Как Работят Лазерите

{h1}

Лазерите се използват в cd плейъри, стоматологични тренировки, очна хирургия и дори премахване на татуировки. Но какво точно е лазер? Научете за различните видове лазери и как те генерират такава концентрирана светлина.

В цялата Вселена има само около 100 различни вида атоми. Всичко, което виждаме, е съставено от тези 100 атома в неограничен брой комбинации. Как тези атоми са подредени и свързани заедно, определя дали атомите съставят чаша вода, парче метал или физът, който излиза от вашата сода може!

Атомите са постоянно в движение. Те непрекъснато вибрират, движат се и се въртят. Дори атомите, които съставят столовете, в които седим, се движат наоколо. Твърдите вещества всъщност са в движение! Атомите могат да бъдат в различни състояния на възбуждане, С други думи, те могат да имат различни енергии. Ако приложим много енергия към атом, той може да остави това, което се нарича ниво на енергия на земята и отидете на възбудено ниво. Нивото на възбуждане зависи от количеството енергия, което се прилага към атома чрез топлина, светлина или електричество.

По-горе е класическа интерпретация на това как изглежда атома.

Този прост атом се състои от a ядро (съдържащи протони и неутрони) и an облак електрон. Полезно е да мислите за електроните в този облак, обикалящ по ядро в много различни орбити.

Поглъщане на енергия

Поглъщане на енергия: един атом абсорбира енергия под формата на топлина, светлина или електричество. Електроните могат да се движат от орбита с по-ниска енергия към орбита с по-висока енергия.


Поглъщане на енергия: един атом абсорбира енергия под формата на топлина, светлина или електричество. Електроните могат да се движат от орбита с по-ниска енергия към орбита с по-висока енергия.

Обмислете илюстрацията от предишната страница. Въпреки че по-модерните възгледи за атома не изобразяват дискретни орбити за електроните може да бъде полезно да мислите за тези орбити като за различните енергийни нива на атома. С други думи, ако приложим малко топлина към атом, може да очакваме, че някои от електроните в орбиталите с по-ниска енергия ще преминат към орбитали с по-висока енергия по-далеч от ядрото.

Това е силно опростен оглед на нещата, но всъщност отразява основната идея за това как атомите работят по отношение на лазерите.

След като един електрон се премести в орбита с по-висока енергия, в крайна сметка иска да се върне в основното състояние. Когато го прави, той отделя енергията си като фотон - частица светлина. Виждате атоми, които освобождават енергия като фотони през цялото време. Например, когато нагревателният елемент в тостер стане яркочервен, червеният цвят се причинява от атоми, възбудени от топлината, отделяйки червени фотони. Когато видите снимка на телевизионен екран, това, което виждате, са фосфорни атоми, възбудени от високоскоростни електрони, излъчващи различни цветове светлина. Всичко, което произвежда светлина - флуоресцентни светлини, газови фенери, крушки с нажежаема жичка - прави ли това чрез действието на електрони, променящи орбитите и освобождавайки фотони.

Връзката лазер / атом

А лазер е устройство, което контролира начина, по който енергизираните атоми освобождават фотони. „Лазер“ е съкращение за усилване на светлината чрез стимулиране на излъчването на радиация, което описва много кратко как работи лазер.

Въпреки че има много видове лазери, всички имат определени основни характеристики. В лазер, лазерната среда се "изпомпва", за да изведе атомите във възбудено състояние. Обикновено много интензивни светкавици от светлинни или електрически разряди изпомпват лазерната среда и създават голяма колекция от атоми във възбудено състояние (атоми с по-енергийни електрони). Необходимо е да има голяма колекция от атоми във възбудено състояние, за да може лазерът да работи ефективно. По принцип атомите се възбуждат до ниво, което е две или три нива над основното състояние. Това увеличава степента на инверсия на населението, Инверсията на популацията е броят на атомите във възбудено състояние спрямо броя в основно състояние.

Лазери

След като лазиращата среда се изпомпва, тя съдържа колекция от атоми с някои електрони, седящи в възбудени нива. Възбудените електрони имат енергия по-голяма от по-спокойните електрони. Точно както електронът абсорбира известно количество енергия, за да достигне това възбудено ниво, той също може да освободи тази енергия. Както показва фигурата по-долу, електронът може просто да се отпусне и от своя страна да се отърве от малко енергия. Това излъчвана енергия идва под формата на фотони (светлинна енергия). Излъченият фотон има много специфична дължина на вълната (цвят), която зависи от състоянието на енергията на електрона при освобождаване на фотона. Два еднакви атома с електрони в еднакви състояния ще освободят фотони с еднакви дължини на вълната.

Лазерна светлина

Лазерната светлина е много различна от нормалната. Лазерната светлина има следните свойства:
  • Освободената светлина е едноцветен. Той съдържа една специфична дължина на вълната на светлината (един специфичен цвят). Дължината на вълната на светлината се определя от количеството освободена енергия, когато електронът падне до по-ниска орбита.
  • Освободената светлина е съгласуван, Той е „организиран“ - всеки фотон се движи в крачка с останалите. Това означава, че всички фотони имат фронтове на вълната, които стартират в унисон.
  • Светлината е много посока, Лазерната светлина има много стегнат лъч и е много силна и концентрирана. От друга страна, фенерче отделя светлина в много посоки, а светлината е много слаба и дифузна.

За да се появят тези три свойства се изисква нещо, наречено стимулирана емисия, Това не се случва при обикновеното ви фенерче - при фенерче всички атоми освобождават фотоните си на случаен принцип. При стимулирана емисия се организира излъчване на фотони.

Фотонът, който всеки атом освобождава, има определена дължина на вълната, която зависи от енергийната разлика между възбуденото и основното състояние. Ако този фотон (притежаващ определена енергия и фаза) трябва да срещне друг атом, който има електрон в същото възбудено състояние, може да възникне стимулирано излъчване. Първият фотон може да стимулира или индуцира атомно излъчване, така че последващият излъчен фотон (от втория атом) да вибрира със същата честота и посока като входящия фотон.

Другият ключ към лазер е двойка огледала, по един от всеки край на носителя. Фотоните с много специфична дължина на вълната и фаза се отразяват от огледалата, за да се движат напред и назад през лазиращата среда. В процеса те стимулират други електрони, за да направят енергията надолу да скочи и могат да причинят излъчването на повече фотони с една и съща дължина на вълната и фаза. Възниква каскаден ефект и скоро ние разпространихме много, много фотони с една и съща дължина на вълната и фаза. Огледалото в единия край на лазера е „полу-сребристо“, което означава, че отразява някаква светлина и пропуска малко светлина. Светлината, която го прави, е лазерната светлина.

Можете да видите всички тези компоненти на фигурите на следващата страница, които илюстрират как просто рубинен лазер върши работа.

Ruby лазери

Рубинен лазер се състои от флаш тръба (както бихте имали на камера), рубинен прът и две огледала (едното полусребристо). Рубиновият прът е лазиращата среда и флаш тръбата го изпомпва.

Как работят лазерите: работят

1. Лазерът в негово състояние

Как работят лазерите: много

2. Светкавичната тръба се запалва и инжектира светлина в рубиновия прът. Светлината възбужда атоми в рубина.

Как работят лазерите: лазерите

3. Някои от тези атоми излъчват фотони.

Как работят лазерите: лазерите

4. Някои от тези фотони се движат в посока, успоредна на оста на рубина, така че те отскачат напред и назад от огледалата. Докато преминават през кристала, те стимулират излъчването в други атоми.

Как работят лазерите: много


5. Монохроматична, еднофазна, колонирана светлина напуска рубина през полусребреното огледало - лазерна светлина!

Тристепенен лазер

Ето какво се случва в реален тристепенен лазер.

Как работят лазерите: много


В следващия раздел ще научите за различните видове лазери.

Видове лазери

Има много различни видове лазери. Лазерната среда може да бъде твърда, газова, течна или полупроводникова. Лазерите обикновено се обозначават от използвания тип лазещ материал:

  • Твърдоземен лазер имат лазещ материал, разпределен в твърда матрица (като рубин или неодим: итриево-алуминиев гранат „Yag” лазери). Неодимовият-Yag лазер излъчва инфрачервена светлина на 1,064 нанометра (nm). Нанометър е 1x10-9 м.
  • Газови лазери (хелий и хелий-неон, HeNe са най-често срещаните газови лазери) имат първичен изход на видима червена светлина. CO2 лазерите отделят енергия в далечната инфрачервена връзка и се използват за рязане на твърди материали.
  • Ексимерни лазери (името произлиза от термините развълнуван и димери) използвайте реактивни газове, като хлор и флуор, смесени с инертни газове, като аргон, криптон или ксенон. Когато се стимулира електрически, се получава псевдо молекула (димер). Когато е лазиран, димерът произвежда светлина в ултравиолетовия обхват.
  • Лазери за боядисване използвайте сложни органични багрила, като родамин 6G, в течен разтвор или суспензия като лазираща среда. Те се настройват в широк диапазон от дължини на вълните.
  • Полупроводникови лазери, понякога наричани диодни лазери, не са твърди лазери. Тези електронни устройства обикновено са много малки и използват ниска мощност. Те могат да бъдат вградени в по-големи масиви, като например източника на запис в някои лазерни принтери или CD плейъри.

Каква е вашата дължина на вълната?

А рубинен лазер (изобразено по-рано) е твърд лазер и излъчва при дължина на вълната 694 nm. Други лазерни среди могат да бъдат избрани въз основа на желаната дължина на вълната на излъчване (вижте таблицата по-долу), необходимата мощност и продължителността на импулса. Някои лазери са много мощни, като CO2 лазера, който може да прореже стоманата. Причината, че CO2 лазерът е толкова опасен е, защото излъчва лазерна светлина в инфрачервената и микровълновата област на спектъра. Инфрачервеното излъчване е топлина и този лазер основно се стопява върху всичко, върху което е фокусиран.

Други лазери, като например диодни лазери, са много слаби и се използват в днешните джобни лазерни указатели. Тези лазери обикновено излъчват червен лъч светлина с дължина на вълната между 630 nm и 680 nm. Лазерите се използват в индустрията и изследванията, за да направят много неща, включително използване на интензивна лазерна светлина, за да възбудят други молекули, за да наблюдават какво се случва с тях.

Ето някои типични лазери и техните дължини на вълните на излъчване:

Тип лазер Дължина на вълната (nm)
Аргон флуорид (UV)193
Криптонов флуорид (UV)248
Ксенонов хлорид (UV)308
Азот (UV)337
Аргон (син)488
Аргон (зелен)514
Хелий неонов (зелен)543
Хелий неонов (червен)633
Родамин 6G багрило (за настройване)570-650
Ruby (CrAlO3) (червен)694
Nd: Yag (NIR)1064
Въглероден диоксид (FIR)10600

Лазерни класификации

Как работят лазерите: светлина


Лазерен предупредителен знак

Лазерите са класифицирани в четири широки области в зависимост от потенциала за причиняване биологично увреждане, Когато видите лазер, той трябва да бъде обозначен с едно от тези четири класа обозначения:

  • Клас I - Тези лазери не могат да излъчват лазерно лъчение при известни нива на опасност.
  • Клас I.A. - Това е специално обозначение, което се отнася само за лазери, които "не са предназначени за гледане", като например лазерен скенер в супермаркет. Горната граница на мощност от клас I.A. е 4.0 mW.
  • II клас - Това са видими лазери с ниска мощност, които излъчват над нивата от клас I, но с мощност на излъчване не над 1 mW. Концепцията е, че реакцията на отвращение на човека към ярка светлина ще защити човек.
  • Клас IIIA - Това са лазери с междинна мощност (cw: 1-5 mW), които са опасни само за вътрешно лъчево гледане. Повечето сочещи лазери като перо са в този клас.
  • Клас IIIB - Това са лазери с умерена мощност.
  • Клас IV - Това са лазери с висока мощност (cw: 500 mW, импулсни: 10 J / cm2 или граница на дифузно отражение), които са опасни за гледане при всякакви условия (директно или дифузно разпръснати) и представляват потенциална опасност от пожар и опасност от кожата. За лазерните съоръжения от клас IV се изискват значителни контроли.

За повече информация относно лазерите и свързаните теми, вижте връзките на следващата страница.

Свързани статии WordsSideKick.com

  • Как работи светлината
  • Как работят атомите
  • Как работят светкавиците на камерата
  • Как работят черните светлини
  • Как работят флуоресцентни лампи
  • Как работят компактдисковете
  • Как работят CD записвачите
  • Как работят DVD и DVD плейърите
  • Как работят лазерните принтери
  • Как работи LASIK
  • Как работи премахването на татуировки
  • Как ще работи лекото задвижване
  • Как ще работи холографската памет
  • Как работи лазерен скоростен пистолет за измерване на скоростта на автомобила?

Още страхотни връзки

  • Често задавани въпроси за лазерите на Сам - Вероятно най-добрият източник за източници на безопасност, конструкция и части
  • FDA: Лазерна хирургия на очите
  • Лазерна очна хирургия - LASIK, PRK
  • Лазерна хирургия за хъркане и сънна апнея
  • Лазерни шоу технологии
- -

за автора
Матю Уешлер има магистърска степен по физическа органична химия от Флоридския държавен университет. Темата му за теза беше пикосекундна лазерна спектроскопия и той изучава как молекулите реагират пикосекунди, след като са били бомбардирани от лазерна светлина.


Видео Добавка: Иновативен очен лазер за отстраняване на катаракта във Варна.




Изследване


Роботизирани Рибни Патрулни Води За Замърсители
Роботизирани Рибни Патрулни Води За Замърсители

Какво Е Мултивселената?
Какво Е Мултивселената?

Наука Новини


Филмът „Планета Капитан“ На Леонардо Ди Каприо Ще Се Фокусира Върху Мрачната Съдба На Земята
Филмът „Планета Капитан“ На Леонардо Ди Каприо Ще Се Фокусира Върху Мрачната Съдба На Земята

Много Държави Не Успяват Да Предотвратят Незаконната Търговия С Диви Животни: Доклад На Wwf
Много Държави Не Успяват Да Предотвратят Незаконната Търговия С Диви Животни: Доклад На Wwf

Американското Тичане На Биковете Не Е Много Тръпка (Op-Ed)
Американското Тичане На Биковете Не Е Много Тръпка (Op-Ed)

Id На Природозащитника 16 Американски Горещи Места За Дивата Природа
Id На Природозащитника 16 Американски Горещи Места За Дивата Природа

Как Растенията Влияят На Глобалния Въглероден Цикъл
Как Растенията Влияят На Глобалния Въглероден Цикъл


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2020 BG.WordsSideKick.com