วิธีการสร้างลำแสงเลเซอร์

เนื้อหา

• นิยามเลเซอร์
• วิธีการสร้างลำแสงเลเซอร์
• การผกผันของประชากร
• หลักการเลเซอร์
• การจัดประเภทประเภทเลเซอร์
• ส่วนประกอบของเลเซอร์
• เลเซอร์ฮีเลียมนีออน
• เลเซอร์อาร์กอนคริปทอนและซีนอนไอออน
• เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์
• Excimer เลเซอร์

ด้วยการควบคุมพลังของแสงผ่านเลเซอร์คุณสามารถใช้เลเซอร์เพื่อจุดประสงค์ที่หลากหลายและเข้าใจพวกเขาได้ดีขึ้นโดยการศึกษาฟิสิกส์พื้นฐานและเคมีที่ทำให้พวกมันทำงานได้

โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์จะถูกผลิตโดยวัสดุเลเซอร์ไม่ว่าจะเป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซที่ให้รังสีในรูปของแสง ในฐานะที่เป็นตัวย่อของ "การขยายแสงโดยการกระตุ้นการแผ่รังสีของแสง" วิธีการของการปล่อยมลพิษที่กระตุ้นแสดงให้เห็นว่าเลเซอร์แตกต่างจากแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น การรู้ว่าความถี่ของแสงเหล่านี้สามารถช่วยให้คุณควบคุมศักยภาพในการใช้งานต่าง ๆ ได้อย่างไร

นิยามเลเซอร์

เลเซอร์สามารถกำหนดเป็นอุปกรณ์ที่เปิดใช้งานอิเล็กตรอนเพื่อปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า คำจำกัดความของเลเซอร์นี้หมายถึงการแผ่รังสีในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงรังสีแกมม่า

โดยทั่วไปแสงเลเซอร์จะเดินทางไปตามเส้นทางที่แคบ แต่เลเซอร์ที่มีคลื่นที่ปล่อยออกมาในวงกว้างก็มีความเป็นไปได้เช่นกัน ด้วยความคิดของเลเซอร์คุณสามารถคิดได้ว่ามันเป็นคลื่นเหมือนคลื่นทะเลที่ชายทะเล

นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายเลเซอร์ในแง่ของการเชื่อมโยงกันของพวกเขาเป็นคุณลักษณะที่อธิบายว่าเฟสที่แตกต่างระหว่างสัญญาณทั้งสองอยู่ในขั้นตอนและพวกเขามีความถี่และรูปแบบของคลื่นเดียวกัน หากคุณจินตนาการว่าเลเซอร์เป็นคลื่นที่มียอดเขาหุบเขาและร่องลึกความแตกต่างของเฟสจะเป็นว่าคลื่นหนึ่งคลื่นไม่ได้ซิงค์กับอีกคลื่นหนึ่งหรือห่างกันมากแค่ไหน

ความถี่ของแสงคือจำนวนคลื่นที่จุดสูงสุดผ่านจุดที่กำหนดในหนึ่งวินาทีและความยาวคลื่นคือความยาวทั้งหมดของคลื่นเดียวจากรางสู่รางหรือจากยอดถึงสูงสุด

โฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคควอนตัมของพลังงานประกอบด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของเลเซอร์ แพ็กเก็ตเชิงปริมาณเหล่านี้หมายความว่าแสงของเลเซอร์จะมีพลังงานเป็นพลังงานหลายเท่าของโฟตอนเดียวและมันมาใน "แพ็คเก็ต" ควอนตัมเหล่านี้ นี่คือสิ่งที่ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหมือนอนุภาค

วิธีการสร้างลำแสงเลเซอร์

อุปกรณ์หลายประเภทปล่อยแสงเลเซอร์เช่นช่องแสง เหล่านี้เป็นห้องที่สะท้อนแสงจากวัสดุที่เปล่งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากลับคืนสู่ตัวมันเอง โดยทั่วไปแล้วพวกเขาทำจากกระจกสองบานหนึ่งที่ปลายแต่ละด้านของวัสดุเช่นเมื่อพวกเขาสะท้อนแสงคานของแสงจะแข็งแกร่งขึ้น สัญญาณที่ถูกขยายเหล่านี้ออกจากเลนส์โปร่งใสที่ส่วนท้ายของช่องเลเซอร์

เมื่ออยู่ในที่ที่มีแหล่งพลังงานเช่นแบตเตอรี่ภายนอกที่จ่ายกระแสไฟฟ้าวัสดุที่เปล่งรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเปล่งแสงของเลเซอร์ในสถานะพลังงานต่างๆ ระดับพลังงานเหล่านี้หรือระดับควอนตัมขึ้นอยู่กับแหล่งวัสดุเอง สถานะพลังงานที่สูงขึ้นของอิเล็กตรอนในวัสดุมีแนวโน้มที่จะไม่เสถียรหรือในสภาวะที่ตื่นเต้นและเลเซอร์จะปล่อยแสงเหล่านี้ผ่านแสงของมัน

ซึ่งแตกต่างจากไฟอื่น ๆ เช่นแสงจากไฟฉายเลเซอร์ให้แสงในขั้นตอนเป็นระยะด้วยตัวเอง นั่นหมายถึงยอดและร่องของคลื่นเลเซอร์แต่ละอันเรียงตามแนวคลื่นที่มาก่อนและหลังทำให้แสงสอดคล้องกัน

เลเซอร์ได้รับการออกแบบด้วยวิธีนี้เพื่อให้แสงของความถี่เฉพาะของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ในหลายกรณีแสงนี้มีรูปแบบของลำแสงที่แคบและไม่ต่อเนื่องที่เลเซอร์ปล่อยออกมาที่ความถี่ที่แม่นยำ แต่เลเซอร์บางตัวก็ปล่อยแสงที่กว้างและต่อเนื่อง

การผกผันของประชากร

คุณสมบัติหนึ่งของเลเซอร์พลังงานจากแหล่งพลังงานภายนอกที่อาจเกิดขึ้นคือการผกผันของประชากร นี่เป็นรูปแบบหนึ่งของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่กระตุ้นและมันเกิดขึ้นเมื่อจำนวนของอนุภาคในสภาวะตื่นเต้นมากกว่าจำนวนที่อยู่ในสถานะพลังงานในระดับที่ต่ำกว่า

เมื่อเลเซอร์บรรลุการผกผันของประชากรปริมาณของการปล่อยพลังงานที่กระตุ้นซึ่งแสงสามารถสร้างได้นั้นจะมากกว่าปริมาณการดูดกลืนแสงจากกระจก สิ่งนี้จะสร้างแอมพลิฟายเออร์แบบออปติคัลและถ้าคุณวางแอมพลิฟายเออร์ไว้ในช่องออพติคอลเรโซแนน

หลักการเลเซอร์

วิธีการที่น่าตื่นเต้นและเปล่งอิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับเลเซอร์ที่เป็นแหล่งพลังงานซึ่งเป็นหลักการเลเซอร์ที่พบได้ในการใช้งานหลายอย่าง ระดับ quantized ที่อิเล็กตรอนสามารถครอบครองช่วงจากพลังงานต่ำที่ไม่ต้องการพลังงานมากที่จะปล่อยและอนุภาคพลังงานสูงที่อยู่ใกล้และแน่นไปถึงนิวเคลียส เมื่ออิเล็กตรอนปล่อยออกมาเนื่องจากอะตอมชนกันในทิศทางที่ถูกต้องและระดับพลังงานนี่เป็นการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเอง

เมื่อเกิดการปลดปล่อยตามธรรมชาติโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากอะตอมจะมีเฟสและทิศทางแบบสุ่ม นี่เป็นเพราะหลักการความไม่แน่นอนป้องกันไม่ให้นักวิทยาศาสตร์รู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคอย่างแม่นยำ ยิ่งคุณรู้ตำแหน่งของอนุภาคมากเท่าไหร่คุณก็ยิ่งมีแรงกระตุ้นน้อยลงและในทางกลับกัน

คุณสามารถคำนวณพลังงานของการปล่อยเหล่านี้โดยใช้สมการพลังค์ E = hν สำหรับพลังงาน E ในหน่วยจูลความถี่ ν ของอิเล็กตรอนใน^-1 และพลังค์คงที่ ชั่วโมง = 6.63 × 10^-34 ม.² กิโลกรัม / วินาที พลังงานที่โฟตอนมีเมื่อถูกปล่อยออกมาจากอะตอมสามารถคำนวณได้ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงาน หากต้องการค้นหาความถี่ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานให้คำนวณ ν ใช้ค่าพลังงานของการปล่อยนี้

การจัดประเภทประเภทเลเซอร์

ด้วยการใช้งานที่หลากหลายสำหรับเลเซอร์เลเซอร์สามารถแบ่งได้ตามวัตถุประสงค์ประเภทของแสงหรือแม้กระทั่งวัสดุของเลเซอร์เอง การหาวิธีจัดหมวดหมู่พวกเขาจำเป็นต้องคำนึงถึงมิติเลเซอร์เหล่านี้ทั้งหมด วิธีหนึ่งในการจัดกลุ่มพวกเขาคือความยาวคลื่นของแสงที่ใช้

ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเลเซอร์กำหนดความถี่และความแรงของพลังงานที่ใช้ ความยาวคลื่นที่มากขึ้นนั้นสัมพันธ์กับปริมาณพลังงานที่น้อยลงและความถี่ที่เล็กลง ในทางตรงกันข้ามความถี่ที่มากขึ้นของลำแสงหมายความว่ามันมีพลังงานมากขึ้น

นอกจากนี้คุณยังสามารถจัดกลุ่มเลเซอร์ตามลักษณะของวัสดุเลเซอร์ เลเซอร์สถานะของแข็งใช้เมทริกซ์ที่เป็นของแข็งของอะตอมเช่นนีโอไดเมียมที่ใช้ในคริสตัล Yttrium Aluminium Garnet ซึ่งเป็นที่ตั้งของไอออนนีโอไดเมียมสำหรับเลเซอร์ประเภทนี้ เลเซอร์แก๊สใช้ส่วนผสมของก๊าซในหลอดเช่นฮีเลียมและนีออนที่สร้างสีแดง เลเซอร์สีย้อมถูกสร้างขึ้นโดยวัสดุสีย้อมอินทรีย์ในสารละลายของเหลวหรือสารแขวนลอย

เลเซอร์สีย้อมใช้สื่อเลเซอร์ซึ่งโดยปกติจะเป็นสีย้อมอินทรีย์ที่ซับซ้อนในการแก้ปัญหาของเหลวหรือระงับ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชั้นที่สามารถสร้างเป็นอาร์เรย์ขนาดใหญ่ได้ สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าโดยใช้ความแข็งแรงระหว่างฉนวนและตัวนำที่ใช้สิ่งเจือปนเล็กน้อยหรือสารเคมีที่แนะนำเนื่องจากสารเคมีที่แนะนำหรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

ส่วนประกอบของเลเซอร์

สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันเลเซอร์ทั้งหมดใช้องค์ประกอบทั้งสองของแหล่งกำเนิดแสงในรูปแบบของของแข็งของเหลวหรือก๊าซที่ให้อิเล็กตรอนออกไปและสิ่งที่จะกระตุ้นให้เกิดแหล่งนี้ นี่อาจเป็นเลเซอร์อีกอันหรือการปลดปล่อยโดยธรรมชาติของวัสดุเลเซอร์เอง

เลเซอร์บางตัวใช้ระบบสูบน้ำ, วิธีการเพิ่มพลังงานของอนุภาคในตัวกลางแสงเลเซอร์ที่ปล่อยให้พวกเขาไปถึงสถานะที่ตื่นเต้นของพวกเขาเพื่อทำการผกผันของประชากร หลอดไฟแฟลชแก๊สสามารถใช้ในการสูบแสงที่นำพลังงานไปสู่วัสดุเลเซอร์ ในกรณีที่พลังงานวัสดุเลเซอร์อาศัยการชนกันของอะตอมภายในวัสดุระบบจะเรียกว่าการปั๊มชน

ส่วนประกอบของลำแสงเลเซอร์ก็แตกต่างกันไปตามระยะเวลาที่ใช้ในการส่งพลังงาน เลเซอร์คลื่นต่อเนื่องใช้กำลังลำแสงเฉลี่ยที่เสถียร โดยทั่วไปแล้วระบบพลังงานที่สูงขึ้นคุณสามารถปรับพลังงานได้ แต่ด้วยเลเซอร์ก๊าซพลังงานต่ำเช่นเลเซอร์ฮีเลียม - นีออนระดับพลังงานจะได้รับการแก้ไขตามเนื้อหาของก๊าซ

เลเซอร์ฮีเลียมนีออน

เลเซอร์ฮีเลียม - นีออนเป็นระบบคลื่นต่อเนื่องครั้งแรกและเป็นที่รู้จักกันว่าให้แสงสีแดง ในอดีตพวกเขาใช้สัญญาณคลื่นความถี่วิทยุเพื่อกระตุ้นวัตถุ แต่ทุกวันนี้พวกเขาใช้การปล่อยกระแสไฟตรงขนาดเล็กระหว่างขั้วไฟฟ้าในหลอดเลเซอร์

เมื่ออิเล็กตรอนในฮีเลียมตื่นเต้นพวกมันจะให้พลังงานกับอะตอมนีออนผ่านการชนที่ทำให้เกิดการผกผันของประชากรในอะตอมของนีออน เลเซอร์ฮีเลียม - นีออนยังสามารถทำงานในลักษณะเสถียรที่ความถี่สูง มันใช้ในการจัดตำแหน่งท่อสำรวจและในรังสีเอกซ์

เลเซอร์อาร์กอนคริปทอนและซีนอนไอออน

แก๊สอันสูงส่งสามชนิด ได้แก่ อาร์กอนคริปทอนและซีนอนได้แสดงให้เห็นว่ามีการใช้งานเลเซอร์ในความถี่เลเซอร์หลายสิบช่วงซึ่งครอบคลุมรังสีอัลตราไวโอเลตถึงอินฟราเรด คุณสามารถผสมก๊าซทั้งสามนี้เข้าด้วยกันเพื่อสร้างความถี่และการปล่อยมลพิษที่เฉพาะเจาะจง ก๊าซเหล่านี้ในรูปแบบไอออนิกทำให้อิเล็กตรอนของพวกเขาตื่นเต้นโดยปะทะกันจนกว่าพวกเขาจะบรรลุการผกผันของประชากร

การออกแบบเลเซอร์ชนิดต่าง ๆ เหล่านี้จะช่วยให้คุณสามารถเลือกความยาวคลื่นที่แน่นอนสำหรับช่องที่จะปล่อยคลื่นเพื่อให้ได้ความถี่ที่ต้องการ การจัดการกระจกเงาคู่ภายในโพรงสามารถช่วยให้คุณแยกความถี่ของแสงแบบเอกพจน์ได้ ก๊าซสามชนิดคืออาร์กอนคริปทอนและซีนอนให้คุณเลือกความถี่แสงที่หลากหลาย

เลเซอร์เหล่านี้ผลิตผลที่มีความเสถียรสูงและไม่สร้างความร้อนมาก เลเซอร์เหล่านี้แสดงหลักการทางเคมีและทางกายภาพเดียวกับที่ใช้ในกระโจมไฟรวมถึงหลอดไฟที่สว่างเช่นสโตรโบสโคป

เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์

เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์เป็นเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากที่สุดสำหรับเลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง พวกมันทำงานโดยใช้กระแสไฟฟ้าในหลอดพลาสมาที่มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การชนของอิเล็กตรอนทำให้โมเลกุลของก๊าซเหล่านี้กระตุ้นพลังงาน คุณยังสามารถเพิ่มไนโตรเจนฮีเลียมซีนอนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเพื่อสร้างความถี่เลเซอร์ที่แตกต่างกัน

เมื่อดูประเภทของเลเซอร์ที่อาจใช้ในอาเรสที่ต่างกันคุณสามารถกำหนดได้ว่าอันไหนที่สามารถสร้างพลังงานจำนวนมากได้เนื่องจากพวกมันมีอัตราประสิทธิภาพสูงเช่นที่พวกเขาใช้สัดส่วนพลังงานที่ให้แก่พวกมันโดยไม่ให้มาก ไปเสีย ในขณะที่เลเซอร์ฮีเลียม - นีออนมีอัตราประสิทธิภาพน้อยกว่า. 1% แต่เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์จะมีค่าประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์หรือ 300 เท่าของเลเซอร์ฮีเลียม - นีออน อย่างไรก็ตามสิ่งนี้เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์จำเป็นต้องมีการเคลือบพิเศษซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์ฮีเลียม - นีออนเพื่อสะท้อนหรือส่งความถี่ที่เหมาะสม

Excimer เลเซอร์

เลเซอร์ Excimer ใช้แสงอุลตร้าไวโอเลต (UV) ซึ่งเมื่อคิดค้นครั้งแรกในปี 1975 พยายามสร้างลำแสงเลเซอร์ที่มุ่งเน้นเพื่อความแม่นยำในการผ่าตัดด้วยกล้องจุลทรรศน์และจุลชีววิทยาอุตสาหกรรม ชื่อของพวกเขามาจากคำว่า "excited dimer" ซึ่ง dimer เป็นผลิตภัณฑ์ของการรวมกันของก๊าซที่ตื่นเต้นทางไฟฟ้ากับการกำหนดค่าระดับพลังงานที่สร้างความถี่เฉพาะของแสงในช่วง UV ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

เลเซอร์เหล่านี้ใช้ก๊าซที่มีปฏิกิริยาเช่นคลอรีนและฟลูออรีนควบคู่ไปกับปริมาณของก๊าซอาร์กอนอันสูงส่งคริปทอนและซีนอน แพทย์และนักวิจัยยังคงสำรวจการใช้งานของพวกเขาในแอพพลิเคชั่นการผ่าตัดเนื่องจากวิธีการที่มีประสิทธิภาพและมีประสิทธิภาพที่พวกเขาสามารถนำมาใช้สำหรับการใช้เลเซอร์ผ่าตัดตา เลเซอร์ Excimer ไม่สร้างความร้อนในกระจกตา แต่พลังงานของพวกเขาสามารถทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลในเนื้อเยื่อที่กระจกตาในกระบวนการที่เรียกว่า "การสลายตัวด้วยแสง" โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อตาที่ไม่จำเป็น