science >> Wetenschap >  >> Fysica

Hoe lasers werken

Voorbij lasergamen, je kunt lasers vinden in alledaagse voorwerpen zoals cd-spelers of zelfs tandartsboren. RichLegg/Getty Images

"Star Wars, " "Star Trek, "Battlestar Galactica" -- lasertechnologie speelt een centrale rol in sciencefictionfilms en -boeken. Het is ongetwijfeld dankzij dit soort verhalen dat we lasers nu associëren met futuristische oorlogsvoering en slanke ruimteschepen.

Maar lasers spelen een cruciale rol in ons dagelijks leven, te. Het feit is, ze verschijnen in een verbazingwekkende reeks producten en technologieën. Je vindt ze in alles, van cd-spelers tot tandartsboren tot snelle metaalsnijmachines tot meetsystemen. Tatoeage verwijderen, haar vervanging, oogchirurgie -- ze gebruiken allemaal lasers. Maar wat is een laser? Wat maakt een laserstraal anders dan de straal van een zaklamp? specifiek, wat maakt een laserlicht anders dan andere soorten licht? Hoe worden lasers geclassificeerd?

In dit artikel, je leert alles over de verschillende soorten lasers, hun verschillende golflengten en het gebruik waarvoor we ze gebruiken. Maar eerst, laten we beginnen met de basisprincipes van lasertechnologie:ga naar de volgende pagina om de basisprincipes van een atoom te ontdekken.

Inhoud
  1. De basis van een atoom
  2. Energie absorberen
  3. De laser/atoomverbinding
  4. Laserlicht
  5. Ruby-lasers
  6. Laser op drie niveaus
  7. Soorten lasers
  8. Wat is uw golflengte?
  9. Laserclassificaties

De basis van een atoom

Een atoom, in het eenvoudigste model, bestaat uit een kern en ronddraaiende elektronen. HSW

Er zijn slechts ongeveer 100 verschillende soorten atomen in het hele universum. Alles wat we zien is opgebouwd uit deze 100 atomen in een onbeperkt aantal combinaties. Hoe deze atomen zijn gerangschikt en aan elkaar zijn gebonden, bepaalt of de atomen een kopje water vormen, een stuk metaal, of de bruis die uit je blikje frisdrank komt!

Atomen zijn constant in beweging. Ze trillen continu, bewegen en draaien. Zelfs de atomen waaruit de stoelen bestaan ​​waarin we zitten, bewegen in het rond. Vaste stoffen zijn echt in beweging! Atomen kunnen in verschillende zijn toestanden van opwinding . Met andere woorden, ze kunnen verschillende energieën hebben. Als we veel energie toepassen op een atoom, het kan verlaten wat de . wordt genoemd grondtoestand energieniveau en ga naar een opgewonden niveau. De mate van excitatie hangt af van de hoeveelheid energie die via warmte aan het atoom wordt toegevoerd, licht, of elektriciteit.

Hierboven is een klassieke interpretatie van hoe het atoom eruit ziet.

Dit eenvoudige atoom bestaat uit a kern (met de protonen en neutronen) en an Elektronenwolk. Het is handig om te denken aan de elektronen in deze wolk die om de cirkelen kern in veel verschillende banen.

Energie absorberen

Absorptie van energie:Een atoom absorbeert energie in de vorm van warmte, licht, of elektriciteit. Elektronen kunnen van een baan met lagere energie naar een baan met hogere energie gaan.

Bekijk de illustratie van de vorige pagina. Hoewel modernere weergaven van het atoom niet discrete banen voor de elektronen, het kan nuttig zijn om deze banen te zien als de verschillende energieniveaus van het atoom. Met andere woorden, als we wat warmte toepassen op een atoom, we zouden kunnen verwachten dat sommige van de elektronen in de lagere energie-orbitalen zouden overgaan naar hogere energie-orbitalen verder weg van de kern.

Dit is een sterk vereenvoudigde kijk op de dingen, maar het weerspiegelt eigenlijk het kernidee van hoe atomen werken in termen van lasers.

Zodra een elektron naar een baan met hogere energie gaat, het wil uiteindelijk terugkeren naar de grondtoestand. Wanneer het gebeurt, het geeft zijn energie vrij als een foton -- een deeltje licht. Je ziet atomen de hele tijd energie vrijgeven als fotonen. Bijvoorbeeld, wanneer het verwarmingselement in een broodrooster felrood wordt, de rode kleur wordt veroorzaakt door atomen, opgewonden door hitte, rode fotonen vrijgeven. Als u een afbeelding op een tv-scherm ziet, wat je ziet zijn fosforatomen, geëxciteerd door snelle elektronen, verschillende kleuren licht uitstralen. Alles wat licht produceert -- tl-lampen, gaslantaarns, gloeilampen -- doet het door de actie van elektronen die van baan veranderen en fotonen vrijgeven.

De laser/atoomverbinding

EEN laser is een apparaat dat de manier regelt waarop geactiveerde atomen fotonen vrijgeven. "Laser" is een acroniem voor: lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling , die heel bondig beschrijft hoe een laser werkt.

Hoewel er veel soorten lasers zijn, hebben allemaal bepaalde essentiële kenmerken. Bij laseren, het lasermedium wordt "gepompt" om de atomen in een aangeslagen toestand te krijgen. Typisch, zeer intense lichtflitsen of elektrische ontladingen pompen het lasermedium en creëren een grote verzameling atomen in aangeslagen toestand (atomen met elektronen met hogere energie). Het is noodzakelijk om een ​​grote verzameling atomen in de aangeslagen toestand te hebben om de laser efficiënt te laten werken. In het algemeen, de atomen worden geëxciteerd tot een niveau dat twee of drie niveaus boven de grondtoestand ligt. Dit verhoogt de mate van populatie-inversie . De populatie-inversie is het aantal atomen in de aangeslagen toestand versus het aantal in grondtoestand.

Zodra het lasermedium is verpompt, het bevat een verzameling atomen met enkele elektronen in opgewonden niveaus. De aangeslagen elektronen hebben een grotere energie dan de meer ontspannen elektronen. Net zoals het elektron enige hoeveelheid energie absorbeerde om dit opgewonden niveau te bereiken, het kan deze energie ook vrijgeven. Zoals de onderstaande figuur illustreert, het elektron kan gewoon ontspannen, en op zijn beurt weer wat energie kwijt. Dit uitgestraalde energie komt in de vorm van fotonen (licht energie). Het uitgezonden foton heeft een zeer specifieke golflengte (kleur) die afhangt van de toestand van de energie van het elektron wanneer het foton wordt vrijgegeven. Twee identieke atomen met elektronen in identieke toestanden zullen fotonen met identieke golflengten vrijgeven.

Laserlicht

Laserlicht is heel anders dan normaal en heeft de volgende eigenschappen:

  • Het licht dat vrijkomt is monochromatisch. Het bevat één specifieke golflengte van licht (één specifieke kleur). De golflengte van licht wordt bepaald door de hoeveelheid energie die vrijkomt wanneer het elektron naar een lagere baan zakt.
  • Het licht dat vrijkomt is samenhangend . Het is "georganiseerd" -- elk foton beweegt in de pas met de anderen. Dit betekent dat alle fotonen golffronten hebben die gelijktijdig worden gelanceerd.
  • Het licht is erg directioneel . Een laserlicht heeft een zeer strakke bundel en is zeer sterk en geconcentreerd. Een zaklamp, anderzijds, verspreidt licht in vele richtingen, en het licht is erg zwak en diffuus.

Om deze drie eigenschappen te laten optreden, is er iets nodig dat wordt genoemd gestimuleerde emissie . Dit gebeurt niet in uw gewone zaklamp -- in een zaklamp, alle atomen geven willekeurig hun fotonen vrij. Bij gestimuleerde emissie, fotonenemissie is georganiseerd.

Het foton dat een atoom afgeeft heeft een bepaalde golflengte die afhankelijk is van het energieverschil tussen de aangeslagen toestand en de grondtoestand. Als dit foton (met een bepaalde energie en fase) een ander atoom zou tegenkomen met een elektron in dezelfde aangeslagen toestand, gestimuleerde emissie kan optreden. Het eerste foton kan atomaire emissie zodanig stimuleren of induceren dat het daaropvolgende uitgezonden foton (van het tweede atoom) met dezelfde frequentie en richting trilt als het binnenkomende foton.

De andere sleutel tot een laser is een paar spiegels , één aan elk uiteinde van het lasermedium. fotonen, met een zeer specifieke golflengte en fase, weerkaatsen van de spiegels om heen en weer te reizen door het lasermedium. In het proces, ze stimuleren andere elektronen om de neerwaartse energie te laten springen en kunnen de emissie van meer fotonen met dezelfde golflengte en fase veroorzaken. Er treedt een cascade-effect op, en al snel hebben we er veel gepropageerd, veel fotonen van dezelfde golflengte en fase. De spiegel aan het ene uiteinde van de laser is "half verzilverd, " wat betekent dat het wat licht reflecteert en wat licht doorlaat. Het licht dat het doorlaat is het laserlicht.

U kunt al deze componenten zien in de afbeeldingen op de volgende pagina, die illustreren hoe een eenvoudig robijn laser werken.

Ruby-lasers

Een ruby ​​laser bestaat uit een flitsbuis (zoals je zou hebben op een camera), een robijnrode staaf en twee spiegels (een half verzilverd). De robijnrode staaf is het lasermedium en de flitsbuis pompt het.

2. De flitsbuis vuurt en injecteert licht in de robijnrode staaf. Het licht prikkelt atomen in de robijn. Hoe dingen werken 3. Sommige van deze atomen zenden fotonen uit. Hoe dingen werken 4. Sommige van deze fotonen lopen in een richting evenwijdig aan de as van de robijn, zodat ze heen en weer stuiteren van de spiegels. Als ze door het kristal gaan, ze stimuleren emissie in andere atomen. Hoe dingen werken 5. Monochromatisch, eenfasig, zuilvormig licht verlaat de robijn door de halfverzilverde spiegel -- laserlicht! Hoe dingen werken

Laser op drie niveaus

Dit is wat er in het echte leven gebeurt, laser met drie niveaus.

Hoe dingen werken

In de volgende sectie, je leert over de verschillende soorten lasers.

Soorten lasers

Er zijn veel verschillende soorten lasers. Het lasermedium kan een vaste stof zijn, gas, vloeistof of halfgeleider. Lasers worden gewoonlijk aangeduid met het type lasermateriaal dat wordt gebruikt:

  • Solid-state lasers lasermateriaal hebben dat is verdeeld in een vaste matrix (zoals de robijn- of neodymium:yttrium-aluminium-granaat "Yag" -lasers). De neodymium-Yag-laser zendt infrarood licht uit op 1 064 nanometer (nm). Een nanometer is 1x10 -9 meter.
  • Gaslasers (helium en helium-neon, hijNe, zijn de meest voorkomende gaslasers) hebben een primaire output van zichtbaar rood licht. CO2-lasers zenden energie uit in het verre-infrarood, en worden gebruikt voor het snijden van harde materialen.
  • Excimer lasers (de naam is afgeleid van de termen opgewonden en dimeren ) reactieve gassen gebruiken, zoals chloor en fluor, gemengd met inerte gassen zoals argon, krypton of xenon. Bij elektrische stimulatie, een pseudomolecuul (dimeer) wordt geproduceerd. Wanneer gelaserd, het dimeer produceert licht in het ultraviolette bereik.
  • Kleurstoflasers gebruik complexe organische kleurstoffen, zoals rhodamine 6G, in vloeibare oplossing of suspensie als lasermedia. Ze zijn afstembaar over een breed bereik van golflengten.
  • Halfgeleiderlasers , soms diodelasers genoemd, zijn geen vastestoflasers. Deze elektronische apparaten zijn over het algemeen erg klein en gebruiken een laag stroomverbruik. Ze kunnen worden ingebouwd in grotere arrays, zoals de schrijfbron in sommige laserprinters of cd-spelers.

Wat is uw golflengte?

EEN robijn laser (eerder afgebeeld) is een laser in vaste toestand en zendt uit bij een golflengte van 694 nm. Andere lasermedia kunnen worden geselecteerd op basis van de gewenste emissiegolflengte (zie onderstaande tabel), stroom nodig, en pulsduur. Sommige lasers zijn zeer krachtig, zoals de CO2-laser, die door staal kan snijden. De reden dat de CO2-laser zo gevaarlijk is, is omdat hij laserlicht uitzendt in het infrarood- en microgolfgebied van het spectrum. Infraroodstraling is warmte, en deze laser smelt in principe door alles waar hij op is gericht.

andere lasers, zoals diodelasers, zijn erg zwak en worden gebruikt in de zaklaserpointers van tegenwoordig. Deze lasers zenden typisch een rode lichtstraal uit met een golflengte tussen 630 nm en 680 nm. Lasers worden gebruikt in de industrie en in onderzoek om veel dingen te doen, inclusief het gebruik van intens laserlicht om andere moleculen te prikkelen om te observeren wat er met hen gebeurt.

Hier zijn enkele typische lasers en hun emissiegolflengten (in nanometers):

  • Argonfluoride (UV):193
  • Kryptonfluoride (UV):248
  • Xenonchloride (UV):308
  • Stikstof (UV):337
  • Argon (blauw):488
  • Argon (groen):514
  • Heliumneon (groen):543
  • Helium neon (rood) 633
  • Rhodamine 6G-kleurstof (afstembaar):570-650
  • Ruby (CrAIO 3 ) (rood):694
  • Nd:Yag (NIR):1064
  • Kooldioxide (FIR):10600

Laserclassificaties

Lasers worden ingedeeld in vier brede gebieden, afhankelijk van de mogelijke oorzaak: biologische schade . Als je een laser ziet, het moet worden gelabeld met een van deze vier klassenaanduidingen:

  • Klasse I - Deze lasers kunnen geen laserstraling afgeven bij bekende gevarenniveaus.
  • Klasse IA - Dit is een speciale aanduiding die alleen van toepassing is op lasers die "niet bedoeld zijn om te bekijken, " zoals een laserscanner voor supermarkten. De bovengrens van het vermogen van klasse I.A. is 4,0 mW.
  • Klasse II - Dit zijn zichtbare lasers met laag vermogen die boven Klasse I-niveaus uitstralen, maar met een stralingsvermogen van niet meer dan 1 mW. Het concept is dat de menselijke afkeerreactie op fel licht een persoon zal beschermen.
  • Klasse IIIA - Dit zijn lasers met gemiddeld vermogen (cw:1-5 mW), die alleen gevaarlijk zijn voor intrabeam-weergave. De meeste penachtige aanwijslasers vallen in deze klasse.
  • Klasse IIIB - Dit zijn middelzware lasers.
  • Klasse IV - Dit zijn krachtige lasers (cw:500 mW, gepulseerd:10 J/cm 2 of de diffuse reflectiegrens), die onder alle omstandigheden gevaarlijk zijn om te zien (direct of diffuus verspreid), en zijn een potentieel brandgevaar en een gevaar voor de huid. Er zijn significante controles vereist van laserfaciliteiten van klasse IV.

Voor meer informatie over lasers en aanverwante onderwerpen, bekijk de links die volgen.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe licht werkt
  • Hoe atomen werken
  • Hoe cameraflitsen werken
  • Hoe zwarte lichten werken
  • Hoe TL-lampen werken
  • Hoe cd's werken
  • Hoe cd-branders werken
  • Hoe dvd's en dvd-spelers werken
  • Hoe laserprinters werken
  • Hoe LASIK werkt
  • Hoe tatoeage verwijderen werkt
  • Hoe lichte voortstuwing zal werken
  • Hoe holografisch geheugen werkt
  • Hoe werkt een lasersnelheidspistool om de snelheid van een auto te meten?

Meer geweldige links

  • Sam's Laser FAQ - Waarschijnlijk de beste bron over veiligheid, constructie en onderdelen bronnen
  • Ooglaserchirurgie - LASIK, PRK

Over de auteur

Matthew Weschler heeft een MS-graad in Fysische Organische Chemie van de Florida State University. Het onderwerp van zijn proefschrift was picoseconde laserspectroscopie, en hij bestudeerde hoe moleculen picoseconden reageren nadat ze door laserlicht werden gebombardeerd.

No

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Reuzenberenklauwsap kan je zonnebrand geven
  2. De rol van enzymen bij cellulaire ademhaling
  3. Superbugs gevonden op Olympische zwemplekken in Rio
  4. Hoe DNA te maken met pijpreinigers & pony kralen
  5. Kan slapen met een hersenschudding je doden?
  6. 10 echt slimme mensen die echt domme dingen deden
  7. Celstructuur van Nostoc
  8. 10 oudst bekende ziekten
  9. Wat zijn de niveaus van organisatie in de biologie?

Wetenschap