Utöver laser -taggen, du kan hitta lasrar i vardagliga föremål som CD -spelare eller till och med tandborren. RichLegg/Getty Images "Stjärnornas krig, "" Star Trek, "" Battlestar Galactica " - laserteknik spelar en avgörande roll i science fiction -filmer och böcker. Det är utan tvekan tack vare den här typen av berättelser som vi nu förknippar lasrar med futuristisk krigföring och snygga rymdskepp.
Men lasrar spelar en avgörande roll i våra vardagsliv, för. Faktum är att, de dyker upp i ett fantastiskt utbud av produkter och tekniker. Du hittar dem i allt från CD-spelare till tandborrar till höghastighetsmetallskärmaskiner till mätsystem. Ta bort tatueringar, hårbyte, ögonoperation - de använder alla lasrar. Men vad är en laser? Vad skiljer en laserstråle från en ficklampa? Specifikt, vad skiljer ett laserljus från andra typer av ljus? Hur klassificeras lasrar?
I den här artikeln, du lär dig allt om de olika typerna av lasrar, deras olika våglängder och de användningsområden som vi använder dem. Men först, låt oss börja med grunderna i laserteknik:gå till nästa sida för att ta reda på grunderna i en atom.
Innehåll
En atom, i den enklaste modellen, består av en kärna och kretsande elektroner. HSW Det finns bara cirka 100 olika sorters atomer i hela universum. Allt vi ser består av dessa 100 atomer i ett obegränsat antal kombinationer. Hur dessa atomer är ordnade och sammanbundna avgör om atomerna utgör en kopp vatten, en bit metall, eller fizz som kommer ur din läskburk!
Atomer rör sig ständigt. De vibrerar kontinuerligt, flytta och rotera. Till och med atomerna som utgör stolarna som vi sitter i rör sig. Fasta ämnen är faktiskt i rörelse! Atomer kan vara olika tillstånd av excitation . Med andra ord, de kan ha olika energier. Om vi applicerar mycket energi på en atom, det kan lämna det som kallas markstatens energinivå och gå till en upphetsad nivå. Excitationsnivån beror på mängden energi som appliceras på atomen via värme, ljus, eller el.
Ovan är en klassisk tolkning av hur atomen ser ut.
Denna enkla atom består av en kärnan (som innehåller protoner och neutroner) och en elektronmoln. Det är bra att tänka på elektronerna i detta moln som cirkulerar runt kärnan i många olika banor.
Absorption av energi:En atom absorberar energi i form av värme, ljus, eller el. Elektroner kan röra sig från en bana med lägre energi till en bana med högre energi. Tänk på illustrationen från föregående sida. Även om mer moderna åsikter om atomen inte skildrar diskreta banor för elektronerna, det kan vara användbart att tänka på dessa banor som atomens olika energinivåer. Med andra ord, om vi tillför lite värme till en atom, vi kan förvänta oss att några av elektronerna i orbitalerna med lägre energi skulle övergå till orbitaler med högre energi längre bort från kärnan.
Detta är en mycket förenklad syn på saker, men det speglar faktiskt kärnidén om hur atomer fungerar när det gäller lasrar.
När en elektron rör sig till en bana med högre energi, den vill så småningom återgå till grundstaten. När det gör det, det släpper ut sin energi som en foton - en ljuspartikel. Du ser atomer som släpper ut energi som fotoner hela tiden. Till exempel, när värmeelementet i en brödrost blir knallrött, den röda färgen orsakas av atomer, upphetsad av värme, släpper ut röda fotoner. När du ser en bild på en TV -skärm, det du ser är fosforatomer, upphetsad av höghastighetselektroner, avger olika färger av ljus. Allt som producerar ljus - lysrör, gaslyktor, glödlampor - gör det genom att elektroner förändrar banor och släpper ut fotoner.
A laser är en enhet som styr hur energierade atomer släpper ut fotoner. "Laser" är en förkortning för Ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning , som beskriver mycket kortfattat hur en laser fungerar.
Även om det finns många typer av lasrar, alla har vissa viktiga funktioner. I en laser, lasermediet "pumpas" för att få atomerna i ett upphetsat tillstånd. Vanligtvis, mycket intensiva ljusglimtar eller elektriska urladdningar pumpar lasermediet och skapar en stor samling atomer med exciterat tillstånd (atomer med elektroner med högre energi). Det är nödvändigt att ha en stor samling atomer i exciterat tillstånd för att lasern ska fungera effektivt. I allmänhet, atomerna är upphetsade till en nivå som är två eller tre nivåer över marken. Detta ökar graden av befolkningsinversion . Befolkningsinversionen är antalet atomer i exciterat tillstånd kontra antalet i marktillstånd.
När lasermediet är pumpat, den innehåller en samling atomer med några elektroner som sitter i upphetsade nivåer. De upphetsade elektronerna har energier som är större än de mer avslappnade elektronerna. Precis som elektronen absorberade en viss mängd energi för att nå denna upphetsade nivå, det kan också frigöra denna energi. Som bilden nedan illustrerar, elektronen kan helt enkelt slappna av, och i sin tur bli av med lite energi. Detta avgav energi kommer i form av fotoner (ljusenergi). Den avgivna foton har en mycket specifik våglängd (färg) som beror på tillståndet för elektronens energi när foton frigörs. Två identiska atomer med elektroner i identiska tillstånd kommer att frigöra fotoner med identiska våglängder.
Laserljus skiljer sig mycket från det normala och har följande egenskaper:
För att få dessa tre egenskaper att inträffa krävs något som kallas stimulerad utsläpp . Detta förekommer inte i din vanliga ficklampa - i en ficklampa, alla atomer släpper ut sina fotoner slumpmässigt. Vid stimulerad utsläpp, fotonemission är organiserad.
Fotonen som någon atom frigör har en viss våglängd som är beroende av energiskillnaden mellan det exciterade tillståndet och grundtillståndet. Om denna foton (som har en viss energi och fas) skulle stöta på en annan atom som har en elektron i samma exciterade tillstånd, stimulerat utsläpp kan förekomma. Den första foton kan stimulera eller inducera atomemission så att den efterföljande fotonen (från den andra atomen) vibrerar med samma frekvens och riktning som den inkommande fotonen.
Den andra nyckeln till en laser är ett par speglar , en i varje ände av lasermediet. Fotoner, med en mycket specifik våglängd och fas, reflektera av speglarna för att resa fram och tillbaka genom lasermediet. I processen, de stimulerar andra elektroner att få den nedåtgående energin att hoppa och kan orsaka utsläpp av fler fotoner med samma våglängd och fas. En kaskadeffekt uppstår, och snart har vi spridit många, många fotoner med samma våglängd och fas. Spegeln i laserns ena ände är "halvsilverad, "vilket betyder att det reflekterar lite ljus och släpper igenom lite ljus. Ljuset som tar sig igenom är laserljuset.
Du kan se alla dessa komponenter i figurerna på följande sida, som illustrerar hur enkelt rubinlaser Arbetar.
En rubinlaser består av ett blixtrör (som du skulle ha på en kamera), en rubinstav och två speglar (en halvsilverad). Rubinstången är lasermediet och flashröret pumpar det.
2. Blixtröret avfyrar och injicerar ljus i rubinstången. Ljuset väcker atomer i rubinen. Hur saker fungerar 
3. Några av dessa atomer avger fotoner. Hur saker fungerar 
4. Några av dessa fotoner går i en riktning parallell med rubinens axel, så de studsar fram och tillbaka av speglarna. När de passerar genom kristallen, de stimulerar utsläpp i andra atomer. Hur saker fungerar 
5. Monokromatisk, en fas, kolonniserat ljus lämnar rubinen genom den halvsilvrade spegeln-laserljus! Hur saker fungerar
Här är vad som händer i verkligheten, laser på tre nivåer.
Hur saker fungerar I nästa avsnitt, du kommer att lära dig om de olika typerna av lasrar.
Det finns många olika typer av lasrar. Lasermediet kan vara ett fast, gas, vätska eller halvledare. Lasrar betecknas vanligen av den typ av lasermaterial som används:
A rubinlaser (avbildad tidigare) är en solid-state laser och avger vid en våglängd på 694 nm. Andra lasermedier kan väljas baserat på önskad emissionsvåglängd (se tabell nedan), behövs kraft, och pulslängd. Vissa lasrar är mycket kraftfulla, såsom CO2 -lasern, som kan skära igenom stål. Anledningen till att CO2 -lasern är så farlig är att den avger laserljus i spektrumets infraröda och mikrovågsområde. Infraröd strålning är värme, och denna laser smälter i princip igenom vad den än fokuseras på.
Andra lasrar, såsom diodlasrar, är mycket svaga och används i dagens ficklaserpekare. Dessa lasrar avger typiskt en röd ljusstråle som har en våglängd mellan 630 nm och 680 nm. Lasrar används inom industri och forskning för att göra många saker, inklusive att använda intensivt laserljus för att excitera andra molekyler för att observera vad som händer med dem.
Här är några typiska lasrar och deras emissionsvåglängder (i nanometer):
Lasrar klassificeras i fyra breda områden beroende på risken för orsak biologiska skador . När du ser en laser, det bör märkas med en av dessa fyra klassbeteckningar:
För mer information om lasrar och relaterade ämnen, kolla in länkarna som följer.
Matthew Weschler har en MS -examen i fysisk organisk kemi från Florida State University. Hans avhandlingsämne var pikosekundlaserspektroskopi, och han studerade hur molekyler reagerar picosekunder efter att ha bombarderats av laserljus.
