TOBIAS SCHWARZ / AFP / Getty Images Lasere! Det er klart, at de er fantastiske - men hvordan fungerer de, nøjagtigt? Hvorfor bærer vi dem ikke alle rundt i vores lommer? Nå, tro det eller ej, det er du sandsynligvis takket være moderne elektronik. Her er historien om, hvordan en laser (lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling) fungerer, og hvad den gør, når den rammer et objekt.
Det handler om elektroner
Lad os bruge lidt tid tilbage i fysikklassen: En laser skylder sin eksistens til elektroner, som du måske husker er de energiske partikler, der svæver / eksisterer omkring et atom og danner dets "skal".
Nogle elektroner har evnen til at absorbere energi fra eksterne kilder og hoppe til baner med højere energi, i det mindste midlertidigt. Elektronerne vender imidlertid hurtigt tilbage til deres normale baner og frigiver den ekstra energi, de brugte, som derefter krusninger uden for atomet.
Elektroner gør dette hele tiden - det er sådan, at mest stråling skabes! Tænd for en lommelygte, og der er en masse elektroner, der overstiger energiniveauer overalt. Men grunden til, at din lommelygte ikke er en kraftig laserstråle (undskyld) er, at disse elektroner ikke er synkroniserede. I stedet springer de overalt, frigiver energi tilfældigt og har næsten aldrig samme bølgelængde eller samme timing. Faktisk ser elektroner ud til at sprede deres bølgelængder og timing naturligt i disse situationer, hvilket gør utilsigtede lasere næsten - men ikke helt - umulige.
Når man opretter en laser, skal ingeniører fungere som orkesterledere for et utal af antal elektroner og få dem alle til at få energi og frigive den synkroniseret. Når det lykkes, skaber dette en sammenhængende strøm af fotoner, der alle bevæger sig på samme måde på samme tid i samme retning ... og en laser fødes. Dette sker takket være en omhyggeligt konstrueret proces og de rigtige materialer, som vi vil tale om i næste afsnit!
Anatomi af en moderne laser
Christian Delbert / 123rf Christian Delbert / 123rf Lasere kommer i alle størrelser, fra små små lasere i mikrochips til store lasere i videnskabelige forskningsfaciliteter. Imidlertid kan de fleste opdeles i tre meget vigtige dele, der gør det muligt for laseren at fungere.
Energikilde: For det første kræver lasere en energikilde (også kaldet pumpekilder eller excitationsmekanismer) for at pumpe energi ind i laseren, så dens elektroner har meget juice at arbejde med. Der er flere forskellige populære typer energikilder, herunder direkte elektriske udladninger, kemiske reaktioner og kraftige lyskilder som blitzlamper.
Medium: Mediet (typisk kaldet forstærkningsmediet eller lasermediet) er hvor energien ledes. Dens opgave er at samle den energi, få dens elektroner til at hoppe rundt som vanvittige og udsende kraftige lysudbrud, der er klar til at blive dannet til en laser. Medier dækker en bred vifte af materialer: Nogle er væsker, andre er gasser, og nogle er krystallinske faste stoffer. Selv en ydmyg halvleder kan fungere som et lasermedium.
Optisk hulrum: Det optiske hulrum eller resonatoren tager alt det lys, der frigives af mediet, og fokuserer det. I den klassiske laseropsætning bruger den to spejle til at hoppe lyset frem og tilbage for at synkronisere impulser, forstærke energien og dirigere den mod en lille åbning, hvor laseren er rettet.
Hvad sker der, når en laser rammer noget
Når en laser rammer et materiale, fungerer det ligesom anden stråling: Nogle absorberes, nogle reflekteres, og andre kan passere igennem eller transmitteres. Men det fortæller os ikke meget om, hvad en bestemt, fokuseret laser faktisk gør til materialet, så lad os se nærmere på flere hovedkategorier af praktiske laseranvendelser, og hvordan de fungerer.
Belysning: I dette tilfælde bruges lasere simpelthen til at belyse noget, der er svært at se. Det er rigtigt, nogle gange gør selv den pålidelige lommelygte det ikke, især ikke på meget lange afstande - eller når lærere virkelig vil bruge en laserpeger. Og ja, dette kan være farligt.
Afspejling: Når lasere fokuserer på refleksion, transmitterer de typisk information. Det bedste eksempel her er et optisk diskdrev, der findes i Blu-ray-afspillere, computere og så videre. Der er dog også mange applikationer til smartenheder.
Pyrolitisk / fotolytisk reaktion: Her er laseren generelt beregnet til at ændre noget ... destruktivt. Pyrolitiske versioner varmer et materiale op, normalt for at smelte det (og hej, nogle gange zap fugle). Fotolytiske versioner nedbryder kemiske bindinger i et materiale for at opnå lignende mål.
Smitte: Her er laseren designet til at videregive en kode, der omslutter værdifulde data, som i fiberoptik.
Stat ændring: Dette er en slags kategori, der er fangst, men i en række tilfælde er lasers formål at ændre materialet eller ændre sig selv til en anden type energi (uden at brænde noget). I dette tilfælde absorberer materialet laseren og gennemgår derefter en interessant transformation. For eksempel gør nogle lasere lys til lyd. Mange sådanne enheder har værdifulde applikationer inden for hverdagsteknik.
