Lasery są używane w wielu różnych produktach i technologiach, a różnorodność jest niesamowita.Wygląda na to, że wszystko ma laser w swoim cieniu.Ale czym dokładnie jest laser? Jaka jest różnica między wiązką lasera a wiązką latarki?
Centrum Badawcze NASA Langley
Urządzenie do badania progu uszkodzeń optycznych posiada trzy lasery: wysokoenergetyczne pulsowane neodymowo-ytrowe aluminium
Lasery granatowe, titanowo-zafirowe i rezonansowe lasery He-ne.
Centrum Badawcze NASA Langley
Urządzenie do badania progu uszkodzeń optycznych posiada trzy lasery: wysokoenergetyczne pulsowane neodymowo-ytrowe aluminium
Lasery granatowe, titanowo-zafirowe i rezonansowe lasery He-ne.
W całym wszechświecie jest tylko około 100 różnych atomów. Wszystko, co widzimy, składa się z ponad 100 atomów połączonych w nieskończoną liczbę sposobów.Sposób, w jaki te atomy są między sobą ustawione, określa, czy powstały obiekt jest szklanką wody., kawałek metalu, albo pianka w butelce sody!
Atomy są w ciągłym ruchu. Ciągle wibrują, poruszają się i obracają, a nawet atomy, z których składają się nasze siedzenia, są w ciągłym ruchu.Atomy mają kilka różnych stanów pobudzeniaJeśli wystarczająca ilość energii zostanie przekazana atomowi, może on wzrosnąć z poziomu energii stanu podstawowego do poziomu energii stanu podnieconego.Poziom energii stanu podnieconego zależy od ilości energii przekazywanej atomowi w postaci ciepła, światła, energii elektrycznej itp.
Poniższy schemat dobrze ilustruje strukturę atomów:
Najprostszy model atomowy
Składa się z jądra atomowego i elektronów krążących wokół niego.
Składa się z jądra atomowego i elektronów krążących wokół niego.
Prosty atom składa się z jądra (zawierającego protony i neutrony) i chmury elektronów.Możemy myśleć o elektronach w chmurze elektronów jako podróżujących na różnych orbitach wokół jądra.
Nawet jeśli przyjrzymy się atomom za pomocą nowoczesnej technologii, nie możemy zobaczyć dyskretnych orbital elektronów, ale pomaga myśleć o tych orbitalach jako o różnych poziomach energii atomów.Jeśli podgrzemy atom, niektóre elektrony w niskoenergetycznych orbitałach mogą być podekscytowane, aby wskoczyć do orbit o wyższej energii dalej od jądra.
Wchłanianie energii:
Atomy mogą wchłaniać energię w postaci ciepła, światła, elektryczności itp. Elektron może wtedy przeskoczyć z orbitali o niskiej energii do orbitali o wysokiej energii.
Chociaż opis ten jest prosty, ujawnia podstawową zasadę, w jaki atomy tworzą lasery.
Po przejściu elektronu na orbitę o wyższej energii w końcu wróci do stanu podstawowego.Zobaczycie, że atomy nieustannie emitują energię w postaci fotonówPrzykładowo, element grzewczy w piecu staje się jaskrze czerwony, gdzie czerwony kolor jest czerwonym fotonem uwalnianym przez atomy podniecone ciepłem.Widzimy różne kolory światła emitowane przez atomy fosforu podniecone przez szybkie elektrony.Każdy przedmiot świetlny, w tym lampy fluorescencyjne, lampy gazowe i żarówki, emituje światło poprzez zmianę orbity elektronów i uwalnianie fotonów.
Laser to urządzenie kontrolujące uwalnianie fotonów z podnieconych atomów..Nazwa ta krótko opisuje, jak działa laser.
Chociaż istnieje wiele rodzajów laserów, wszystkie mają pewne podstawowe cechy.błysk lub rozładowanie o wysokiej intensywności może pompować medium, który z kolei wytwarza dużą liczbę atomów (atomów zawierających elektrony o wysokiej energii) w stanie podnieconym.musi mieć dużą liczbę atomów w stanie podnieconymOgólnie rzecz biorąc, atomy muszą być podekscytowane, aby wzrosnąć do dwóch lub trzech poziomów energii powyżej stanu podstawowego.Inwersja populacji jest stosunkiem liczbowym między atomami w stanie pobudzonym a atomami w stanie podstawowym.
Kiedy medium laserowe jest pompowane, zawiera wiele atomów z podnieconymi elektronami.Tak jak elektron może pochłonąć pewną ilość energii, aby osiągnąć stan podniecenia.Jak pokazano na rysunku poniżej, dopóki elektron skacze do niższego poziomu, będzie uwalniał część swojej energii.Uwolniona energia jest przekształcana w fotony (energia świetlna)Wydzielony foton ma określoną długość fali (kolor), w zależności od stanu energetycznego elektronu w momencie jego uwolnienia.Dwa atomy o tym samym stanie elektronicznym emitują fotony o tej samej długości fali.
Światło laserowe różni się od zwykłego światła następującymi cechami:
Laser emitowany jest monochromatyczny. Laser zawiera światło o określonej długości fali (tj. określony kolor).Długość fali światła zależy od energii uwalnianej przez elektrony, gdy wracają na orbitę o niższej energii.
Wydzielony laser ma dobrą spójność. Struktura lasera jest lepsza, a każdy foton podąża za drugim fotonem. To znaczy, front fal wszystkich fotonów jest dokładnie taki sam.
Laser ma dobrą kierunkoznawność. wiązki laserowe są kompaktowe, skoncentrowane i niezwykle energiczne.i energia światła jest słaba i koncentracja jest niska.
Aby osiągnąć te trzy właściwości, potrzebny jest proces zwany emisją stymulowaną.W stymulowanej emisji, atomy emitują fotony w zorganizowany sposób.
Foton emitowany przez atom ma określoną długość fali, która zależy od różnicy energii między stanem pobudzonym a stanem podstawowym.Jeśli foton (z określoną energią i fazą) dotyka innego atomu, który ma elektron w tym samym stanie podnieceniaPierwszy foton może pobudzić lub poprowadzić atom do emitowania fotonu, a emitowany foton (tj.foton emitowany przez drugi atom) oscyluje w tej samej częstotliwości i kierunku co przychodzący foton.
Kolejnym kluczowym elementem lasera jest para lusterek, umieszczonych na każdym końcu nośnika laserowego.Fotony o określonej długości fali i fazie podróżują do przodu i do tyłu między medium laserowym poprzez odbicie reflektorów na obu końcachRobiąc to, pobudzają więcej elektronów, aby przeskoczyły z wysokoenergetycznych na niskie orbity, co emituje więcej fotonów o tej samej długości fali i fazie.które następnie wyprodukuje wodospad., duża liczba fotonów o tej samej długości fali i fazie jest szybko gromadzona w laserze.Odbija tylko część światła.Światło przechodzące przez nią to laser.
Rubinowy laser składa się z lampy błyskowej, podobnej do lampy błyskowej aparatu fotograficznego, pręta rubinowego i dwóch lusterek (z których jedno jest lustrem półodblaskowym).i lampka jest źródłem pompowania.