Laserprinzip, das in vielen Anwendungen zu finden ist. Die quantisierten Niveaus, die Elektronen einnehmen können, reichen von energiearmen Niveaus, bei denen nicht viel Energie freigesetzt werden muss, bis hin zu energiereichen Partikeln, die nah und dicht am Kern bleiben. Wenn das Elektron aufgrund der Kollision der Atome in der richtigen Orientierung und auf dem richtigen Energieniveau freigesetzt wird, ist dies eine spontane Emission.

Wenn eine spontane Emission auftritt, hat das vom Atom emittierte Photon eine zufällige Phase und Richtung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Unsicherheitsprinzip Wissenschaftler daran hindert, die Position und den Impuls eines Partikels mit höchster Präzision zu kennen. Je mehr Sie über die Position eines Teilchens wissen, desto weniger wissen Sie über dessen Impuls und umgekehrt.

Die Energie dieser Emissionen können Sie mit der Planck-Gleichung berechnen E = hν für eine Energie E in Joule, Frequenz ν des Elektrons in s^-1 und Plancks konstant h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Die Energie, die ein Photon hat, wenn es von einem Atom emittiert wird, kann auch als Energieänderung berechnet werden. Berechnen Sie, um die mit dieser Energieänderung verbundene Frequenz zu ermitteln ν unter Verwendung der Energiewerte dieser Emission.

Kategorisieren von Lasertypen

Aufgrund des breiten Einsatzbereichs von Lasern können Laser nach Zweck, Lichtart oder sogar nach den Materialien der Laser selbst kategorisiert werden. Um sie zu kategorisieren, müssen alle diese Laserdimensionen berücksichtigt werden. Eine Möglichkeit, sie zu gruppieren, ist die Wellenlänge des von ihnen verwendeten Lichts.

Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung eines Lasers bestimmt die Frequenz und Stärke der verwendeten Energie. Eine größere Wellenlänge korreliert mit einer geringeren Energiemenge und einer geringeren Frequenz. Im Gegensatz dazu bedeutet eine größere Frequenz eines Lichtstrahls, dass er mehr Energie hat.

Sie können Laser auch nach der Art des Lasermaterials gruppieren. Festkörperlaser verwenden eine feste Matrix aus Atomen wie Neodym, das in dem kristallinen Yttrium-Aluminium-Granat verwendet wird, in dem die Neodymionen für diese Lasertypen untergebracht sind. Gaslaser verwenden eine Mischung von Gasen in einer Röhre wie Helium und Neon, die eine rote Farbe erzeugen. Farbstofflaser entstehen durch organische Farbstoffe in flüssigen Lösungen oder Suspensionen

Farbstofflaser verwenden ein Lasermedium, das normalerweise ein komplexer organischer Farbstoff in flüssiger Lösung oder Suspension ist. Halbleiterlaser verwenden zwei Schichten aus Halbleitermaterial, die in größere Arrays eingebaut werden können. Halbleiter sind Materialien, die Elektrizität unter Verwendung der Stärke eines Isolators und eines Leiters leiten, der geringe Mengen an Verunreinigungen oder eingebrachten Chemikalien aufgrund eingebrachter Chemikalien oder Temperaturänderungen verwendet.

Komponenten von Lasern

Für all ihre unterschiedlichen Anwendungen verwenden alle Laser diese beiden Komponenten einer Lichtquelle in Form von Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, die Elektronen abgeben und etwas, um diese Quelle zu stimulieren. Dies kann ein anderer Laser oder die spontane Emission des Lasermaterials selbst sein.

Einige Laser verwenden Pumpsysteme, Verfahren zum Erhöhen der Energie von Partikeln im Lasermedium, die es ihnen ermöglichen, ihre angeregten Zustände zu erreichen, um eine Populationsinversion durchzuführen. Beim optischen Pumpen kann eine Gasblitzlampe verwendet werden, die Energie an das Lasermaterial überträgt. In Fällen, in denen die Energie des Lasermaterials auf Kollisionen der Atome innerhalb des Materials beruht, wird das System als Kollisionspumpen bezeichnet.

Die Komponenten eines Laserstrahls unterscheiden sich auch darin, wie lange sie für die Lieferung von Energie benötigen. Dauerstrichlaser verwenden eine stabile durchschnittliche Strahlleistung. Bei Systemen mit höherer Leistung kann die Leistung im Allgemeinen angepasst werden. Bei Gaslasern mit niedrigerer Leistung wie Helium-Neon-Lasern wird die Leistungsstufe jedoch auf der Grundlage des Gasgehalts festgelegt.

Helium-Neon-Laser

Der Helium-Neon-Laser war das erste kontinuierliche Wellensystem und gibt bekanntermaßen rotes Licht ab. Früher verwendeten sie Radiofrequenzsignale, um ihr Material anzuregen, aber heute verwenden sie eine kleine Gleichstromentladung zwischen Elektroden in der Röhre des Lasers.

Wenn die Elektronen in Helium angeregt werden, geben sie Energie an Neonatome durch Kollisionen ab, die eine Populationsinversion unter den Neonatomen erzeugen. Der Helium-Neon-Laser kann auch bei hohen Frequenzen stabil arbeiten. Es wird zum Ausrichten von Pipelines, zur Vermessung und für Röntgenaufnahmen verwendet.

Argon-, Krypton- und Xenon-Ionenlaser

Drei Edelgase, Argon, Krypton und Xenon, wurden in Laseranwendungen für Dutzende von Laserfrequenzen im ultravioletten bis infraroten Bereich eingesetzt. Sie können diese drei Gase auch miteinander mischen, um bestimmte Frequenzen und Emissionen zu erzeugen. Diese Gase in ihren ionischen Formen lassen ihre Elektronen angeregt werden, indem sie gegeneinander kollidieren, bis sie eine Populationsinversion erreichen.

Bei vielen Konstruktionen dieser Lasertypen können Sie eine bestimmte Wellenlänge für den zu emittierenden Hohlraum auswählen, um die gewünschten Frequenzen zu erzielen. Durch Manipulieren des Spiegelpaars in der Kavität können Sie auch einzelne Lichtfrequenzen isolieren. Mit den drei Gasen Argon, Krypton und Xenon können Sie aus vielen Kombinationen von Lichtfrequenzen auswählen.

Diese Laser erzeugen eine sehr stabile Leistung und erzeugen nicht viel Wärme. Diese Laser zeigen die gleichen chemischen und physikalischen Prinzipien wie Leuchttürme sowie helle, elektrische Lampen wie Stroboskope.

Kohlendioxidlaser

Kohlendioxidlaser sind die effizientesten und effektivsten Dauerstrichlaser. Sie funktionieren mit elektrischem Strom in einer Plasmaröhre, die Kohlendioxid enthält. Die Elektronenkollisionen regen diese Gasmoleküle an, die dann Energie abgeben. Sie können auch Stickstoff, Helium, Xenon, Kohlendioxid und Wasser hinzufügen, um verschiedene Laserfrequenzen zu erzeugen.

Wenn Sie sich die Lasertypen ansehen, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden können, können Sie feststellen, welche große Energiemengen erzeugen können, da sie einen hohen Wirkungsgrad haben, sodass sie einen erheblichen Teil der ihnen zugeführten Energie verbrauchen, ohne viel zuzulassen verkommen. Während Helium-Neon-Laser einen Wirkungsgrad von weniger als 0,1% haben, liegt der Anteil von Kohlendioxid-Lasern bei etwa 30 Prozent, 300-mal so hoch wie der von Helium-Neon-Lasern. Trotzdem benötigen Kohlendioxidlaser im Gegensatz zu Helium-Neon-Lasern eine spezielle Beschichtung, um die entsprechenden Frequenzen zu reflektieren oder durchzulassen.

Excimer-Laser

Excimerlaser verwenden ultraviolettes (UV) Licht, das bei seiner Erfindung im Jahr 1975 versuchte, einen fokussierten Laserstrahl für die Präzision in der Mikrochirurgie und der industriellen Mikrolithographie zu erzeugen. Ihr Name leitet sich vom Begriff "angeregtes Dimer" ab, bei dem ein Dimer das Produkt von Gaskombinationen ist, die mit einer Energieniveaukonfiguration elektrisch angeregt werden, die bestimmte Lichtfrequenzen im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzeugt.

Diese Laser verwenden neben Edelgasen wie Argon, Krypton und Xenon auch reaktive Gase wie Chlor und Fluor. Ärzte und Forscher erforschen immer noch ihren Einsatz in chirurgischen Anwendungen, da sie für Laseranwendungen in der Augenchirurgie leistungsstark und effektiv sind. Excimerlaser erzeugen keine Wärme in der Hornhaut, aber ihre Energie kann in einem als "photoablative Zersetzung" bezeichneten Prozess intermolekulare Bindungen im Hornhautgewebe aufbrechen, ohne das Auge unnötig zu schädigen.