İçerik
- Lazer tanımı
- Lazer Kirişleri Nasıl Yapılır?
- Nüfus İnversiyonu
- Lazer prensibi
- Lazer Türlerini Sınıflandırma
- Lazerler Bileşenleri
- Helyum-neon lazeri
- Argon, Kripton ve Xenon İyon Lazerleri
- Karbondioksit Lazerler
- Excimer Lazerler
Işığın gücünü lazerlerden geçirerek, lazerleri çeşitli amaçlar için kullanabilir ve onları çalıştıran temel fizik ve kimyayı inceleyerek daha iyi anlayabilirsiniz.
Genel olarak, bir lazer, katı, sıvı veya gaz gibi bir lazer malzemesi tarafından üretilir, ışık şeklinde radyasyon yayar. "Uyarılmış radyasyon emisyonu ile ışık amplifikasyonu" için bir kısaltma olarak uyarılmış emisyon yöntemi, lazerlerin diğer elektromanyetik radyasyon kaynaklarından ne kadar farklı olduğunu gösterir. Bu ışığın frekanslarının nasıl ortaya çıktığını bilmek, çeşitli kullanım potansiyellerini kullanmanıza izin verebilir.
Lazer tanımı
Lazerler, elektromanyetik radyasyon yayan elektronları aktive eden bir cihaz olarak tanımlanabilir. Bu lazer tanımı radyasyonun, elektromanyetik spektrumda radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar her türlü şekli alabileceği anlamına gelir.
Genel olarak, lazerlerin ışığı dar bir yol boyunca ilerler, ancak geniş bir yayılan dalga yelpazesine sahip lazerler de mümkündür. Bu lazer nosyonları sayesinde onları deniz kıyısındaki okyanus dalgaları gibi dalgalar olarak düşünebilirsiniz.
Bilim adamları, lazerleri tutarlılık açısından tanımladılar, iki sinyal arasındaki faz farkının adımda olup olmadığını ve aynı frekans ve dalga formuna sahip olup olmadığını açıklayan bir özellik. Lazerleri tepeler, vadiler ve çukurlu dalgalar olarak hayal ederseniz, faz farkı, bir dalganın bir diğeriyle ne kadar senkronize olamayacağı ya da iki dalganın üst üste binmekten ne kadar uzakta olacağı olacaktır.
Işığın frekansı, bir saniyedeki belirli bir noktadan kaç tane dalga tepe noktasının geçtiği ve dalga boyu, tek bir dalganın yalaktan yalaktan ya da zirveden zirveye kadar olan uzunluğu boyuncadır.
Fotonlar, bireyler enerji parçacıklarını kuantum eder, bir lazerin elektromanyetik radyasyonunu oluşturur. Bu niceliklendirilmiş paketler, bir lazer ışığının her zaman tek bir fotonun enerjisinin bir katı olarak enerjiye sahip olduğu ve bu kuantum "paketlerinde" geldiği anlamına gelir. Elektromanyetik dalgaları parçacık benzeri yapan şey budur.
Lazer Kirişleri Nasıl Yapılır?
Optik boşluklar gibi birçok cihaz tipi lazer yayar. Bunlar elektromanyetik radyasyon yayan bir malzemeden ışığı kendisine yansıtan odacıklardır. Genellikle iki aynadan oluşurlar, malzemenin her bir ucunda birer ışık yansıtırken ışık ışınları daha da güçlenir. Bu yükseltilmiş sinyaller, lazer boşluğunun ucundaki saydam bir mercekten çıkar.
Akım sağlayan harici bir batarya gibi bir enerji kaynağının varlığında, elektromanyetik radyasyon yayan malzeme, çeşitli enerji durumlarında lazerin ışığını yayar. Bu enerji seviyeleri veya kuantum seviyeleri, kaynak malzemenin kendisine bağlıdır. Malzemedeki elektronların daha yüksek enerji durumlarının kararsız olmaları veya uyarılma durumlarında olma olasılıkları daha yüksektir ve lazer bunları ışıklarından yayar.
Bir el fenerinden gelen ışık gibi diğer ışıkların aksine, lazerler periyodik adımlarla kendisiyle birlikte ışık verir. Bu, bir lazerin her bir dalgasının tepe noktası ve çukuru, ışıklarını tutarlı hale getirmeden önce ve sonra gelen dalgalarla aynı hizadadır.
Lazerler, bu şekilde elektromanyetik spektrumun belirli frekanslarını aydınlatacak şekilde tasarlanmıştır. Çoğu durumda, bu ışık, lazerlerin kesin frekanslarda yaydığı dar, kesikli ışınlar şeklini alır, ancak bazı lazerler geniş ve sürekli ışık aralıkları verir.
Nüfus İnversiyonu
Oluşabilecek harici bir enerji kaynağı ile çalışan lazerin bir özelliği de popülasyon inversiyonudur. Bu, uyarılmış bir emisyon şeklidir ve heyecanlı bir durumda bulunan parçacıkların sayısının, düşük seviyeli bir enerji durumunda olanlara göre daha fazla olması durumunda meydana gelir.
Lazer popülasyon inversiyonuna ulaştığında, ışığın oluşturabileceği bu uyarılmış emisyonun miktarı aynalardan emilim miktarından daha büyük olacaktır. Bu, optik bir amplifikatör yaratır ve birini bir rezonans optik boşluğun içine yerleştirirseniz, bir lazer osilatörü yarattınız.
Lazer prensibi
Bu heyecan verici ve yayıcı elektron yöntemleri, birçok kullanımda bulunan bir lazer prensibi olan enerji kaynağı olan lazerlerin temelini oluşturur. Elektronların işgal edebileceği niceliksel seviyeler, serbest bırakılması için fazla enerji gerektirmeyen düşük enerjili olanlardan ve çekirdeğe yakın ve sıkı kalan yüksek enerji parçacıkları arasında değişmektedir. Elektron, birbirleriyle doğru oryantasyon ve enerji seviyesinde çarpışan atomlar nedeniyle serbest kaldığında, bu kendiliğinden emisyondur.
Kendiliğinden emisyon meydana geldiğinde, atom tarafından yayılan fotonun rastgele faz ve yönü vardır. Bunun nedeni Belirsizlik İlkesinin bilim adamlarının bir parçacığın hem konumunu hem de momentumunu mükemmel bir hassasiyetle bilmelerini engellemesidir. Parçacıkların pozisyonları hakkında ne kadar fazla şey bilirseniz, momentumu hakkında o kadar az şey bilirsiniz ve bunun tersi de geçerlidir.
Planck denklemini kullanarak bu emisyonların enerjisini hesaplayabilirsiniz. E = hν enerji için E joule içinde, frekans ν s elektronun-1 ve Plancks sabiti h = 6.63 × 10-34 m2 kg / sn Bir fotonun bir atomdan salınırken sahip olduğu enerji, aynı zamanda enerjideki bir değişiklik olarak da hesaplanabilir. Enerjideki bu değişim ile ilişkili frekansı bulmak için, ν Bu emisyonun enerji değerlerini kullanarak.
Lazer Türlerini Sınıflandırma
Lazerler için geniş kullanım alanları göz önüne alındığında, lazerler amaçlara, ışığa ve hatta lazerlerin malzemelerine göre sınıflandırılabilir. Bunları kategorize etmenin bir yolu olarak, lazerlerin tüm bu boyutlarını hesaba katması gerekir. Onları gruplamanın bir yolu, kullandıkları ışığın dalga boyu.
Bir lazer elektromanyetik radyasyonun dalga boyu, kullandıkları enerjinin frekansını ve gücünü belirler. Daha büyük bir dalga boyu, daha az miktarda enerji ve daha küçük bir frekansla ilişkilidir. Buna karşılık, daha büyük bir ışık huzmesi frekansı, daha fazla enerjiye sahip olduğu anlamına gelir.
Lazerleri lazer malzemesinin doğasına göre de gruplandırabilirsiniz. Katı hal lazerleri, bu lazer türleri için neodim iyonlarını barındıran Yttrium Aluminium Garnet kristalinde kullanılan neodimyum gibi katı bir atom matrisi kullanır. Gaz lazerleri, kırmızı renk yaratan helyum ve neon gibi bir tüpte gaz karışımı kullanır. Boya lazerleri organik boya malzemeleri tarafından sıvı çözeltilerde veya süspansiyonlarda oluşturulur
Boya lazerleri, genellikle sıvı çözeltide veya süspansiyonda karmaşık bir organik boya olan bir lazer ortamı kullanır. Yarı iletken lazerler, daha büyük dizilere yerleştirilebilecek iki katman yarı iletken malzeme kullanır. Yarı iletkenler, yalıtkanın gücü ile az miktarda yabancı madde kullanan veya iletken kimyasallar veya sıcaklıklardaki değişiklikler nedeniyle kullanılan kimyasallar arasındaki gücü kullanarak elektrik ileten malzemelerdir.
Lazerler Bileşenleri
Tüm farklı kullanımları için, tüm lazerler ışık kaynağının bu iki bileşenini elektronları açığa çıkaran katı, sıvı veya gaz formunda ve bu kaynağı uyarmak için bir şey kullanırlar. Bu, başka bir lazer veya lazer malzemesinin kendisinin kendiliğinden yayılması olabilir.
Bazı lazerler pompalama sistemleri kullanır, lazer ortamındaki parçacıkların enerjisini artırma yöntemleri kullanarak popülasyon inversiyonu yapmak için heyecanlı durumlarına ulaşmalarını sağlar. Optik pompada, lazer malzemesine enerji taşıyan bir gaz flaş lambası kullanılabilir. Lazer malzemeleri enerjisinin, malzeme içindeki atomların çarpışmasına dayanması durumunda, sistem çarpışma pompalaması olarak adlandırılır.
Bir lazer ışınının bileşenleri aynı zamanda enerji iletmek için harcadıkları süreye de göre değişir. Sürekli dalga lazerleri, sabit bir ortalama ışın gücü kullanır. Daha yüksek güç sistemlerinde, genellikle gücü ayarlayabilirsiniz, ancak helyum-neon lazerler gibi daha düşük güçlü gaz lazerleriyle güç seviyesi, gazın içeriğine bağlı olarak sabitlenir.
Helyum-neon lazeri
Helyum-neon lazer ilk sürekli dalga sistemiydi ve kırmızı ışık yaydığı bilinmektedir. Tarihsel olarak, materyallerini uyarmak için radyo frekansı sinyalleri kullandılar, ancak günümüzde lazer tüpündeki elektrotlar arasında küçük bir doğru akım deşarjı kullanıyorlar.
Helyumdaki elektronlar uyarıldığında, neon atomları arasında bir popülasyon inversiyonu yaratan çarpışmalar yoluyla neon atomlarına enerji verirler. Helyum-neon lazer aynı zamanda yüksek frekanslarda kararlı bir şekilde çalışabilir. Boru hatlarının hizalanmasında, ölçülmesinde ve X ışınlarında kullanılır.
Argon, Kripton ve Xenon İyon Lazerleri
Üç asil gaz, argon, kripton ve ksenon, ultraviyole ile infrared'e yayılan düzinelerce lazer frekansındaki lazer uygulamalarında kullanıldığını göstermiştir. Belirli üç frekansı ve emisyonu üretmek için bu üç gazı da birbirleriyle karıştırabilirsiniz. İyonik formlarındaki bu gazlar, popülasyon inversiyonu elde edinceye kadar birbirleriyle çarpışarak elektronlarının heyecanlanmasına izin verir.
Bu tür lazerlerin birçok tasarımı, istenen frekansları elde etmek için boşluğun yayması için belirli bir dalga boyu seçmenize izin verecektir. Boşluk içindeki ayna çiftini değiştirmek, tekil ışık frekanslarını izole etmenize de izin verebilir. Üç gaz, argon, kripton ve xenon, birçok ışık frekansı kombinasyonundan seçim yapmanızı sağlar.
Bu lazerler oldukça kararlı ve fazla ısı üretmeyen çıkışlar üretir. Bu lazerler, fenerlerde kullanılan stroboskoplar gibi parlak, elektrik lambalarında kullanılan kimyasal ve fiziksel prensipleri göstermektedir.
Karbondioksit Lazerler
Karbondioksit lazerleri, sürekli dalga lazerlerinin en verimli ve etkili olanıdır. Karbondioksit gazı olan bir plazma tüpünde elektrik akımı kullanarak çalışırlar. Elektron çarpışmaları daha sonra enerji yayan bu gaz moleküllerini harekete geçirir. Farklı lazer frekansları üretmek için azot, helyum, ksenon, karbondioksit ve su da ekleyebilirsiniz.
Farklı alanlarda kullanılabilecek bir lazerin tiplerine bakarken, hangilerinin büyük miktarda güç yaratabileceğini belirleyebilirsiniz, çünkü yüksek bir verim oranına sahip olurlar, çok fazla izin vermeden kendilerine verilen enerjinin önemli bir bölümünü kullanırlar. boşa gitmek. Helyum-neon lazerleri% 0.1'den daha düşük bir verimlilik oranına sahipken, karbondioksit lazerleri oranı yaklaşık% 30, helyum-neon lazerlerinin 300 katıdır. Buna rağmen, karbondioksit lazerleri, uygun frekanslarını yansıtmak veya iletmek için helyum-neon lazerlerin aksine özel bir kaplamaya ihtiyaç duyarlar.
Excimer Lazerler
Excimer lazerler, 1975 yılında ilk icat edildiğinde, mikrocerrahi ve endüstriyel mikrolithografide hassaslık için odaklanmış bir lazer ışını oluşturmaya çalışan ultraviyole (UV) ışık kullanır. İsimleri, bir dimerin elektromanyetik spektrumun UV aralığında belirli ışık frekansları yaratan bir enerji seviyesi konfigürasyonuyla elektriksel olarak uyarılan gaz kombinasyonlarının ürünü olduğu "uyarılmış dimer" teriminden gelir.
Bu lazerler, argon, kripton ve ksenon gibi soy gazlarla birlikte klor ve flor gibi reaktif gazlar kullanır. Doktorlar ve araştırmacılar, göz ameliyatı lazer uygulamalarında ne kadar güçlü ve etkili kullanılabileceği göz önüne alındığında, cerrahi uygulamalardaki kullanımlarını araştırıyorlar. Eksimer lazerler korneada ısı üretmez, ancak enerjileri, göze gereksiz yere zarar vermeden "fotoablatif ayrışma" adı verilen bir işlemde kornea dokusundaki moleküller arası bağları kırabilir.