Jak fungují lasery

Lasery TOBIAS SCHWARZ / AFP / Getty Images! Je zřejmé, že jsou úžasné - ale jak přesně fungují? Proč je nenosíme všichni v kapsách? No, věř nebo ne, pravděpodobně ano - díky moderní elektronice. Zde je příběh o tom, jak funguje laser (zesílení světla stimulovanou emisí záření) a co dělá, když zasáhne objekt.

Je to všechno o elektronech

Pojďme strávit trochu času zpátky na hodině fyziky: Laser vděčí za svoji existenci elektronům, které si možná pamatujete, jsou to energetické částice, které se vznášejí / existují kolem atomu a tvoří jeho „obal“.

Některé elektrony mají schopnost absorbovat energii z vnějších zdrojů a alespoň dočasně skočit na oběžné dráhy s vyšší energií. Elektrony se však rychle vracejí na své normální oběžné dráhy a uvolňují další energii, kterou použili, a která se vlní mimo atom.

Elektrony to dělají pořád - tak vzniká většina záření! Zapněte baterku a všude je spousta elektronů s kaskádovými úrovněmi energie. Ale důvod, proč vaše svítilna není silný laserový paprsek (omlouvám se), je ten, že tyto elektrony nejsou synchronizované. Místo toho poskakují všude, náhodně uvolňují energii a téměř nikdy nemají stejnou vlnovou délku nebo stejné načasování. Ve skutečnosti se zdá, že elektrony v těchto situacích přirozeně rozptylují své vlnové délky a načasování, což náhodné lasery téměř - ale ne úplně - znemožňuje.

Při vytváření laseru musí inženýři jednat jako dirigenti orchestru pro nespočetné množství elektronů, aby je všechny získali energií a synchronizovali ji. Je-li úspěšný, vytvoří koherentní proud fotonů, které se všechny pohybují stejným způsobem, ve stejnou dobu, ve stejném směru ... a laser se rodí. K tomu dochází díky pečlivě konstruovanému procesu a správným materiálům, o kterých si povíme v následující části!

Anatomie moderního laseru

Lasery přicházejí ve všech velikostech, od malých malých laserů v mikročipech až po obrovské lasery ve vědeckých výzkumných zařízeních. Většinu však lze rozdělit na tři velmi důležité části, které umožňují fungování laseru.

Zdroj energie: Nejprve lasery vyžadují zdroj energie (také nazývaný zdroje pumpy nebo excitační mechanismy), aby čerpaly energii do laseru, takže jeho elektrony mají spoustu šťávy, se kterou mohou pracovat. Existuje několik různých populárních typů zdrojů energie, včetně přímých elektrických výbojů, chemických reakcí a výkonných zdrojů světla, jako jsou zářivky.

Střední: Médium (obvykle se nazývá ziskové médium nebo laserové médium) je místo, kam je energie směrována. Jeho úkolem je shromáždit tuto energii, přimět své elektrony, aby skákaly kolem jako blázen, a vyzařovat silné záblesky světla, které jsou připraveny k formování do laseru. Média pokrývají širokou škálu materiálů: Některé jsou kapaliny, jiné jsou plyny a některé krystalické pevné látky. Dokonce i skromný polovodič může fungovat jako laserové médium.

Optická dutina: Optická dutina nebo rezonátor odebírá veškeré světlo uvolněné médiem a zaostřuje ho. V klasickém nastavení laseru využívá dvě zrcadla k odrazu světla tam a zpět, aby synchronizovala impulsy, zesílila energii a směrovala ji směrem k malému otvoru, kam laser směřuje.

Co se stane, když do něčeho zasáhne laser

Když laser zasáhne materiál, chová se stejně jako jiné záření: Některé jsou pohlceny, jiné odráženy a jiné mohou projít nebo být přeneseny. Ale to nám moc neříká o tom, jaký konkrétní, zaostřený laser vlastně ano materiálu, pojďme se tedy blíže podívat na několik hlavních kategorií praktického použití laseru a na to, jak fungují.

Osvětlení: V tomto případě se lasery jednoduše používají k osvětlení něčeho, co je špatně vidět. To je pravda, někdy ani spolehlivá svítilna nebude fungovat, zvláště na velmi dlouhé vzdálenosti - nebo když učitelé opravdu chtějí použít laserové ukazovátko. A ano, to může být nebezpečné.

Odraz: Když se lasery zaměřují na odraz, obvykle přenášejí informace. Nejlepším příkladem je optická jednotka, která se nachází v přehrávačích Blu-ray, počítačích atd. Existuje však také mnoho aplikací pro inteligentní zařízení.

Pyrolitická / fotolytická reakce: Laser je obecně určen k tomu, aby něco změnil… destruktivně. Pyrolitické verze ohřívají materiál, obvykle k jeho roztavení (a hej, někdy i ptáky). Fotolytické verze rozkládají chemické vazby v materiálu, aby dosáhly podobných cílů.

Přenos: Zde je laser navržen tak, aby předával kód, který zapouzdřuje cenná data, jako ve vláknové optice.

Změna stavu: Jedná se o kategorii všeho druhu, ale v mnoha případech je účelem laseru změnit materiál nebo se změnit na jiný typ energie (aniž by cokoli spálil). V tomto případě materiál absorbuje laser a poté prochází zajímavou transformací. Například některé lasery mění světlo ve zvuk. Mnoho takových zařízení má cenné aplikace v každodenním inženýrství.