LASER | Ορισμός | Λειτουργεί | 4 Σημαντικές εφαρμογές

ΛΕΪΖΕΡ

Περιεχόμενα

Τι είναι το λέιζερ;

Το LASER σημαίνει "ενίσχυση φωτός με διέγερση εκπομπής ακτινοβολίας«, Είναι ένα όργανο στο οποίο το φως εκπέμπεται από τη διαδικασία οπτικής ενίσχυσης μέσω διεγερμένης εκπομπής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το πρώτο λέιζερ εφευρέθηκε και σχεδιάστηκε από τον Theodore Maiman το έτος 1960. Ο σχεδιασμός αυτού του οργάνου επηρεάστηκε από τα θεωρητικά έργα των Charles Hard Townes και Arthur Leonard Schawlow και το φως που εκπέμπεται από ένα λέιζερ είναι συνεκτικό στη φύση, δηλαδή η φάση- η διαφορά είναι επίσης σταθερή. Αυτή η συσκευή χρησιμοποιείται για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στον τομέα της ιατρικής, της έρευνας, της κατασκευής, του στρατού κ.λπ.

λέιζερ
Πηγή εικόνας: 彭家杰Μονάδα λέιζερCC BY-SA 3.0

Τι είναι η διεγερμένη εκπομπή?

Ένα ηλεκτρόνιο που καταλαμβάνει μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας απορροφά κάποια εξωτερική ενέργεια που υπάρχει με τη μορφή φωτός (φωτόνια) ή θερμότητας (φωνόνια) για να καταλάβει μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση και αυτή η ηλεκτρονική μετάβαση από μια κατάσταση σε άλλη είναι δυνατή μόνο όταν οι ενέργειες του φωτονίου ή του φωνονίου είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ αυτών των 2 καταστάσεων. Επομένως, αυτά τα ηλεκτρόνια ή άτομα είναι ικανά να απορροφούν μόνο μια συγκεκριμένη συχνότητα φωτός για μετάβαση.

Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να παραμείνουν στην υψηλότερη διεγερμένη κατάσταση για πάντα. Τείνουν να επιστρέψουν στην κατάσταση του εδάφους τους. Αυτά τα ηλεκτρόνια μερικές φορές επηρεάζονται εξωτερικά για να πέσουν από μια κατάσταση υψηλότερης διέγερσης σε μια κατάσταση χαμηλότερης διέγερσης ή κατάστασης γείωσης. Το φωτόνιο που εκπέμπεται μετά τη μετάβαση υψηλού-χαμηλού ταιριάζει με το φωτονίο που παρέχεται εξωτερικά ως προς την κατεύθυνση, τη φάση και το μήκος κύματος. Αυτή η διαδικασία απελευθέρωσης φωτονίων αναφέρεται ως διεγερμένη εκπομπή και αποτελεί τη βάση της εργασίας με λέιζερ.

Για διεγερμένη εκπομπή, η πρώτη απαίτηση είναι να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια ή τα άτομα με τη βοήθεια μέσου κέρδους, επειδή σε ένα κανονικό μέσο το αριθ. Ατόμων στην κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας είναι μεγαλύτερο από ό, τι στις καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας στην κατάσταση θερμικής ισορροπίας Ως εκ τούτου, ο ρυθμός απορρόφησης υπερβαίνει τον ρυθμό διέγερσης εκπομπών σε κανονικά μέσα.

Επίδειξη διεγερμένων εκπομπών, Πηγή εικόνας: V1adis1av συνεισφορές), Διεγερμένη εκπομπήCC BY-SA 4.0

Τι είναι το Maser;

MASER ή «Ενίσχυση μικροκυμάτων με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας«, Είναι μια συσκευή στην οποία συνεκτικές ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές μικροκυμάτων δημιουργούνται με ενίσχυση μέσω διεγερμένης εκπομπής. Ο Maser εφευρέθηκε στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια, το 1953 από τους επιστήμονες James P. Gordon, Charles H. Townes και Herbert J. Zeiger. Οι Masers έχουν τις εφαρμογές τους σε συσκευές όπως ατομικά ρολόγια και ραδιοτηλεσκόπια. Οι Masers μπορούν επίσης να παράγουν ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες που ανήκουν στο εύρος του ραδιοφώνου και των υπερύθρων.

Απαλλαγή ραδιοσυχνοτήτων υδρογόνου σε υδρογόνο. Πηγή εικόνας: Ευγένεια NASA/JPL-Caltech
Υδρογόνο

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ λέιζερ και μασέρ;

Laser έναντι Maser

ΛΕΪΖΕΡΜΑΣΕΡ
Αυτό το όργανο παράγει συνεκτική ηλεκτρομαγνητική εκπομπή σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (κυρίως η ορατή, υπεριώδης και υπεριώδης συχνότητα).Το Maser παράγει συνεκτική ηλεκτρομαγνητική εκπομπή με συχνότητα στο φάσμα μικροκυμάτων και ραδιοσυχνοτήτων.
Αυτό το όργανο χρησιμοποιείται για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών στον τομέα της ιατρικής, της έρευνας, της βιομηχανίας, του στρατού κ.λπ.Αυτό το όργανο χρησιμοποιείται κυρίως για επικοινωνία μικροκυμάτων και σε πολλά αστρονομικά όργανα.
Αυτό το όργανο λειτουργεί συνήθως από συναρπαστικά άτομα ηλίου, νέον, διοξειδίου του άνθρακα κ.λπ.Αυτό το όργανο λειτουργεί συνήθως από συναρπαστικά άτομα αμμωνίας, υδρογόνου κ.λπ.

Τι είναι ένα ενισχυτικό μέσο;

Στα λέιζερ, το μέσο ενίσχυσης ή το οπτικό μέσο κέρδους είναι ένα υλικό που ενισχύει την ισχύ της παραγόμενης δέσμης φωτός. Το μέσο κέρδους αντισταθμίζει την απώλεια ισχύος λόγω του αντηχείου. Το μέσο κέρδους ενισχύει το φως καταλαμβάνοντας ενέργεια μέσω της διαδικασίας ηλεκτρικής άντλησης (ή κατά καιρούς οπτικής άντλησης). Το μέσο κέρδους μπορεί να είναι διαφόρων τύπων, όπως Nd: YAG (γρανίτης αλουμινίου με προσθήκη νεοδυμίου Λέιζερ YAG) μέσο, ​​Yb: YAG (Ytterbium-doped YAG) medium, gallium arsenide, gallium nitride, or indium gallium arsenide semiconductor medium, ceramic gain medium, optic fiber medium, etc.

Πώς λειτουργεί ένα λέιζερ;

Γενικά, αυτά τα όργανα περιέχουν ένα μέσο κέρδους ή ενίσχυσης, έναν μηχανισμό άντλησης και ένα σύστημα παροχής οπτικής ανάδρασης. Τα λέιζερ λειτουργούν με βάση την αρχή της φωτοηλεκτρικής απορρόφησης και της διεγερμένης εκπομπής. Αυτά τα όργανα έχουν ένα μέσο κέρδους που μπορεί να είναι ένα στερεό, υγρό ή αέριο υλικό. Αυτό το μέσο λαμβάνει την εξωτερική ενέργεια και την κατευθύνει προς τα άτομα ή τα ηλεκτρόνια για να τα διεγείρουν στις υψηλότερες ενεργειακές τους καταστάσεις και αυτό το υλικό μπορεί να ρυθμιστεί ως προς το σχήμα και το μέγεθος, τη συγκέντρωση και την καθαρότητα.

Η αναστροφή πληθυσμού αναφέρεται στην κατάσταση όπου το αριθ. Σωματιδίων που υπάρχει σε μια υψηλότερη διεγερμένη κατάσταση δεν έχει υπερβεί το αριθμό των σωματιδίων που υπάρχουν στην κατάσταση χαμηλότερης διέγερσης. Σε αυτήν την κατάσταση, οι ρυθμοί εκπομπής διεγερμένων φωτονίων θα υπερβούν τον ρυθμό ενέργειας που απορροφάται από το ηλεκτρόνιο. Επομένως, η δέσμη φωτός που εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίων ενισχύεται.

Μια οπτική κοιλότητα υπάρχει μέσα στη συσκευή. Είναι κυρίως ένα ζεύγος καθρεπτών (που ονομάζονται επίσης ζεύκτες εξόδου) που υπάρχουν σε κάθε πλευρά του μέσου κέρδους για να κάνουν την ακτίνα φωτός να αναπηδά εμπρός-πίσω μέσω του μέσου που ενισχύεται κάθε φορά που χτυπά τον καθρέφτη και ένας από τους δύο καθρέφτες είναι μερικώς διαφανές επιτρέποντας να διαφύγει κάποιο φως μέσα από αυτό και εάν οι καθρέπτες που υπάρχουν είναι καμπυλωμένοι τότε το φως βγαίνει με τη μορφή στενής δέσμης και εάν οι καθρέπτες είναι επίπεδοι τότε η φωτεινή δέσμη απλώνεται.

Περιγραφές συστατικών. : 1. Το Gainmedium. 2. Η ενέργεια άντλησης. 3. Ο υψηλός ανακλαστήρας. 4. Ζεύκτης O / P. 5. Η ακτίνα φωτός.
Πηγή εικόνας. Χρήστης: TatouteΛέιζερCC BY-SA 3.0

Ποιοι είναι οι δύο τρόποι λειτουργίας ενός λέιζερ;

Η συνεκτική δέσμη φωτός μπορεί να δημιουργηθεί είτε σε παλμική λειτουργία είτε σε συνεχή λειτουργία.

Λειτουργία παλμού λειτουργίας λέιζερ:

Σε παλμική λειτουργία, η οπτική ισχύς ακολουθεί το μοτίβο ενός παλμού και έχει ρυθμό επανάληψης με βάση μια συγκεκριμένη διάρκεια του χρόνου. Η παλμική λειτουργία χρησιμοποιείται για την παραγωγή παλμών υψηλής ισχύος μειώνοντας τον ρυθμό παλμών. Η διαδικασία αφαίρεσης και διάτρησης που απαιτούσε έξοδοι υψηλής ισχύος χρησιμοποιούσε συχνά παλμική λειτουργία σε μέγιστη ισχύ παλμού. Οι διεργασίες που απαιτούν την εφαρμογή μη γραμμικών οπτικών εφέ χρησιμοποιούν την παλμική λειτουργία στηριζόμενη στη μέγιστη ισχύ παλμού ή ενέργεια. Μερικές φορές δεν μπορεί να επιτευχθεί ενίσχυση σε συνεχή λειτουργία, επομένως χρησιμοποιείται η παλμική λειτουργία.

Συνεχής λειτουργία λειτουργίας λέιζερ:

Σε συνεχή λειτουργία, η ισχύς εξόδου παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας, η διακύμανση της συχνότητας είναι αμελητέα και δεν επηρεάζει την εφαρμογή της επένδυσης. Αυτός ο τρόπος απαιτεί μια σταθερή πηγή αντλίας έτσι ώστε να μπορεί να επιτευχθεί αναστροφή πληθυσμού του μέσου ενίσχυσης. Η συνεχής άντληση των λέιζερ σε υψηλά επίπεδα ισχύος ενδέχεται να προκαλέσει ζημιά στο λέιζερ λόγω υπερβολικής θέρμανσης. Για το λόγο αυτό, η συνεχής λειτουργία έχει περιορισμένο επίπεδο εξόδου ισχύος. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται κυρίως για πειραματικούς και ιατρικούς σκοπούς.

Ποιες είναι οι εφαρμογές των λέιζερ;

Εφαρμογές λέιζερ

Στρατιωτικές εφαρμογές λέιζερ

Διάφοροι τύποι λέιζερ όπως λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα που λειτουργούν και εκπέμπουν υπέρυθρο φως χρησιμοποιούνται για πολλές στρατιωτικές εφαρμογές. Η ατμόσφαιρα της γης είναι συγκριτικά πιο διαφανής στις υπέρυθρες ακτίνες φωτός. Λόγω αυτού του λόγου, τέτοια λέιζερ αποδεικνύονται αποτελεσματικά για στρατιωτική εύρεση εύρους χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως LIDAR (ανίχνευση φωτός και εύρος) Η δέσμη λέιζερ παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις αποστάσεις του παρατηρητή και τη θέση στόχου.

Ιατρικές εφαρμογές λέιζερ

IR Laser, Excimer Laser που χρησιμοποιούνται στον ιατρικό τομέα.

Βιομηχανικές εφαρμογές (κοπή και συγκόλληση) λέιζερ

Τα λέιζερ παρέχουν δοκούς υψηλής ισχύος που μπορούν να είναι αποτελεσματικές για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές όπως διαδικασία συγκόλλησης, διαδικασία χάραξης, διαδικασία κοπής και τρυπανιών, προετοιμασία επένδυσης και κοπή με λέιζερ για σκληρή μέταλλο ή διαδικασία κοπής γυαλιού κ.λπ. Σήμερα, αυτά τα όργανα χρησιμοποιούνται επίσης για καθαρισμός επιφανειών που περιλαμβάνει την εξάλειψη των ακαθαρσιών και των ρύπων από την επιφάνεια ενός υλικού. Η συνεργασία2 χρησιμοποιούνται για χάραξη υλικών και αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται επίσης στις επιλεκτικές διαδικασίες κατασκευής SLS ή Selective laser sintering.

Ερευνητικές εφαρμογές λέιζερ

Η διαδικασία SILEX (Διαχωρισμός ισότοπου με διέγερση με λέιζερ) που χρησιμοποιείται για τον εμπλουτισμό ουρανίου περιλαμβάνει επίσης IR λέιζερ, πολλές άλλες σημαντικές εφαρμογές όπως η κατασκευή μικρορευστικών συσκευών περιλαμβάνει επίσης τη χρήση αυτών των οργάνων καθώς το κοινό πλαστικό πολυ (μεθακρυλικό μεθύλιο) είναι ένα καλό απορροφητικό των κυμάτων IR.

Για να μάθετε περισσότερα για το λέιζερ επισκεφθείτε εδώ

Σχετικά με το Sanchari Chakraborty

Είμαι πρόθυμος μαθητευόμενος, επί του παρόντος επενδύω στον τομέα της Εφαρμοσμένης Οπτικής και της Φωτονικής. Είμαι επίσης ενεργό μέλος του SPIE (Διεθνής Εταιρεία Οπτικής και Φωτονικής) και του OSI (Optical Society of India). Τα άρθρα μου έχουν ως στόχο να φέρουν στο φως ποιοτικά επιστημονικά ερευνητικά θέματα με απλό αλλά ενημερωτικό τρόπο. Η επιστήμη εξελίσσεται από αμνημονεύτων χρόνων. Γι 'αυτό, προσπαθώ να αξιοποιήσω την εξέλιξη και να το παρουσιάσω στους αναγνώστες.

Ας συνδεθούμε μέσω https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Αφήστε ένα σχόλιο

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Lambda Geeks