TOBIAS SCHWARZ / AFP / Getty Images Λέιζερ! Είναι προφανές ότι είναι φοβερό - αλλά πώς λειτουργούν, ακριβώς; Γιατί δεν τα μεταφέρουμε όλοι στις τσέπες μας; Λοιπόν, το πιστεύετε ή όχι, μάλλον είστε - χάρη στα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Εδώ είναι η ιστορία του πώς λειτουργεί ένα λέιζερ (ενίσχυση φωτός από διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας) και τι κάνει όταν χτυπά ένα αντικείμενο.
Είναι όλα σχετικά με τα ηλεκτρόνια
Ας περάσουμε λίγο χρόνο πίσω στην τάξη φυσικής: Ένα λέιζερ οφείλει την ύπαρξή του σε ηλεκτρόνια, τα οποία μπορεί να θυμάστε είναι εκείνα τα ενεργητικά σωματίδια που αιωρούνται / υπάρχουν γύρω από ένα άτομο, σχηματίζοντας το «κέλυφος» του.
Ορισμένα ηλεκτρόνια έχουν την ικανότητα να απορροφούν ενέργεια από εξωτερικές πηγές και να μεταπηδούν σε τροχιά υψηλότερης ενέργειας, τουλάχιστον προσωρινά. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν γρήγορα στις κανονικές τους τροχιές και απελευθερώνουν την επιπλέον ενέργεια που χρησιμοποίησαν, η οποία στη συνέχεια κυματίζει έξω από το άτομο.
Τα ηλεκτρόνια το κάνουν συνεχώς - έτσι δημιουργείται η περισσότερη ακτινοβολία! Ενεργοποιήστε έναν φακό και υπάρχει μια δέσμη ηλεκτρονίων που πέφτουν απότομα σε επίπεδα ενέργειας σε όλο το μέρος. Αλλά ο λόγος που ο φακός σας δεν είναι ισχυρή δέσμη λέιζερ (συγγνώμη) είναι ότι αυτά τα ηλεκτρόνια δεν είναι συγχρονισμένα. Αντ 'αυτού, πηδούν παντού, απελευθερώνουν ενέργεια τυχαία και σχεδόν ποτέ δεν έχουν το ίδιο μήκος κύματος ή τον ίδιο χρόνο. Στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρόνια φαίνεται να διασκορπίζουν φυσικά τα μήκη κύματος και το χρονισμό τους σε αυτές τις καταστάσεις, γεγονός που καθιστά τα τυχαία λέιζερ σχεδόν - αλλά όχι εντελώς - αδύνατα.
Κατά τη δημιουργία λέιζερ, οι μηχανικοί πρέπει να ενεργούν σαν αγωγοί ορχήστρας για έναν αμέτρητο αριθμό ηλεκτρονίων, κάνοντας τους όλους να αποκτήσουν ενέργεια και να το απελευθερώσουν σε συγχρονισμό. Όταν είναι επιτυχής, δημιουργείται μια συνεκτική ροή φωτονίων που όλα κινούνται με τον ίδιο τρόπο, την ίδια στιγμή, προς την ίδια κατεύθυνση ... και γεννιέται ένα λέιζερ. Αυτό συμβαίνει χάρη σε μια προσεκτικά κατασκευασμένη διαδικασία και τα σωστά υλικά, για τα οποία θα μιλήσουμε στην επόμενη ενότητα!
Ανατομία ενός σύγχρονου λέιζερ
Christian Delbert / 123rf Christian Delbert / 123rf Τα λέιζερ διατίθενται σε όλα τα μεγέθη, από μικροσκοπικά λέιζερ σε μικροτσίπ έως τεράστια λέιζερ σε επιστημονικές ερευνητικές εγκαταστάσεις. Ωστόσο, τα περισσότερα μπορούν να χωριστούν σε τρία πολύ σημαντικά μέρη που επιτρέπουν τη λειτουργία του λέιζερ.
ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: Πρώτον, τα λέιζερ απαιτούν μια πηγή ενέργειας (που ονομάζεται επίσης πηγές αντλίας ή μηχανισμούς διέγερσης) για την άντληση ενέργειας στο λέιζερ, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια του να έχουν πολύ χυμό για να εργαστούν. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί δημοφιλείς τύποι πηγών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των άμεσων ηλεκτρικών απορρίψεων, των χημικών αντιδράσεων και των ισχυρών πηγών φωτός όπως οι λαμπτήρες φλας.
Μεσαίο: Το μέσο (συνήθως ονομάζεται μέσο κέρδους ή μέσο λέιζερ) είναι όπου κατευθύνεται η ενέργεια. Η δουλειά του είναι να συγκεντρώσει αυτήν την ενέργεια, να πάρει τα ηλεκτρόνια της να πηδούν σαν τρελό και να εκπέμπει ισχυρές εκρήξεις φωτός που είναι έτοιμες να διαμορφωθούν σε λέιζερ. Τα μέσα καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα υλικών: Μερικά είναι υγρά, μερικά είναι αέρια και μερικά είναι κρυσταλλικά στερεά. Ακόμη και ένας ταπεινός ημιαγωγός μπορεί να λειτουργήσει ως μέσο λέιζερ.
Οπτική κοιλότητα: Η οπτική κοιλότητα ή αντηχείο παίρνει όλο το φως που απελευθερώνεται από το μέσο και το εστιάζει. Στην κλασική ρύθμιση λέιζερ, χρησιμοποιεί δύο καθρέφτες για να αναπηδήσει αυτό το φως μπρος-πίσω για να συγχρονίσει τους παλμούς, ενισχύοντας την ενέργεια και κατευθύνοντας το προς ένα μικρό άνοιγμα όπου κατευθύνεται το λέιζερ.
Τι συμβαίνει όταν ένα λέιζερ χτυπά κάτι
Όταν ένα λέιζερ χτυπά ένα υλικό, ενεργεί όπως και η άλλη ακτινοβολία: Κάποια απορροφάται, κάποια ανακλάται και μερικά μπορεί να περάσουν ή να μεταδοθούν. Αλλά αυτό δεν μας λέει πολλά για το τι είναι ένα συγκεκριμένο, εστιασμένο λέιζερ στην πραγματικότητα στο υλικό, οπότε ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε πολλές σημαντικές κατηγορίες πρακτικών χρήσεων λέιζερ και πώς λειτουργούν.
Φωτισμός: Σε αυτήν την περίπτωση, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται απλά για να φωτίζουν κάτι που είναι δύσκολο να το δεις. Αυτό είναι σωστό, μερικές φορές ακόμη και ο αξιόπιστος φακός δεν θα το κάνει, ειδικά σε πολύ μεγάλες αποστάσεις - ή όταν οι εκπαιδευτικοί θέλουν πραγματικά να χρησιμοποιήσουν ένα δείκτη λέιζερ. Και ναι, αυτό μπορεί να είναι επικίνδυνο.
Αντανάκλαση: Όταν τα λέιζερ επικεντρώνονται στην αντανάκλαση, συνήθως μεταδίδουν πληροφορίες. Το καλύτερο παράδειγμα εδώ είναι μια μονάδα οπτικού δίσκου που βρίσκεται σε συσκευές αναπαραγωγής Blu-ray, υπολογιστές και ούτω καθεξής. Ωστόσο, υπάρχουν πολλές εφαρμογές έξυπνων συσκευών.
Πυρολυτική / φωτολυτική αντίδραση: Εδώ, το λέιζερ γενικά προορίζεται να αλλάξει κάτι… καταστρεπτικά. Οι πυρολυτικές εκδόσεις θερμαίνουν ένα υλικό, συνήθως για να το λιώσουν (και hey, μερικές φορές zap πουλιά). Οι φωτολυτικές εκδόσεις διαλύουν χημικούς δεσμούς μέσα σε ένα υλικό για την επίτευξη παρόμοιων στόχων.
Διαβίβαση: Εδώ το λέιζερ έχει σχεδιαστεί για τη μετάδοση ενός κώδικα που περικλείει πολύτιμα δεδομένα, όπως και στις οπτικές ίνες.
Αλλαγή κατάστασης: Αυτό είναι ένα είδος «catch-all» κατηγορίας, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις ο σκοπός του λέιζερ είναι να αλλάξει το υλικό ή να μετατραπεί σε διαφορετικό τύπο ενέργειας (χωρίς να κάψει τίποτα). Σε αυτήν την περίπτωση, το υλικό απορροφά το λέιζερ και μετά υποβάλλεται σε έναν ενδιαφέρον μετασχηματισμό. Για παράδειγμα, ορισμένα λέιζερ μετατρέπουν το φως σε ήχο. Πολλές τέτοιες συσκευές έχουν πολύτιμες εφαρμογές στην καθημερινή μηχανική.
