Lasery

Jak lasery wytwarzają światło?

Jeśli to tyle szczegółów, ile chcesz wiedzieć o laserach, możesz przestać czytać teraz lub przejść dalej, do rodzajów laserów. Ta sekcja omawia te same punkty z powyższej ramki w nieco bardziej szczegółowy sposób i nieco bardziej „teoretycznie”. To skomplikowana i zagmatwana nazwa, ale jeśli ją powoli rozłożyć na czynniki pierwsze, to w rzeczywistości jest to bardzo jasne wyjaśnienie tego, jak lasery wytwarzają swoje super-mocne wiązki światła.

Emisja spontaniczna

Zacznijmy od „R” w nazwie lasera: promieniowanie.Promieniowanie wytwarzane przez lasery nie ma nic wspólnego z niebezpieczną radioaktywnością, czymś, co sprawia, że liczniki Geigera klikają, co atomy wyrzucają z siebie, gdy się rozbijają lub rozpadają. Lasery wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne, tak jak zwykłe światło, fale radiowe, promienie X i podczerwień. Chociaż jest ono nadal wytwarzane przez atomy, wytwarzają one („emitują”) je w zupełnie inny sposób, kiedy elektrony skaczą w górę i w dół wewnątrz nich. Możemy pomyśleć o elektronach w atomach siedzących na poziomach energetycznych, które są trochę jak szczeble na drabinie. Normalnie, elektrony siedzą na najniższym możliwym poziomie, który nazywany jest stanem podstawowym atomu. Jeśli wystrzelisz odpowiednią ilość energii, możesz przesunąć elektron na wyższy poziom, na następny szczebel „drabiny”. To się nazywa absorpcja i w nowym stanie mówimy, że atom jest wzbudzony, ale jest on również niestabilny. Bardzo szybko powraca on do stanu podstawowego, oddając zaabsorbowaną energię w postaci fotonu (cząstki światła). Proces ten nazywamy spontaniczną emisją promieniowania: atom sam z siebie (spontanicznie) wydziela światło (emituje promieniowanie).

Foto: Od świec przez żarówki i fajerwerki po latarki, wszystkie konwencjonalne formy światła działają poprzez proces emisji spontanicznej. W świecy, spalanie (reakcja chemiczna pomiędzy tlenem i paliwem, w tym przypadku woskiem) wzbudza atomy i czyni je niestabilnymi. Po powrocie do stanu wyjściowego (podstawowego) wydzielają one światło. Każdy foton powstały w wyniku emisji spontanicznej wewnątrz płomienia świecy jest inny od każdego innego fotonu, dlatego też mamy do czynienia z mieszaniną różnych długości fal (i kolorów), tworząc „białe” światło. Fotony pojawiają się w przypadkowych kierunkach, z falami, które nie są zgodne ze sobą („poza fazą”), dlatego światło świecy jest znacznie słabsze niż światło lasera.

Emisja stymulowana

Normalnie, typowa grupa atomów miałaby więcej elektronów w stanie podstawowym niż w stanie wzbudzonym, co jest jednym z powodów, dla których atomy nie wydzielają spontanicznie światła.Ale co by się stało, gdybyśmy wzbudzili te atomy – napompowali je energią – ich elektrony były w stanach wzbudzonych. W takim przypadku, „populacja” wzbudzonych elektronów byłaby większa niż „populacja” w ich stanach podstawowych, więc byłoby mnóstwo elektronów gotowych i chętnych do tworzenia fotonów światła. Nazywamy tę sytuację inwersją populacji, ponieważ zwykły stan pary w atomach jest zamieniony (odwrócony). Załóżmy teraz, że moglibyśmy utrzymać nasze atomy w tym stanie przez jakiś czas, tak aby nie przeskakiwały automatycznie z powrotem do stanu podstawowego (tymczasowo wzbudzony stan znany jako metastabilny stan). Wtedy odkrylibyśmy coś naprawdę interesującego. Jeśli wystrzelimy foton o odpowiedniej energii przez naszą grupę atomów, spowodujemy, że jeden ze wzbudzonych elektronów powróci do swojego stanu podstawowego, wydzielając zarówno foton, który wystrzeliliśmy, jak i foton wytworzony przez zmianę stanu elektronu. Ponieważ pobudzamy atomy, aby wydobyć z nich promieniowanie, proces ten nazywamy emisją stymulowaną. Otrzymujemy dwa fotony po wrzuceniu jednego fotonu, efektywnie podwajając nasze światło i wzmacniając je (zwiększając je). Te dwa fotony mogą stymulować inne atomy do wydawania kolejnych fotonów, więc wkrótce otrzymujemy kaskadę fotonów – reakcję łańcuchową – wyrzucającą wspaniałą wiązkę czystego, spójnego światła laserowego. To, co tutaj zrobiliśmy, to wzmocnienie światła za pomocą stymulowanej emisji promieniowania – i właśnie w ten sposób laser otrzymuje swoją nazwę.

Opracowanie: Jak działają lasery w teorii: Po lewej: Absorpcja: Wpal energię (zielony) do atomu i możesz przesunąć elektron (niebieski) z jego stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, co zwykle oznacza odsunięcie go od jądra (szary). Środek: Spontaniczna emisja: Wzbudzony elektron naturalnie przeskoczy z powrotem do stanu podstawowego, wydzielając kwant (pakiet energii) jako foton (zielony wiggle). Po prawej: Emisja stymulowana: Wystrzel foton w pobliżu grupy wzbudzonych atomów i możesz wywołać kaskadę identycznych fotonów. Jeden foton światła wyzwala wiele, więc mamy tu do czynienia ze wzmocnieniem światła (wytwarzaniem większej ilości światła) poprzez stymulowaną emisję promieniowania (elektromagnetycznego) – LASER!.

Co sprawia, że światło lasera jest tak różne?

Jeśli w ten sposób lasery wytwarzają światło, dlaczego wytwarzają pojedynczy kolor i spójną wiązkę? Sprowadza się to do tezy, że energia może istnieć tylko w stałych pakietach, z których każdy nazywany jest kwantem. To trochę jak z pieniędzmi. Możesz mieć pieniądze tylko w wielokrotnościach najbardziej podstawowej jednostki twojej waluty, którą może być cent, pens, rupia, czy cokolwiek innego. Nie możesz mieć dziesiątej części centa lub dwudziestej części rupii, ale możesz mieć 10 centów lub 20 rupii. To samo dotyczy energii i jest szczególnie zauważalne w atomach.

Jak szczeble na drabinie, poziomy energii w atomach są w stałych miejscach, z przerwami między nimi. Nie możesz postawić stopy gdziekolwiek na drabinie, tylko na szczeblach; i dokładnie w ten sam sposób, możesz tylko przemieszczać elektrony w atomach pomiędzy ustalonymi poziomami energetycznymi. Aby elektron przeskoczył z niższego na wyższy poziom, musisz dostarczyć precyzyjną ilość (kwant) energii, równą różnicy pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi. Whenelectrons flip back down from their excited to their ground state,they give out the same, precise amount of energy, which takes the form of a photon of light of a particular color. Emisja stymulowana w laserach sprawia, że elektrony produkują kaskadę identycznych fotonów – identycznych pod względem energii, częstotliwości, długości fali – i dlatego światło lasera jest monochromatyczne. Wytworzone fotony są równoważne falom świetlnym, których wierzchołki i wierzchołki pokrywają się (innymi słowy, są „w fazie”) – i to właśnie sprawia, że światło lasera jest spójne.

Typy laserów

Foto: Lasery – jak większość z nas je zna: To jest laser i soczewka, która skanuje płyty wewnątrz odtwarzacza CD lub DVD. Małe kółko na dole po prawej stronie to półprzewodnikowa dioda laserowa, a większe niebieskie kółko to soczewka, która odczytuje światło lasera po jego odbiciu od błyszczącej powierzchni płyty.

Ponieważ możemy wzbudzić wiele różnych rodzajów atomów na wiele różnych sposobów, możemy (teoretycznie) stworzyć wiele różnych rodzajów laserów.W praktyce istnieje tylko kilka popularnych rodzajów, z których pięć najbardziej znanych to lasery na ciele stałym, gazowe, ciekłe barwnikowe, półprzewodnikowe i światłowodowe.

Ciała stałe, ciecze i gazy to trzy główne stany materii, które dają nam trzy różne rodzaje laserów. Lasery półprzewodnikowe są podobne do tych, które zilustrowałem powyżej. Medium jest coś w rodzaju pręta rubinowego lub innego stałego materiału krystalicznego, a owinięta wokół niego lampa błyskowa pompuje jego atomy pełne energii. Aby działać efektywnie, ciało stałe musi być domieszkowane, jest to proces, który zastępuje niektóre atomy ciała stałego jonami zanieczyszczeń, nadając mu odpowiednie poziomy energii, aby wytworzyć światło laserowe o określonej, precyzyjnej częstotliwości. Lasery półprzewodnikowe wytwarzają wiązki o dużej mocy, zazwyczaj w bardzo krótkich impulsach. Lasery gazowe, w przeciwieństwie do nich, wytwarzają ciągłe jasne wiązki wykorzystując związki gazów szlachetnych (w tak zwanych laserach ekscymerowych) lub dwutlenek węgla (CO2) jako ich medium, pompowane energią elektryczną. Lasery CO2 są potężne, wydajne i zazwyczaj używane do przemysłowego cięcia i spawania. Lasery z ciekłym barwnikiem wykorzystują jako medium roztwór organicznych cząsteczek barwnika, pompowany przez coś w rodzaju lampy łukowej, lampy błyskowej lub innego lasera. Ich dużą zaletą jest to, że mogą być używane do produkcji szerszego pasma częstotliwości światła niż lasery półprzewodnikowe i gazowe, a nawet mogą być „dostrojone” do produkcji różnych częstotliwości.

While lasery stałe, cieczowe i gazowe mają tendencję do belarge, potężne i drogie, lasery półprzewodnikowe arecheap, tiny, chip-like urządzenia używane w takich rzeczach jak odtwarzacze CD, drukarki laserowe i skanery kodów kreskowych. Działają one jak skrzyżowanie konwencjonalnej diody emitującej światło (LED) z tradycyjnym laserem. Podobnie jak diody LED, wytwarzają światło, gdy elektrony i „dziury” (efektywnie, „brakujące elektrony”) podskakują i łączą się ze sobą; podobnie jak laser, generują spójne, monochromatyczne światło. Dlatego też są one czasami nazywane diodami laserowymi (lub laserami diodowymi). Więcej na ich temat można przeczytać w naszym osobnym artykule o półprzewodnikowych diodach laserowych.

Lasery światłowodowe działają w światłowodach; w efekcie światłowód z domieszką staje się medium wzmacniającym. Są one potężne, wydajne, niezawodne i ułatwiają przesyłanie światła laserowego tam, gdzie jest ono potrzebne.

Do czego używane są lasery?

Kiedy Theodore Maiman opracował pierwszy praktyczny laser, niewielu ludzi zdawało sobie sprawę, jak ważne staną się te maszyny. Goldfinger, film o Jamesie Bondzie z 1964 roku, oferował kuszące spojrzenie na przyszłość, w której lasery przemysłowe mogły jak zaczarowane przecinać wszystko na swojej drodze – nawet tajnych agentów! Później w tym samym roku, informując o przyznaniu Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki pionierowi laserów Charlesowi Townesowi, The New York Times zasugerował, że „promień lasera mógłby, na przykład, przenosić wszystkie programy radiowe i telewizyjne na świecie oraz kilkaset tysięcy rozmów telefonicznych jednocześnie. Jest on szeroko wykorzystywany do określania zasięgu i śledzenia pocisków”. Ponad pół wieku później, zastosowania takie jak to – narzędzia precyzyjne, komunikacja cyfrowa i obrona – pozostają wśród najważniejszych zastosowań laserów.

Zdjęcie: Za każdym razem, gdy drukuje dokument, drukarka laserowa na Twoim biurku pracowicie pobudza do działania ziliony atomów! Znajdujący się w niej laser jest używany do rysowania bardzo precyzyjnego obrazu strony, którą chcesz wydrukować, na dużym bębnie, który pobiera zasilany tusz (toner) i przenosi go na papier.

Narzędzia

Narzędzia tnące oparte na laserach CO2 są szeroko stosowane w przemyśle: są precyzyjne, łatwe do zautomatyzowania i, w przeciwieństwie do noży, nigdy nie wymagają ostrzenia. Tam, gdzie kiedyś kawałki tkanin były cięte ręcznie, aby zrobić takie rzeczy jak dżinsy, teraz tkaniny są cięte przez lasery sterowane robotami. Są one szybsze i dokładniejsze niż ludzie i mogą ciąć wiele grubości tkanin jednocześnie, co zwiększa wydajność i produktywność. Ta sama precyzja jest równie ważna w medycynie: lekarze rutynowo używają laserów na ciałach swoich pacjentów.do wszystkiego, od wysadzania guzów nowotworowych i kauteryzacji naczyń krwionośnych do korygowania problemów z ludzkim wzrokiem (laserowe operacje oczu, naprawianie odklejonych siatkówek i leczenie zaćmy wszystkie wiążą się z laserami).

Komunikacja

Lasery stanowią podstawę wszystkich rodzajów21-wiecznej technologii cyfrowej. Za każdym razem, gdy przeciągasz swoje zakupy przez skaner kodów kreskowych w sklepie spożywczym, używasz lasera do przekształcenia wydrukowanego kodu kreskowego w liczbę, którą komputer w kasie może zrozumieć. Kiedy oglądasz DVD lub słuchasz CD, wiązka lasera półprzewodnikowego odbija się od wirującej płyty, aby przekształcić wydrukowany na niej wzór danych w liczby; chip komputerowy przekształca te liczby w filmy, muzykę i dźwięk. Wraz z kablami światłowodowymi lasery są szeroko stosowane w technologii zwanej fotoniką – wykorzystującej fotony światła do komunikacji, na przykład do przesyłania ogromnych strumieni danych tam i z powrotem przez Internet.Facebook obecnie eksperymentuje z wykorzystaniem laserów (zamiast fal radiowych) do tworzenia lepszych połączeń z satelitami kosmicznymi, co mogłoby prowadzić do zwiększenia szybkości przesyłania danych i znacznie lepszego dostępu do Internetu w krajach rozwijających się.

Foto: Czy broń laserowa to przyszłość? Tak wygląda Laserowy System Broni US Navy (LaWS), który był testowany na pokładzie USS Ponce w 2014 roku. W przypadku takiej broni laserowej nie ma drogich pocisków ani rakiet, tylko niekończąca się dostawa zaciekle ukierunkowanej energii. Photo by John F. Williams courtesy of US Navy.

Obrona

Wojsko od dawna jest jednym z największych użytkowników tej technologii, głównie w broni i pociskach naprowadzanych laserowo.Pomimo popularyzacji w filmach i telewizji, idea sci-fi broni laserowej, która może ciąć, zabijać lub oślepiać wroga, pozostała fantazyjnauntil w połowie lat 80. W 1981 roku, The New York Times posunął się tak daleko, że zacytował jednego „wojskowego eksperta laserowego”, który powiedział: „To jest po prostu głupie. Potrzeba więcej energii, aby zabić jednego człowieka za pomocą lasera, niż aby zniszczyć pocisk”. Dwa lata później broń laserowa dalekiego zasięgu oficjalnie stała się podstawą kontrowersyjnej Strategicznej Inicjatywy Obronnej (SDI) prezydenta USA Ronalda Reagana, lepiej znanej jako program „Gwiezdnych Wojen”. Pierwotny pomysł zakładał wykorzystanie kosmicznych laserów rentgenowskich (oraz innych technologii) do niszczenia wrogich pocisków, zanim zdążą wyrządzić szkody, jednak plan ten stopniowo wygasł po upadku Związku Radzieckiego i zakończeniu zimnej wojny.

Nawet w związku z tym naukowcy zajmujący się obroną kontynuują prace nad przekształceniem pocisków laserowych z science fiction w rzeczywistość. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych po raz pierwszy rozpoczęła testy LaWS (Laser Weapon System)na pokładzie statku USS Ponce w Zatoce Perskiej w 2014 roku. Wykorzystując lasery półprzewodnikowe pompowane przez diody LED, miał on uszkadzać lub niszczyć sprzęt wroga taniej i precyzyjniej niż konwencjonalne pociski. Testy zakończyły się sukcesem,a Marynarka Wojenna ogłosiła kontrakty na budowę kolejnych systemów LaWS w 2018 roku.Tymczasem rozwój laserów kosmicznych trwa nadal, choć jak dotąd żaden z nich nie został wdrożony.

Foto: Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii opracowali najpotężniejszy na świecie laser, National Ignition Facility (NIF), do badań jądrowych. Umieszczony w 10-piętrowym budynku zajmującym obszar wielkości trzech boisk do piłki nożnej, wykorzystuje 192 oddzielne wiązki laserowe, aby dostarczyć do 500 trylionów watów mocy (100 razy więcej energii niż jakikolwiek inny laser), wytwarzając temperaturę do 100 milionów stopni. NIF kosztował w sumie 3,5 miliarda dolarów i ma zasilać najnowocześniejsze badania jądrowe przez następne 30 lat. Po lewej: Jedna z podwójnych wnęk laserowych w National Ignition Facility. Po prawej: Jak to działa: Wiązki z lasera są skupiane na małym granulacie paliwa w komorze w celu wytworzenia intensywnych temperatur (takich jak te panujące głęboko wewnątrz gwiazd). Chodzi o to, by wytworzyć fuzję jądrową (sprawić, by atomy połączyły się ze sobą) i uwolnić ogromną ilość energii. Photo credit: Lawrence Livermore National Laboratory.