Å være

En laser (fra det engelske akronymet LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) er en enhet som bruker en effekt av kvantemekanikk , indusert eller stimulert emisjon, for å generere en lysstråle som er konsistent både romlig og tidsmessig. Romlig koherens tilsvarer evnen til en stråle til å forbli liten når den sendes gjennom et vakuum over lange avstander, og tidsmessig koherens er relatert til evnen til å konsentrere emisjonen i et veldig smalt spektralområde.

Historikk

I 1915 la Albert Einstein grunnlaget for utviklingen av lasere og deres forgjengere, masere (som sender ut mikrobølger), ved å bruke Max Plancks lov om stråling basert på begrepene spontan og indusert stråling .

I 1928 rapporterte Rudolf Landenburg å ha fått det første beviset på fenomenet stimulert stråling, selv om det ikke var mer enn en laboratoriekuriositet, så teorien ble glemt før etter andre verdenskrig , da den ble definitivt demonstrert av Willis Eugene Lamb og RC Rutherford.

I 1953 bygde Charles H. Townes og avgangsstudentene James P. Gordon og Herbert J. Zeiger den første maseren : en enhet som fungerte etter de samme fysiske prinsippene som lasere, men produserte en sammenhengende stråle av mikrobølger. Townes' maser klarte ikke å kjøre kontinuerlig. Nikolai Basov og Aleksandr Prokhorov fra Sovjetunionen jobbet uavhengig av kvanteoscillatoren og løste problemet med å oppnå en kontinuerlig lysutgangsmaser ved bruk av systemer med mer enn to energinivåer.

Townes, Basov og Prokhorov delte 1964 Nobelprisen i fysikk for "grunnleggende arbeid innen kvanteelektronikk", som førte til konstruksjonen av oscillatorer og forsterkere basert på maser-laser-prinsipper.

Den første laseren var en rubinlaser og den fungerte for første gang 16. mai 1960 . Den ble bygget av Theodore Maiman . Det faktum at resultatene deres ble publisert med en viss forsinkelse i Nature ga tid til at andre parallelle utviklinger ble lansert. [ 2 ] [ 3 ] Av denne grunn regnes Townes og Arthur Leonard Schawlow også som oppfinnerne av laseren, som de patenterte i 1960. To år senere oppfinner Robert Hall den halvledergenererte laseren. I 1969 ble den første industrielle anvendelsen av laseren funnet da den ble brukt til sveising av metallplater ved produksjon av kjøretøy, og året etter patenterte Gordon Gould mange andre praktiske bruksområder for laseren.

Den 16. mai 1980 registrerte en gruppe fysikere fra University of Hull ledet av Geoffrey Pert den første laserstrålingen i røntgenområdet . Noen måneder senere begynner CD- en å bli markedsført , der en laveffekts laserstråle "leser" dataene kodet i form av små hull (prikker og streker) på en optisk plate med reflekterende overflate. Deretter blir denne sekvensen av digitale data omdannet til et analogt signal som tillater lytting av musikkfiler. I 1984 begynte den utviklede teknologien å bli brukt innen massiv datalagring. I 1994 , i Storbritannia , ble laserteknologi brukt for første gang i kinemometre for å oppdage fartsovertredelser. Deretter spredte den bruken over hele verden.

I 2002 "teleporterte" australske forskere vellykket en laserstråle fra ett sted til et annet. [ 4 ] To år senere gjør laserskanneren British Museum i stand til å holde virtuelle utstillinger. [ 5 ] I 2006 oppdaget Intel - forskere hvordan man kan jobbe med en laserbrikke laget av silisium , noe som åpner døren for utvikling av mye raskere og mer effektive kommunikasjonsnettverk . [ 6 ]

Grunnleggende elementer i en laser

En typisk laser består av tre grunnleggende operasjonselementer. Et resonant optisk hulrom , der lys kan sirkulere, vanligvis bestående av et par speil, hvorav det ene har høy reflektans (nær 100%) og det andre kjent som en kopler, som har en lavere reflektans og tillater utgang av laserstrålingen fra hulrommet.

Inne i dette resonanshulrommet er det et aktivt medium med optisk forsterkning, som kan være fast, flytende eller gassformet (vanligvis vil gassen være i en delvis ionisert plasmatilstand) som er ansvarlig for å forsterke lyset. For å forsterke lyset trenger dette aktive mediet en viss tilførsel av energi, vanligvis kalt pumping. Denne pumpingen er vanligvis en lysstråle (optisk pumping) eller en elektrisk strøm (elektrisk pumping).

Laserhulrom

Det optiske resonanshulrommet , også kjent som laserhulrommet , finnes i de aller fleste laserenheter og tjener til å holde lyset sirkulerende gjennom det aktive mediet så mange ganger som mulig. Den er vanligvis sammensatt av to dielektriske speil som tillater kontrollerte reflektiviteter som kan være svært høye for visse bølgelengder .

Speilet med høy reflektivitet reflekterer omtrent 100 % av lyset det mottar, og kopleren eller utgangsspeilet reflekterer en litt lavere prosentandel. Disse speilene kan være flate eller med en viss krumning, noe som endrer stabilitetsregimet.

Avhengig av typen laser, kan disse speilene bygges på frittstående glass- eller krystallstøtter, eller, i tilfelle av noen solid-state lasere, kan de bygges direkte på overflatene til det aktive mediet, noe som reduserer behovet for påfølgende innretting og tap på grunn av refleksjon i laseren, ansiktene til det aktive mediet.

Noen excimer- lasere, eller de fleste nitrogenlasere , bruker ikke et egentlig hulrom, i stedet brukes et enkelt reflekterende speil for å rette lyset mot utgangsåpningen. Andre lasere som de som er bygget i optiske mikrohulrom [ 7 ] bruker fenomener som total intern refleksjon for å begrense lys uten å bruke speil.

Aktivt medium

Det aktive mediet er det materielle mediet hvor optisk forsterkning finner sted. Den kan lages av svært forskjellige materialer og er den som i større grad bestemmer egenskapene til laserlys, bølgelengde, kontinuerlig eller pulsert emisjon, effekt osv.

Det aktive mediet er der eksitasjonsprosessene (elektroniske eller vibrasjonstilstander) skjer gjennom energipumping, spontan emisjon og stimulert stråling. For at lasertilstanden skal oppstå, må den optiske forsterkningen til det aktive mediet være større enn kavitetstapene pluss mediumtapene.

Siden den optiske forsterkningen er den begrensende faktoren for effektiviteten til laseren, er det en tendens til å se etter materielle medier som maksimerer den, og minimerer tapene, og det er derfor, selv om nesten ethvert materiale kan brukes som et aktivt medium, [ 8 ] bare noen Dusinvis av materialer brukes effektivt til å produsere lasere.

De desidert vanligste laserne i verden er halvlederlasere. Men faststofflasere og i mindre grad gasslasere er også svært vanlige. Andre medier brukes hovedsakelig i forskning eller i svært spesifikke industrielle eller medisinske applikasjoner.

Pumping

For at det aktive mediet skal forsterke strålingen, er det nødvendig å eksitere dets elektroniske eller vibrasjonsnivåer på en eller annen måte. Vanligvis brukes en lysstråle (optisk pumping) fra en utladningslampe eller annen laser eller en elektrisk strøm (elektrisk pumping) for å forsyne det aktive mediet med nødvendig energi.

Optisk pumping brukes ofte i faststofflasere (krystaller og glass) og fargelasere (væsker og noen polymerer), og elektrisk pumping er foretrukket i gass- og halvlederlasere . I noen sjeldne tilfeller brukes andre pumpesystemer som gir den navnet sitt, for eksempel kjemiske lasere eller atompumpelasere [ 9 ] som bruker energien fra kjernefysisk fisjon .

På grunn av de mange energitapene i alle involverte prosesser, er pumpeeffekten alltid større enn laseremisjonseffekten.

Mekanismer for laserhandling

Selv om det er flere mekanismer som produserer laseremisjon, er det enkle eksemplet på en fire-nivå laser med kontinuerlig optisk pumping, slik som neodym - laseren, beskrevet .

Pumpeabsorpsjon og ikke-radioaktive overganger

I starttilstanden er de fleste elektronene i grunntilstanden og eksiteres av en pumpelysstråle som inneholder energi i absorpsjonsbåndene til neodym. Elektronene som eksiterer på forskjellige nivåer de-eksiterer raskt ikke-strålende mot et metastabilt nivå, som når det gjelder neodym er 4 F 3/2 der det forblir i relativt lang tid, sakte nedbrytende til bakkenivå og til 4 I 11/ nivå 2 . Hvis visse betingelser er oppfylt i materialet og pumpekraften, kan det oppstå populasjonsinversjon, det vil si at det er flere eksiterte atomer i 4 F 3/2 nivået enn de i det nedre 4 I nivået 11/2 .

Stimulert utslipp

Fra det metastabile nivået 4 F 3/2 kan noen elektroner spontant de-eksitere, og produsere lysutslipp ved 1064 nm. Noen av disse sendes ut i riktig vinkel for å bli reflektert av hulromsspeilene et stort antall ganger. Disse fotonene som reflekteres i riktig vinkel passerer flere ganger nær eksiterte neodymatomer og produserer den stimulerte emisjonen av stråling.

Hvis det aktive mediet er i populasjonsinversjonstilstanden og tapene i hulrommet er lavere enn forsterkningen til det aktive mediet, skjer det at når det reflekteres på hulrommets vegger, oppstår en forsterkning av det første fotonet som ble sendt ut spontant. Etter et visst antall refleksjoner er intensiteten inne i hulrommet veldig høy, og de små tapene til koblingsspeilet er laserstrålingen som sendes ut av enheten.

Klassifisering av lasere i henhold til UNE EN 60825-1/A2-2002

Avhengig av faren ved lasere og den tilgjengelige utslippsgrensen (LEA), kan lasere klassifiseres i følgende risikokategorier:

• Klasse 1 : Trygg under rimelige bruksforhold.
• Klasse 1M : Som klasse 1, men ikke trygt når det sees gjennom optiske instrumenter som luper eller kikkerter.
• Klasse 2 : Synlige lasere (400 til 700 nm). Aversjonsreflekser beskytter øyet, selv når de brukes med optiske instrumenter.
• Klasse 2M : Som klasse 2, men ikke trygt ved bruk av optiske instrumenter.
• Klasse 3R : Lasere hvis direkte syn er potensielt farlig, men risikoen er lavere og de trenger færre produksjonskrav og kontrolltiltak enn klasse 3B.
• Klasse 3B : Direkte visning av strålen er alltid farlig, mens diffus refleksjon normalt er trygt.
• Klasse 4 : Direkte øye- og hudeksponering er alltid farlig, og diffus refleksjon er vanligvis også. De kan forårsake brann og eksplosjoner.

Applikasjoner

Da de ble oppfunnet i 1960, ble lasere beskrevet som "en løsning som venter på et problem". Siden den gang har de blitt allestedsnærværende og kan nå finnes i tusenvis av applikasjoner innen en lang rekke felt, for eksempel forbrukerelektronikk, informasjonsteknologi, vitenskapelig forskning, medisin, industri og militæret.

I mange applikasjoner er fordelene med lasere på grunn av deres fysiske egenskaper, som koherens, monokromaticitet og evnen til å oppnå ekstremt høye effekter . Som et eksempel kan en svært koherent laserstråle fokuseres under diffraksjonsgrensen , som ved synlige bølgelengder tilsvarer bare noen få nanometer . Når en kraftig laserstråle fokuseres på et punkt, mottar den en enorm energitetthet. [ 10 ] Denne egenskapen lar laseren ta opp gigabyte med informasjon i de mikroskopiske hulrommene på en CD , DVD eller Blu-ray . Den lar også en laser med middels eller lav effekt nå svært høye intensiteter og bruke den til å kutte, brenne eller til og med sublimere materialer. Laserstrålen brukes i produksjonsprosessen for gravering eller merking av metaller , plast og glass .

Typer lasere

Basert på arten av deres aktive medium, kan vi klassifisere laserenheter i:

Halvledere

• Laserdioder , det er den vanligste lasersenderen, den bruker et pn-halvlederkryss som ligner på det som brukes i lysdioder , men i dette tilfellet er det plassert i et reflektorhulrom. De brukes i laserpekere, laserskrivere, CD, DVD, Blu-Ray, HD-DVD opptakere/spillere, og som pumpekraft for mange solid-state lasere.
• Kvantepunktlaser , en type halvlederlaser som bruker kvanteprikker som det aktive mediet i sitt lysemitterende område. På grunn av den tette inneslutningen av ladningsbærere i kvanteprikker, viser de en elektronisk struktur som ligner på atomer.
  Lasere laget med slike aktive medier viser en oppførsel som er ganske nær gasslasere, men har ikke noen av ulempene forbundet med tradisjonelle halvlederlasere basert på solide eller kvantebrønnaktive medier.
  Forbedringer i båndbreddemodulasjon, terskeleksitasjon, intensitetsrelativ støy, linjebreddeforbedringsfaktor og temperaturstabilitet er observert. Den aktive regionen av kvanteprikken kan utformes for å operere ved forskjellige bølgelengder ved å variere størrelsen og sammensetningen av kvanteprikken. Dette gjør at denne typen laser kan produseres for å operere ved bølgelengder som er umulig å oppnå med dagens halvlederlaserteknologi. [ 11 ]
• Kvantekaskadelaser (ofte kalt QCL på engelsk), arbeider med elektrisk injeksjon i et strukturert halvledermateriale. Under et gitt elektrisk potensial utføres populasjonsinversjon når energinivåene i ledningsbåndet justeres på en gitt måte. Disse energinivåene gjentas med jevne mellomrom gjennom hele laserstrukturen, og danner, fra energisynspunkt, en serie "fosser" eller "energitrinn". Et elektron, som går gjennom disse energikaskadene én etter én, genererer kvanta av lys, fotoner, i hvert av disse energihoppene.

Gass

• Helium-Neon laser, eller HeNe laser, er en type gasslaser som bruker en gassformig blanding av helium og neon som det aktive mediet. Helium-neon lasere sender vanligvis ut synlig rødt lys ved en bølgelengde på 633nm. De er en vanlig type laser i pedagogiske laboratorier eller, i tilfelle av stabiliserte lasere, i høypresisjons metrologiapplikasjoner .
  Det aktive mediet til laseren er en blanding av helium og neon inneholdt i et lukket glassrør, i et forhold på omtrent 5:1 og ved et relativt lavt trykk (vanligvis rundt 300 Pa). Energien til pumping oppnås med en elektrisk utladning på ca. 1000 V gjennom to elektroder plassert i hver ende av røret. Resonanshulrommet består vanligvis av et flatt speil med høy reflektans i den ene enden og et konkavt speil med 1 % transmisjon i den andre enden, vanligvis omtrent 15-20 cm fra hverandre. Helium-neon-lasere har en effekt på mellom 1 mW og 100 mW.
  Bølgelengden er 632.816nm i luft, som tilsvarer en bølgelengde på 632.991nm i vakuum. I hvert enkelt tilfelle er den oppnådde bølgelengden i et intervall på 0,002 nm rundt denne verdien, på grunn av termiske svingninger som forårsaker små svingninger i hulrommets dimensjoner.
• Karbondioksidlaser sender ut i det fjerne infrarøde området ved 10,6 µm.
• Nitrogenlaser , sender ut i UV ved 337 nm, normalt i et pulsert operasjonsregime.
• Excimer laser , det aktive mediet kan bestå av forskjellige svært kortlivede excimer molekyler som består av edle gasser og halogener, de produserer ultrafiolett lys .
• Argonlaser, har flere emisjonslinjer selv om de viktigste er 514 nm og 488 nm. Den fungerer kontinuerlig med potenser på opptil noen få titalls W.

Solid state

Disse laserne bruker vanligvis glass, krystaller eller dopede fibre som det aktive mediet. Selv om halvledere også er solid state, er de vanligvis tatt i en annen kategori. Noen solid state lasere er:

• Sjeldne jordarter dopede materialer:
  • Neodymium-YAG laser , Det aktive mediet er en YAG-krystall (Yttrium Aluminium Granat) dopet med trivalent neodym . Den sender ut i nær infrarød ved 1064 nm. Den konverteres ofte til grønn ved 532 nm ved hjelp av en frekvensdobling ikke- lineær krystall som KTP.
  • YAG dopet med trivalent erbium , avgir effektivt ved 2900nm, men kan også operere ved 1645nm.
  • YAG dopet med trivalent thulium , som fungerer normalt ved 2015 nm.
  • YAG dopet med trivalent holmium , avgir ved 2090 nm. Den absorberes eksplosivt av fuktimpregnerte stoffer i seksjoner mindre enn en millimeter tykke. Den fungerer vanligvis i pulserende modus og passerer gjennom fiberoptiske kirurgiske enheter. Det brukes til å fjerne flekker fra tenner, fordampe kreftsvulster og bryte opp nyre- og gallestein.
  • YVO dopet med trivalent neodym . Det aktive mediet er yttriumorthovanadat , lik Nd:YAG, men tillater høyere effektivitet enn dette, i kontinuerlige lasere med middels lav effekt.
  • Erbium-dopet fiberlasere, en type laser dannet av en spesialprodusert optisk fiber, brukes først og fremst som en forsterker for langdistanse optisk kommunikasjon.
• Materialer dopet med overgangsmetaller:
  • Rubinlaser ( safirkrystall dopet med trivalent krom ). Det var den første laseren som ble bygget i 1960, ved hjelp av en rubinstang begeistret av en Xenon-blitspuls. Den sender ut lys ved 694,3 nm, synlig som en dyp rød.
  • Trivalent titandopet safirlaser , er en avstembar laser fra rød til nær infrarød, mellom 650 og 1100 nm. De har den egenskapen at de, avhengig av den optiske utformingen av hulrommet, kan operere i kontinuerlig modus eller ved å sende ut ultrakorte pulser.
  • Alexandrittlaser , trivalent kromdopet berylliumaluminat. Utsender vanligvis i nær infrarød ved 750 nm, [ 12 ] brukes i enkelte hårfjerningssystemer.

Farge eller væsker

• Fargelaser , laget av et organisk fargestoff som Rhodamine 6G og et generelt flytende medium som sirkulerer gjennom hulrommet. Avhengig av fargestoffet som brukes, kan de operere i ultrafiolett , synlig eller infrarød , med effekt fra 150 mW opp til 346 mW.

Laserapplikasjoner i hverdagen

• Telekommunikasjon : optisk kommunikasjon (optisk fiber), radio over fiber.
• Medisin : blodløse operasjoner, kirurgiske behandlinger, sårhelingshjelpemidler, nyresteinsbehandlinger, øyeoperasjoner, tannoperasjoner.
• Bransje : skjæring, veiledning av maskineri og produksjonsroboter, nøyaktige avstandsmålinger ved hjelp av lasere.
• Forsvar : Ballistisk missilføring, alternativ til radar , blendende fiendtlige tropper. Når det gjelder Tactical High Energy Laser , begynner laseren å bli brukt som en målødelegger.
• Anleggsteknikk : veiledning av tunnelboremaskiner, ulike applikasjoner innen topografi som avstandsmålinger på utilgjengelige steder eller å lage en digital terrengmodell (DTM).
• Arkitektur : kulturarvskatalogisering.
• Arkeologisk : dokumentasjon.
• Forskning: spektroskopi, laserinterferometri, LIDAR , avstandsmåling.
• Utviklinger innen kommersielle produkter: laserskrivere , CD-er, optiske mus , strekkodelesere, laserpekere, termometre, hologrammer, applikasjoner i showbelysning.
• Kosmetiske behandlinger og kosmetisk kirurgi: Aknebehandlinger , cellulitter , behandling av strekkmerker , hårfjerning .

Se også

• Tillegg: Laser Timeline
• laser kirurgi
• synlig spektrum
• laserdiode
• maser
• antilaser
• blå laser

Referanser

1. ↑ Michael DePodesta (2002). Forstå egenskapene til materien . CRC Trykk på . s. 131. ISBN  0415257883 . 
2. ↑ FK Kneubühl, MW Sigrist: Laser. 3. Boost. Teubner, 1991, s. Fire.
3. ↑ TH Maiman: Stimulert optisk stråling i rubin. I: Nature. 187 4736, 1960, s. 493–494.
4. ↑ "Teleportering i en laserstråle" . http://www.elmundo.es/ . 23. juni 2002 . Hentet 21. november 2007 . 
5. ^ "British Museum åpner Silicon Graphics virtual reality-senter for publikum" . http://www.sgi.com/ . Hentet 25. august 2012 . 
6. ^ "Intel utvikler en brikke som sender ut laserlys" . http://www.lanacion.com.ar/ . 18. september 2006 . Hentet 21. november 2007 . 
7. ↑ Martin, LL; et al (2013). Laseremisjon i Nd3+ dopede barium-titan-silikat-mikrosfærer under kontinuerlig og kuttet bølgepumping i et ikke-koblet pumpeskjema . 
8. ^ "Gyn-Tonic laser" . Hentet 4. juli 2014 . 
9. ^ "Atompumpet laserprinsipp" . Obninsk, Russland: Institutt for fysikk og kraftteknikk . Hentet 4. juli 2014 . 
10. ↑ Onaik - Dataartikler. «Laser» . Arkivert fra originalen 10. april 2009. 
11. ^ "Laser Diode Market" . Hanel Photonics . Hentet 26. september 2014 . 
12. ↑ "RP photonics" (på engelsk) . Hentet 14. juni 2017 . 

Eksterne lenker

• Wikimedia Commons har en mediekategori for lasere .
• Encyclopedia of photonics and laser technology (på engelsk) .