Λέιζερ

Μηχανισμός

Ένα λέιζερ δημιουργεί φως με ειδικές ενέργειες που αφορούν ένα υλικό που ονομάζεται "οπτικό μέσο ενίσχυσης". Η ενέργεια εισάγεται σε αυτό το υλικό χρησιμοποιώντας μια "αντλία ενέργειας". Αυτή μπορεί να είναι ηλεκτρισμός, μια άλλη πηγή φωτός ή κάποια άλλη πηγή ενέργειας. Η ενέργεια κάνει το υλικό να μεταβεί σε αυτό που ονομάζεται διεγερμένη κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια στο υλικό έχουν επιπλέον ενέργεια και μετά από λίγο καιρό θα χάσουν αυτή την ενέργεια. Όταν χάσουν την ενέργεια θα απελευθερώσουν ένα φωτόνιο (σωματίδιο φωτός). Ο τύπος του οπτικού μέσου ενίσχυσης που χρησιμοποιείται θα αλλάξει το χρώμα (μήκος κύματος) που θα παραχθεί. Η απελευθέρωση φωτονίων είναι το μέρος της "διεγερμένης εκπομπής ακτινοβολίας" του λέιζερ.

Πολλά πράγματα μπορούν να εκπέμπουν φως, όπως μια λάμπα, αλλά το φως δεν θα είναι οργανωμένο προς μια κατεύθυνση και φάση. Με τη χρήση ενός ηλεκτρικού πεδίου για τον έλεγχο του τρόπου δημιουργίας του φωτός, αυτό το φως θα είναι τώρα ένα είδος, που θα πηγαίνει προς μία κατεύθυνση. Αυτή είναι η "συνεκτική ακτινοβολία".

Σε αυτό το σημείο, το φως είναι ακόμα αδύναμο. Τα κάτοπτρα σε κάθε πλευρά αναπηδούν το φως μπρος-πίσω, και αυτό χτυπάει άλλα μέρη του οπτικού μέσου ενίσχυσης, προκαλώντας αυτά τα μέρη να απελευθερώσουν επίσης φωτόνια, δημιουργώντας περισσότερο φως ("ενίσχυση του φωτός"). Όταν όλο το οπτικό μέσο ενίσχυσης παράγει φως, αυτό ονομάζεται κορεσμός και δημιουργεί μια πολύ ισχυρή δέσμη φωτός σε πολύ στενό μήκος κύματος, την οποία θα ονομάζαμε δέσμη λέιζερ.

Σχεδιασμός

Το φως κινείται μέσω του μέσου μεταξύ των δύο κατόπτρων που αντανακλούν το φως μπρος-πίσω μεταξύ τους. Το ένα από τα κάτοπτρα, ωστόσο, αντανακλά μόνο εν μέρει το φως, επιτρέποντας σε ένα μέρος του να διαφύγει. Το φως που διαφεύγει αποτελεί την ακτίνα λέιζερ.

Αυτός είναι ένας απλός σχεδιασμός- ο τύπος του οπτικού μέσου ενίσχυσης που χρησιμοποιείται συνήθως καθορίζει τον τύπο του λέιζερ. Μπορεί να είναι ένας κρύσταλλος, παραδείγματα είναι το ρουμπίνι και ένας κρύσταλλος γρανάτης από ύτριο και αλουμίνιο με ανάμιξη του μετάλλου σπάνιων γαιών. Αέρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για λέιζερ με τη χρήση ηλίου, αζώτου, διοξειδίου του άνθρακα, νέον ή άλλων. Τα μεγάλα, ισχυρά λέιζερ είναι συνήθως λέιζερ αερίου. Ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων χρησιμοποιεί δέσμη ηλεκτρονίων και μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να εκπέμπει διαφορετικά χρώματα. Τέλος, τα μικρότερα λέιζερ χρησιμοποιούν διόδους ημιαγωγών για την παραγωγή του φωτός. Αυτά είναι το πολυπληθέστερο είδος, που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά.

Ιστορία

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ήταν ο πρώτος που είχε την ιδέα της διεγερμένης εκπομπής που θα μπορούσε να παράγει ένα λέιζερ. Από τότε πέρασαν πολλά χρόνια για να διαπιστωθεί αν η ιδέα λειτουργούσε. Στην αρχή, οι άνθρωποι κατάφεραν να κατασκευάσουν μασέρ και αργότερα κατάλαβαν πώς να κατασκευάσουν μικρότερα ορατά μήκη κύματος. Μόλις το 1959 επινοήθηκε το όνομα λέιζερ από τον Gordon Gould σε μια ερευνητική εργασία. Το πρώτο λειτουργικό λέιζερ συναρμολογήθηκε και λειτούργησε από τον Theodore Maiman στα ερευνητικά εργαστήρια Hughes το 1960. Πολλοί άνθρωποι άρχισαν να εργάζονται πάνω στα λέιζερ εκείνη την εποχή, και το ερώτημα για το ποιος θα έπαιρνε την πατέντα για το λέιζερ δεν αποφασίστηκε μέχρι το 1987 (ο Gould κέρδισε τα δικαιώματα).

Εφαρμογές

Τα λέιζερ έχουν βρει πολλές χρήσεις τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη βιομηχανία. Τα λέιζερ βρίσκονται στις συσκευές αναπαραγωγής CD και DVD, όπου διαβάζουν τον κώδικα από το δίσκο που αποθηκεύει ένα τραγούδι ή μια ταινία. Ένα λέιζερ χρησιμοποιείται συχνά για να διαβάζει τους γραμμωτούς κωδικούς ή τους κωδικούς SQR σε πράγματα που πωλούνται σε ένα κατάστημα, για να αναγνωρίζει ένα προϊόν και να δίνει την τιμή του. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται στην ιατρική, ιδίως στη χειρουργική επέμβαση ματιών LASIK, όπου το λέιζερ χρησιμοποιείται για την αποκατάσταση του σχήματος του κερατοειδούς. Χρησιμοποιείται στη χημεία με τη φασματοσκοπία για την ταυτοποίηση υλικών, για να διαπιστωθεί από τι είδους αέρια, στερεά ή υγρά είναι φτιαγμένο κάτι. Τα ισχυρότερα λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κοπή μετάλλων.

Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της απόστασης της Σελήνης από τη Γη με την ανάκλαση των ανακλαστήρων που άφησαν πίσω τους οι αποστολές Apollo. Μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει στη Σελήνη και να επιστρέψει, μπορούμε να βρούμε ακριβώς πόσο μακριά βρίσκεται το φεγγάρι.

Οι δείκτες λέιζερ χρησιμοποιούνται από τους ανθρώπους για να δείξουν ένα σημείο σε έναν χάρτη ή ένα διάγραμμα. Για παράδειγμα, τους χρησιμοποιούν οι καθηγητές. Επίσης, σε πολλούς ανθρώπους αρέσει να παίζουν με δείκτες λέιζερ. Ορισμένοι άνθρωποι τους έχουν στρέψει προς τα αεροσκάφη. Αυτό είναι επικίνδυνο και είναι επίσης παράνομο σε πολλές χώρες. Άνθρωποι έχουν συλληφθεί και διωχθεί για αυτό το έγκλημα.

Οι υπολογιστές χρησιμοποιούν συνήθως ένα οπτικό ποντίκι υπολογιστή ως συσκευή εισόδου. Οι σύγχρονοι δείκτες λέιζερ είναι πολύ μεγάλοι και ισχυροί για αυτή τη χρήση, οπότε τα περισσότερα ποντίκια χρησιμοποιούν μικρά VCSEL ή "λέιζερ επιφανειακής εκπομπής κάθετης κοιλότητας" για το σκοπό αυτό. Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούνται επίσης σε μονάδες DVD, CD-ROM και ολογραφίας.