תוֹכֶן
- הגדרת לייזר
- כיצד מייצרים קרני לייזר
- היפוך האוכלוסייה
- עקרון לייזר
- סיווג סוגי הלייזרים
- רכיבי לייזרים
- לייזר הליום-ניאון
- ארגון, קריפטון וסינון יונים לייזרים
- לייזרי פחמן דו חמצני
- לייזרים אקסימרים
על ידי רתימת כוח האור באמצעות לייזרים תוכלו להשתמש בלייזרים למגוון מטרות ולהבין אותם טוב יותר על ידי לימוד הפיזיקה והכימיה העומדים בבסיס הגורמים להם לעבוד.
באופן כללי, לייזר מיוצר על ידי חומר לייזר, בין אם הוא מוצק, נוזלי או גז, שמפליט קרינה בצורה של אור. כאחראי ראשי תיבות של "הגברת אור על ידי פליטה מעוררת של קרינה", שיטת הפליטות המגורה מראה כיצד הלייזרים נבדלים ממקורות אחרים של קרינה אלקטרומגנטית. הידיעה כיצד תדרי האור הללו מופיעים יכולה לאפשר לך לרתום את הפוטנציאל שלהם לשימושים שונים.
הגדרת לייזר
ניתן להגדיר לייזרים כמכשיר שמפעיל אלקטרונים לפליטת קרינה אלקטרומגנטית. הגדרת לייזר פירושה שקרינה יכולה ללבוש צורה מכל סוג על הספקטרום האלקטרומגנטי, החל מגלי רדיו ועד קרני גאמה.
בדרך כלל אור הלייזרים נודע בדרך צרה, אך גם לייזרים עם מגוון רחב של גלים נפלטים אפשריים. באמצעות תפיסות הלייזרים האלה אתה יכול לחשוב עליהם כגלים ממש כמו גלי אוקיינוס על שפת הים.
מדענים תיארו לייזרים מבחינת הקוהרנטיות שלהם, תכונה המתארת אם הפרש השלבים בין שני אותות נמצא בצעד ויש להם אותה תדר וצורת גל. אם אתה מדמיין לייזרים כגלים עם פסגות, עמקים ושוקתות, ההבדל בין השלבים יהיה עד כמה גל אחד אינו מסונכרן עם אחד אחר או עד כמה רחוקים זה מזה בין שני הגלים.
תדירות האור היא כמה פסגות הגל עוברות בנקודה נתונה בשנייה, ואורך הגל הוא כל אורכו של גל בודד משוקת לשוקת או מפסגה לשיא.
פוטונים, אנשים חלקיקי אנרגיה קוונטיים, מהווים את הקרינה האלקטרומגנטית של לייזר. משמעות המנות הכמויות הללו היא שלאור של לייזר תמיד יש את האנרגיה כמכפיל של האנרגיה של פוטון בודד וכי הוא מגיע ב"מנות "קוונטיות אלה. זה מה שהופך את הגלים האלקטרומגנטיים לחלקיקים.
כיצד מייצרים קרני לייזר
סוגים רבים של מכשירים פולטים לייזרים, כמו חללים אופטיים. אלה תאים המשקפים את האור מחומר הפולט קרינה אלקטרומגנטית חזרה לעצמה. בדרך כלל הם עשויים משתי מראות, אחת בכל קצה החומר כך שכאשר הן משקפות אור, קרני האור מתחזקות. האותות המוגברים הללו יוצאים דרך עדשה שקופה בקצה חלל הלייזר.
כאשר בנוכחות מקור אנרגיה, כמו סוללה חיצונית המספקת זרם, החומר הפולט קרינה אלקטרומגנטית פולט את אור הלייזר במצבי אנרגיה שונים. רמות אנרגיה אלה, או רמות קוונטיות, תלויים בחומר המקור עצמו. מצבים אנרגיים גבוהים יותר של אלקטרונים בחומר צפויים להיות יותר לא יציבים, או במצבים נרגשים, והלייזר יפלט אותם לאורו.
שלא כמו אורות אחרים, כמו האור מפנס, הלייזרים מפטירים אור בצעדים תקופתיים עם עצמו. פירושו של דבר הקצרה והשקתית של כל גל קו לייזר עם אלה של הגלים שמגיעים לפני ואחרי, הופכים את האור לקוהרנטי שלהם.
לייזרים מעוצבים בצורה כזו שהם מפטירים אור של תדרים ספציפיים של הספקטרום האלקטרומגנטי. במקרים רבים אור זה מקבל צורה של קורות צרות ודיסקרטיות שהלייזרים פולטים בתדרים מדויקים, אך חלק מהלייזרים אכן מפטרים טווחי אור רחבים ורצופים.
היפוך האוכלוסייה
תכונה אחת בלייזר המופעל על ידי מקור אנרגיה חיצוני שעלול להתרחש היא היפוך אוכלוסין. זוהי סוג של פליטה מעוררת, והיא מתרחשת כאשר מספר החלקיקים במצב נרגש עולה על אלה שנמצאים במצב אנרגיה ברמה נמוכה יותר.
כאשר הלייזר משיג היפוך אוכלוסין, כמות הפליטה המעוררת הזו שאור יכול ליצור תהיה גדולה מכמות הקליטה מהמראות. זה יוצר מגבר אופטי, ואם אתה ממקם אחד בתוך חלל אופטי מהדהד, יצרת מתנד לייזר.
עקרון לייזר
שיטות אלה של אלקטרונים מרגשים ופולטים מהווים את הבסיס לכך שהלייזרים הם מקור אנרגיה, עיקרון לייזר שנמצא בשימושים רבים. הרמות הכמותיות שהאלקטרונים יכולים לתפוס נע בין אנרגיה נמוכה שאיננה דורשת שחרור אנרגיה רבה וחלקיקי אנרגיה גבוהה שנשארים קרובים וצמודים לגרעין. כאשר האלקטרון משחרר בגלל האטומים המתנגשים זה בזה ברמת האוריינטציה והאנרגיה הנכונה, מדובר בפליטה ספונטנית.
כאשר מתרחשת פליטה ספונטנית, לפוטון שנפלט על ידי האטום יש שלב וכיוון אקראי. הסיבה לכך היא שעקרון אי הוודאות מונע מדענים לדעת הן את המיקום והן את המומנטום של החלקיק בדיוק מדויק. ככל שאתה יודע יותר על מיקום חלקיקים, אתה יודע פחות על המומנטום שלו, ולהיפך.
אתה יכול לחשב את האנרגיה של פליטות אלה באמצעות משוואת פלאנק E = hν לאנרגיה ה בג'אולים, תדירות ν של האלקטרון בשניות-1 ופלנקס קבוע ח = 6.63 × 10-34 M2 ק"ג / ש '. האנרגיה שיש לפוטון בעת הפליטה מאטום יכולה גם להיות מחושבת כשינוי באנרגיה. כדי למצוא את התדר המשויך לשינוי זה באנרגיה, חישוב ν באמצעות ערכי האנרגיה של פליטה זו.
סיווג סוגי הלייזרים
בהתחשב במגוון השימושים הרחב בלייזרים, ניתן לסווג לייזרים על פי מטרה, סוג האור או אפילו חומרי הלייזרים עצמם. לפתח דרך לקטלג אותם צריך לתת דין וחשבון לכל הממדים הללו של הלייזרים. אחת הדרכים לקבץ אותן היא באורך הגל של האור בו הם משתמשים.
אורך הגל של קרינת אלקטרומגנטית של לייזרים קובע את התדר והחוזק של האנרגיה שהם משתמשים. אורך גל גדול יותר מתאם עם כמות אנרגיה קטנה יותר ותדר קטן יותר. לעומת זאת, תדירות גדולה יותר של קרן אור פירושה שיש לה יותר אנרגיה.
ניתן גם לקבץ לייזרים לפי אופי חומר הלייזר. לייזרים במצב מוצק משתמשים במטריצה מוצקה של אטומים כמו ניאודימיום המשמש בקרינת Yttrium Aluminum Granate המאכלסת את יוני הניאודימיום לסוגים אלה של לייזר. לייזרי גז משתמשים בתערובת של גזים בצינור כמו הליום ונאון שיוצרים צבע אדום. לייזרי צבע נוצרים על ידי חומרי צבע אורגניים בתמיסות או מתלים נוזליים
לייזרי צבע משתמשים במדיום לייזר שהוא בדרך כלל צבע אורגני מורכב בתמיסה נוזלית או בהשעיה. לייזרי מוליכים למחצה משתמשים בשתי שכבות של חומר מוליכים למחצה שניתן לבנות למערכים גדולים יותר. מוליכים למחצה הם חומרים המוליכים חשמל באמצעות הכוח שבין זה של מבודד למוליך המשתמשים בכמויות קטנות של זיהומים, או כימיקלים שהוכנסו, בגלל כימיקלים שהוכנסו או שינויי טמפרטורה.
רכיבי לייזרים
על כל השימושים השונים שלהם, כל הלייזרים משתמשים בשני מרכיבים אלה של מקור אור בצורה של נוזל, נוזל או גז מוצקים אשר מפטרים אלקטרונים ומשהו כדי לעורר מקור זה. זה יכול להיות לייזר נוסף או פליטה ספונטנית של חומר הלייזר עצמו.
ישנם לייזרים המשתמשים במערכות שאיבה, שיטות להגברת האנרגיה של חלקיקים במדיום הלייזר המאפשרים להם להגיע למצבם הנרגש כדי להפוך היפוך אוכלוסין. ניתן להשתמש במנורת הבזק בגז בשאיבה אופטית המובילה אנרגיה לחומר הלייזר. במקרים בהם אנרגיית חומרי הלייזר נשענת על התנגשויות האטומים בתוך החומר, המערכת מכונה שאיבת התנגשות.
מרכיבי קרן הלייזר משתנים גם בכמה זמן לוקח להעביר אנרגיה. לייזרי גל רציפים משתמשים בכוח קרן ממוצעת יציב. במערכות הספק גבוהות יותר, בדרך כלל ניתן להתאים את ההספק, אולם, עם לייזרי גז נמוכים יותר כמו לייזרי הליום-ניאון, רמת ההספק קבועה על בסיס תוכן הגז.
לייזר הליום-ניאון
לייזר ההליום-ניאון היה מערכת הגלים הרציפה הראשונה וידוע כמפחית נורה אדומה. מבחינה היסטורית, הם השתמשו באותות תדרים רדיו כדי לרגש את החומר שלהם, אך בימינו הם משתמשים בפריקת זרם ישר ישיר בין אלקטרודות בצינור הלייזר.
כאשר האלקטרונים בהליום נרגשים הם מפנים אנרגיה לאטומי הניאון באמצעות התנגשויות היוצרים היפוך אוכלוסיה בקרב אטומי הניאון. לייזר הליום-ניאון יכול גם לתפקד באופן יציב בתדרים גבוהים. הוא משמש ליישור צינורות, מדידות ובקרני רנטגן.
ארגון, קריפטון וסינון יונים לייזרים
שלושה גזים אצילים, ארגון, קריפטון וקסנון, הראו שימוש ביישומי לייזר על פני עשרות תדרי לייזר החוצים אולטרה סגול לאינפרא אדום. אתה יכול גם לערבב את שלושת הגזים האחד עם השני כדי לייצר תדרים ופליטות ספציפיות. גזים אלה בצורתם היונית מאפשרים לאלקטרונים שלהם להתרגש על ידי התנגשות זה בזה עד שהם משיגים היפוך אוכלוסין.
עיצובים רבים של לייזרים מסוג זה יאפשרו לכם לבחור אורך גל מסוים לחלל שייפלט בכדי להשיג את התדרים הרצויים. מניפולציה של זוג המראות בתוך החלל יכולה גם לאפשר לכם לבודד תדרי אור יחידים. שלושת הגזים, ארגון, קריפטון וקסנון, מאפשרים לך לבחור מבין שילובים רבים של תדרי אור.
לייזרים אלה מייצרים תפוקות יציבות ביותר ואינן מייצרות חום רב. לייזרים אלה מראים את אותם העקרונות הכימיים והפיזיים המשמשים במגדלורים כמו גם מנורות חשמליות בהירות כמו סטרובוסקופים.
לייזרי פחמן דו חמצני
לייזרי פחמן דו חמצני הם היעילים והיעילים ביותר של לייזרי גל רציף. הם פועלים באמצעות זרם חשמלי בצינור פלזמה שיש בו גז פחמן דו חמצני. התנגשויות האלקטרונים מלהיבות את מולקולות הגז הללו שמפטרות אנרגיה. אתה יכול גם להוסיף חנקן, הליום, קסנון, פחמן דו חמצני ומים כדי לייצר תדרי לייזר שונים.
כשמסתכלים על סוגי הלייזר שעשויים לשמש באזורים שונים, תוכלו לקבוע אילו מהם יכולים ליצור כמויות גדולות של כוח מכיוון שיש להם קצב יעילות גבוה, כך שהם משתמשים בחלק ניכר מהאנרגיה הניתנת להם מבלי לתת הרבה לך לבזבז. בעוד שללייזרי הליום-ניאון הם בעלי יעילות של פחות מ -1%, השיעור של לייזרי פחמן דו חמצני הוא בערך 30 אחוז, פי 300 מזה של לייזרי הליום-ניאון. למרות זאת, לייזרי פחמן דו חמצני זקוקים לציפוי מיוחד, בניגוד לייזרי הליום-ניאון, כדי לשקף או להעביר את התדרים המתאימים להם.
לייזרים אקסימרים
לייזרי אקסימטר משתמשים באור אולטרה סגול (UV) שכאשר הומצא לראשונה בשנת 1975, ניסה ליצור קרן לייזרים ממוקדת לדיוק במיקרו-כירורגיה ובמיקרוליטוגרפיה תעשייתית. שמם בא מהמונח "דימר נרגש" בו דימר הוא תוצר של שילובי גז שמתרגשים באופן חשמלי עם תצורת רמת אנרגיה היוצרת תדרי אור ספציפיים בטווח ה- UV של הספקטרום האלקטרומגנטי.
בלייזרים אלה משתמשים בגזים תגוביים כמו כלור ופלואור לצד כמויות של גזים אציליים ארגון, קריפטון וקסנון. רופאים וחוקרים עדיין בוחנים את השימושים שלהם ביישומים כירורגיים בהתחשב באיזו עוצמה ויעילות הם יכולים לשמש ליישומי לייזר לניתוח עיניים. לייזרים של אקסימטר אמנם אינם מייצרים חום בקרנית העין, אך האנרגיה שלהם יכולה לשבור קשרים בין-מולקולריים ברקמת הקרנית בתהליך המכונה "פירוק פוטו-אפטיבי" מבלי לגרום נזק מיותר לעין.