TOBIAS SCHWARZ / AFP / Getty Images Lasere! De er helt klart kjempebra - men hvordan fungerer de, akkurat? Hvorfor bærer vi dem ikke alle rundt i lommene? Vel, tro det eller ei, det er du sannsynligvis - takket være moderne elektronikk. Her er historien om hvordan en laser (lysforsterkning ved stimulert stråling) fungerer, og hva den gjør når den treffer et objekt.
Det handler om elektroner
La oss bruke litt tid tilbake i fysikklassen: En laser skylder sin eksistens til elektroner, som du kanskje husker er de energiske partiklene som svever / eksisterer rundt et atom og danner "skallet".
Noen elektroner har evnen til å absorbere energi fra eksterne kilder og hoppe til baner med høyere energi, i det minste midlertidig. Elektronene går imidlertid raskt tilbake til sine normale baner, og frigjør den ekstra energien de brukte, som deretter kruser utenfor atomet.
Elektroner gjør dette hele tiden - det er slik mest stråling blir opprettet! Slå på en lommelykt, og det er en haug med elektroner som faller over energinivået overalt. Men grunnen til at lommelykten ikke er en kraftig laserstråle (beklager) er at disse elektronene ikke er synkroniserte. I stedet hopper de overalt, frigjør energi tilfeldig og har nesten aldri samme bølgelengde eller samme timing. Faktisk ser elektron ut til å spre bølgelengder og timing naturlig i disse situasjonene, noe som gjør utilsiktede lasere nesten - men ikke helt - umulig.
Når man lager en laser, må ingeniører oppføre seg som orkesterledere for et utall antall elektroner, og få dem alle til å få energi og slippe den synkronisert. Når det lykkes, skaper dette en sammenhengende strøm av fotoner som alle beveger seg på samme måte, samtidig, i samme retning ... og en laser blir født. Dette skjer takket være en nøye konstruert prosess og de rette materialene, som vi vil snakke om i neste avsnitt!
Anatomi av en moderne laser
Christian Delbert / 123rf Christian Delbert / 123rfLasere kommer i alle størrelser, fra små små lasere i mikrochips til store lasere i vitenskapelige forskningsanlegg. Imidlertid kan de fleste deles inn i tre veldig viktige deler som lar laseren fungere.
Energikilde: For det første krever lasere en energikilde (også kalt pumpekilder eller eksitasjonsmekanismer) for å pumpe energi inn i laseren slik at elektronene har mye juice å jobbe med. Det finnes flere forskjellige populære typer energikilder, inkludert direkte elektriske utladninger, kjemiske reaksjoner og kraftige lyskilder som blitzlamper.
Medium: Medium (vanligvis kalt forsterkningsmedium eller lasermedium) er hvor energien blir rettet. Jobben er å samle den energien, få elektronene til å hoppe rundt som galne, og avgi kraftige lysutbrudd som er klare til å bli formet til en laser. Medier dekker et bredt spekter av materialer: Noen er væsker, noen er gasser, og noen er krystallinske faste stoffer. Selv en ydmyk halvleder kan fungere som et lasermedium.
Optisk hulrom: Det optiske hulrommet eller resonatoren tar alt lyset som frigjøres av mediet og fokuserer det. I det klassiske laseroppsettet bruker den to speil for å sprette lyset frem og tilbake for å synkronisere pulser, forsterke energien og dirigere den mot en liten åpning der laseren er rettet.
Hva skjer når en laser treffer noe
Når en laser treffer et materiale, fungerer det akkurat som annen stråling: Noen absorberes, noen reflekteres, og noen kan passere gjennom eller overføres. Men det forteller oss ikke mye om hvilken bestemt, fokusert laser faktisk gjør det til materialet, så la oss se nærmere på flere hovedkategorier av praktisk laserbruk, og hvordan de fungerer.
Belysning: I dette tilfellet brukes lasere ganske enkelt til å belyse noe som er vanskelig å se. Det er riktig, noen ganger vil ikke den pålitelige lommelykten gjøre det, spesielt ikke på veldig lange avstander - eller når lærere virkelig vil bruke en laserpeker. Og ja, dette kan være farlig.
Speilbilde: Når lasere fokuserer på refleksjon, overfører de vanligvis informasjon. Det beste eksemplet her er en optisk diskstasjon som finnes i Blu-ray-spillere, datamaskiner og så videre. Imidlertid er det mange applikasjoner for smarte enheter også.
Pyrolitisk / fotolytisk reaksjon: Her er laseren generelt ment å endre noe ... destruktivt. Pyrolitiske versjoner varmer et materiale, vanligvis for å smelte det (og hei, noen ganger zap fugler). Fotolytiske versjoner bryter ned kjemiske bindinger i et materiale for å oppnå lignende mål.
Overføring: Her er laseren designet for å gi en kode som inneholder verdifulle data, som i fiberoptikk.
Statlig endring: Dette er en slags kategori, men i en rekke tilfeller er formålet med laseren å endre materialet eller endre seg til en annen type energi (uten å brenne noe). I dette tilfellet absorberer materialet laseren og gjennomgår deretter en interessant transformasjon. For eksempel gjør noen lasere lys til lyd. Mange slike enheter har verdifulle applikasjoner i hverdagsingeniør.