Sådan fungerer lasere

"Star wars, "" Star Trek, "" Battlestar Galactica " - laserteknologi spiller en afgørende rolle i science fiction -film og bøger. Det er uden tvivl takket være den slags historier, at vi nu forbinder lasere med futuristisk krigsførelse og slanke rumskibe.

Men lasere spiller en afgørende rolle i vores hverdag, også. Faktum er, de dukker op i et fantastisk udvalg af produkter og teknologier. Du finder dem i alt fra cd-afspillere til tandboremaskiner til højhastigheds-metalskæremaskiner til målesystemer. Fjernelse af tatoveringer, hår udskiftning, øjenoperation - de bruger alle lasere. Men hvad er en laser? Hvad adskiller en laserstråle fra en lommelygte? Specifikt, hvad gør et laserlys forskelligt fra andre former for lys? Hvordan klassificeres lasere?

I denne artikel, du lærer alt om de forskellige lasertyper, deres forskellige bølgelængder og de anvendelser, vi anvender dem til. Men først, lad os starte med det grundlæggende i laserteknologi:gå til næste side for at finde ud af det grundlæggende i et atom.

1. Det grundlæggende i et atom
2. Absorberende energi
3. Laser/atomforbindelsen
4. Laserlys
5. Rubin lasere
6. Laser i tre niveauer
7. Typer af lasere
8. Hvad er din bølgelængde?
9. Laserklassifikationer

Det grundlæggende i et atom

Der er kun omkring 100 forskellige slags atomer i hele universet. Alt, hvad vi ser, består af disse 100 atomer i et ubegrænset antal kombinationer. Hvordan disse atomer er arrangeret og bundet sammen bestemmer, om atomerne udgør en kop vand, et stykke metal, eller fizz, der kommer ud af din sodavand!

Atomer er konstant i bevægelse. De vibrerer konstant, flytte og rotere. Selv de atomer, der udgør de stole, vi sidder i, bevæger sig rundt. Faststoffer er faktisk i bevægelse! Atomer kan være forskellige tilstande af ophidselse . Med andre ord, de kan have forskellige energier. Hvis vi anvender meget energi på et atom, det kan forlade det, der kaldes grundstatens energiniveau og gå til en spændt niveau. Excitationsniveauet afhænger af mængden af ​​energi, der påføres atomet via varme, lys, eller elektricitet.

Ovenfor er en klassisk fortolkning af, hvordan atomet ser ud.

Dette enkle atom består af et kerne (indeholdende protoner og neutroner) og en elektron sky. Det er nyttigt at tænke på elektronerne i denne sky, der cirkler rundt om kerne i mange forskellige baner.

Absorberende energi

Overvej illustrationen fra den forrige side. Selvom mere moderne syn på atomet ikke skildrer diskrete baner for elektronerne, det kan være nyttigt at tænke på disse baner som atomets forskellige energiniveauer. Med andre ord, hvis vi tilfører noget varme til et atom, vi kunne forvente, at nogle af elektronerne i orbitalerne med lavere energi ville overgå til orbitaler med højere energi længere væk fra kernen.

Dette er et meget forenklet syn på tingene, men det afspejler faktisk kernetanken om, hvordan atomer fungerer i form af lasere.

Når en elektron bevæger sig til en bane med højere energi, den ønsker til sidst at vende tilbage til grundstaten. Når det gør, det frigiver sin energi som en foton - en lyspartikel. Du ser atomer frigive energi som fotoner hele tiden. For eksempel, når varmeelementet i en brødrister lyser rødt, den røde farve skyldes atomer, begejstret for varme, frigiver røde fotoner. Når du ser et billede på en tv -skærm, det du ser er fosforatomer, begejstret for højhastighedselektroner, udsender forskellige lysfarver. Alt, der producerer lys - fluorescerende lys, gaslygter, glødepærer - gør det gennem elektronens handling, der ændrer kredsløb og frigiver fotoner.

Laser/atomforbindelsen

EN laser er en enhed, der styrer den måde, hvorpå energiske atomer frigiver fotoner. "Laser" er et akronym for lysforstærkning ved stimuleret stråling , som beskriver meget kortfattet, hvordan en laser fungerer.

Selvom der er mange typer lasere, alle har visse væsentlige træk. I en laser, lasermediet “pumpes” for at få atomerne i en ophidset tilstand. Typisk, meget intense lysglimt eller elektriske udladninger pumper lasermediet og skaber en stor samling af ophidsede atomer (atomer med elektroner med højere energi). Det er nødvendigt at have en stor samling af atomer i ophidset tilstand for at laseren kan fungere effektivt. Generelt, atomerne er spændte til et niveau, der er to eller tre niveauer over grundtilstanden. Dette øger graden af befolkningsinversion . Befolkningsinversionen er antallet af atomer i den ophidsede tilstand versus antallet i grundtilstand.

Når lasermediet er pumpet, den indeholder en samling atomer med nogle elektroner siddende i spændte niveauer. De ophidsede elektroner har energier større end de mere afslappede elektroner. Ligesom elektronen absorberede en vis mængde energi for at nå dette ophidsede niveau, det kan også frigive denne energi. Som nedenstående figur illustrerer, elektronen kan simpelthen slappe af, og til gengæld slippe af med noget energi. Det her udsendt energi kommer i form af fotoner (lysenergi). Den udsendte foton har en meget specifik bølgelængde (farve), der afhænger af elektronens tilstand, når fotonet frigives. To identiske atomer med elektroner i identiske tilstande frigiver fotoner med identiske bølgelængder.

Laserlys

Laserlys er meget anderledes end normalt og har følgende egenskaber:

• Lyset frigivet er monokromatisk. Den indeholder en bestemt lysbølgelængde (en bestemt farve). Lysets bølgelængde bestemmes af mængden af ​​energi, der frigives, når elektronen falder til en lavere bane.
• Lyset frigivet er sammenhængende . Det er "organiseret" - hver foton bevæger sig i takt med de andre. Det betyder, at alle fotoner har bølgefronter, der starter i fællesskab.
• Lyset er meget retningsbestemt . Et laserlys har en meget stram stråle og er meget stærk og koncentreret. En lommelygte, på den anden side, udsender lys i mange retninger, og lyset er meget svagt og diffust.

At få disse tre egenskaber til at forekomme kræver noget, der kaldes stimuleret emission . Dette sker ikke i din almindelige lommelygte - i en lommelygte, alle atomerne frigiver deres fotoner tilfældigt. Ved stimuleret emission, fotonemission er organiseret.

Fotonen, som ethvert atom frigiver, har en bestemt bølgelængde, der er afhængig af energiforskellen mellem den ophidsede tilstand og grundtilstanden. Hvis denne foton (besidder en bestemt energi og fase) skulle støde på et andet atom, der har en elektron i samme exciterede tilstand, stimuleret emission kan forekomme. Den første foton kan stimulere eller inducere atomemission således, at den efterfølgende udsendte foton (fra det andet atom) vibrerer med samme frekvens og retning som den indkommende foton.

Den anden nøgle til en laser er et par spejle , en i hver ende af lasermediet. Fotoner, med en meget specifik bølgelængde og fase, afspejle spejlene for at rejse frem og tilbage gennem lasermediet. I processen, de stimulerer andre elektroner til at få den nedadgående energi til at hoppe og kan forårsage emission af flere fotoner med samme bølgelængde og fase. En kaskadeeffekt opstår, og snart har vi formeret mange, mange fotoner med samme bølgelængde og fase. Spejlet i den ene ende af laseren er "halvsølvet, "hvilket betyder, at det reflekterer noget lys og lader noget lys igennem. Det lys, der kommer igennem, er laserlyset.

Du kan se alle disse komponenter i figurerne på den følgende side, som illustrerer, hvordan en enkel rubin laser arbejder.

Rubin lasere

En rubinlaser består af et flashrør (som du ville have på et kamera), en rubinstang og to spejle (et halvt forsølvet). Rubinstangen er lasermediet, og flashrøret pumper det.

Laser i tre niveauer

Her er hvad der sker i det virkelige liv, laser på tre niveauer.

I det næste afsnit, vil du lære om de forskellige typer lasere.

Typer af lasere

Der er mange forskellige typer lasere. Lasermediet kan være et solidt, gas, væske eller halvleder. Lasere betegnes almindeligvis ved den anvendte type lasermateriale:

• Solid-state lasere have lasermateriale fordelt i en fast matrix (såsom rubin- eller neodymium:yttrium-aluminium granat "Yag" -lasere). Neodym-Yag-laseren udsender infrarødt lys ved 1, 064 nanometer (nm). Et nanometer er 1x10 ^-9 meter.
• Gaslasere (helium og helium-neon, HeNe, er de mest almindelige gaslasere) har en primær output af synligt rødt lys. CO2-lasere udsender energi i fjern-infrarød, og bruges til at skære hårde materialer.
• Excimer lasere (navnet stammer fra vilkårene begejstret og dimerer ) brug reaktive gasser, såsom chlor og fluor, blandet med inerte gasser såsom argon, krypton eller xenon. Når den er elektrisk stimuleret, der dannes et pseudomolekyle (dimer). Når den er laset, dimeren producerer lys i det ultraviolette område.
• Farvelasere bruge komplekse organiske farvestoffer, såsom rhodamin 6G, i flydende opløsning eller suspension som lasermedier. De kan indstilles over en bred vifte af bølgelængder.
• Halvlederlasere , undertiden kaldet diodelasere, er ikke solid-state lasere. Disse elektroniske enheder er generelt meget små og bruger lav strøm. De kan være indbygget i større arrays, f.eks. skrivekilden i nogle laserprintere eller cd -afspillere.

Hvad er din bølgelængde?

EN rubin laser (afbildet tidligere) er en solid-state laser og udsender ved en bølgelængde på 694 nm. Andre lasermedier kan vælges baseret på den ønskede emissionsbølgelængde (se nedenstående tabel), krævet strøm, og pulsvarighed. Nogle lasere er meget kraftfulde, såsom CO2 -laser, som kan skære igennem stål. Grunden til at CO2 -laseren er så farlig, er fordi den udsender laserlys i spektrets infrarøde og mikrobølgeregion. Infrarød stråling er varme, og denne laser smelter dybest set igennem, uanset hvad den er fokuseret på.

Andre lasere, såsom diodelasere, er meget svage og bruges i dagens lommelaserpegere. Disse lasere udsender typisk en rød lysstråle, der har en bølgelængde mellem 630 nm og 680 nm. Lasere bruges i industrien og forskning til at gøre mange ting, herunder brug af intens laserlys til at ophidse andre molekyler til at observere, hvad der sker med dem.

Her er nogle typiske lasere og deres emissionsbølgelængder (i nanometer):

• Argonfluorid (UV):193
• Kryptonfluorid (UV):248
• Xenonchlorid (UV):308
• Kvælstof (UV):337
• Argon (blå):488
• Argon (grøn):514
• Helium neon (grøn):543
• Helium neon (rød) 633
• Rhodamine 6G-farvestof (tunerbart):570-650
• Rubin (CrAIO ₃ ) (rød):694
• Nd:Yag (NIR):1064
• Kuldioxid (FIR):10600

Laserklassifikationer

Lasere er klassificeret i fire brede områder afhængigt af potentialet for at forårsage biologiske skader . Når du ser en laser, det skal mærkes med en af ​​disse fire klassebetegnelser:

• Klasse I - Disse lasere kan ikke udsende laserstråling ved kendte fareniveauer.
• Klasse I.A. - Dette er en særlig betegnelse, der kun gælder for lasere, der "ikke er beregnet til visning, "såsom en supermarkedslaserscanner. Den øvre effektgrænse i klasse I.A. er 4,0 mW.
• Klasse II - Disse er synlige lasere med lav effekt, der udsender over klasse I-niveauer, men med en stråleeffekt ikke over 1 mW. Konceptet er, at den menneskelige aversionsreaktion mod skarpt lys vil beskytte en person.
• Klasse IIIA -Disse er mellemliggende lasere (cw:1-5 mW), som kun er farlige for intrabeam -visning. De fleste penlignende pegelasere er i denne klasse.
• Klasse IIIB - Det er lasere med moderat effekt.
• Klasse IV - Disse er lasere med høj effekt (cw:500 mW, pulseret:10 J/cm ² eller den diffuse refleksionsgrænse), som er farlige at se under enhver betingelse (direkte eller diffust spredt), og er en potentiel brandfare og en hudfare. Der kræves væsentlige kontroller af klasse IV -laserfaciliteter.

For mere information om lasere og relaterede emner, tjek de links, der følger.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer lys
• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer kamerablits
• Sådan fungerer sorte lys
• Sådan fungerer lysstofrør
• Sådan fungerer cd'er
• Sådan fungerer cd -brændere
• Sådan fungerer dvd'er og dvd -afspillere
• Sådan fungerer laserprintere
• Sådan fungerer LASIK
• Sådan fungerer fjernelse af tatoveringer
• Hvordan let fremdrift vil fungere
• Sådan fungerer den holografiske hukommelse
• Hvordan fungerer en laserhastighedspistol til at måle bilens hastighed?

Flere store links

• Sam's Laser FAQ - Sandsynligvis den bedste kilde til sikkerhed, konstruktion og dele kilder
• Laserøjekirurgi - LASIK, PRK

Om forfatteren

Matthew Weschler har en MS -grad i fysisk organisk kemi fra Florida State University. Hans speciale var picosekund laserspektroskopi, og han studerede, hvordan molekyler reagerer picosekunder efter at være blevet bombarderet af laserlys.