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레이저를 통해 빛의 힘을 활용함으로써 레이저를 다양한 목적으로 사용하고 기본 물리 및 화학을 연구함으로써 레이저를 더 잘 이해할 수 있습니다.
일반적으로, 레이저는 고체, 액체 또는 가스 등의 레이저 재료로 만들어져 빛의 형태로 방사선을 방출합니다. "방사선 방출에 의한 광 증폭"의 약자로서, 자극 방출 방법은 레이저가 다른 전자기 방사선원과 어떻게 다른지 보여줍니다. 이 빛의 주파수가 어떻게 나오는지 알면 다양한 용도로 잠재력을 활용할 수 있습니다.
레이저 정의
레이저는 전자를 방출하여 전자기 방사선을 방출하는 장치로 정의 할 수 있습니다. 이 레이저 정의는 방사선이 전자파 스펙트럼에서 전파에서 감마선에 이르기까지 모든 종류의 형태를 취할 수 있음을 의미합니다.
일반적으로 레이저의 빛은 좁은 경로를 따라 이동하지만 넓은 범위의 방출 파를 가진 레이저도 가능합니다. 이러한 레이저 개념을 통해 해안의 파도처럼 생각할 수 있습니다.
과학자들은 두 신호 간의 위상차가 단계적이며 주파수와 파형이 동일한 지 여부를 설명하는 기능인 일관성에 관해 레이저를 설명했습니다. 레이저를 피크, 밸리 및 트로프가있는 파동으로 생각하면 위상차는 한 파가 다른 파와 동기화되지 않은 정도 또는 두 파가 겹치지 않는 정도입니다.
빛의 주파수는 몇 초 안에 주어진 지점을 통과하는 파동 피크 수이며, 파장은 최저점에서 최저점까지 또는 최고점에서 최고점까지 단일 파의 전체 길이입니다.
개별 양자 에너지 입자 인 광자는 레이저의 전자기 방사선을 구성합니다. 이 양자화 된 패킷은 레이저의 빛이 항상 단일 광자의 에너지의 배수로 에너지를 가지며이 양자 "패킷"에 들어온다는 것을 의미합니다. 이것이 전자파를 입자처럼 만듭니다.
레이저 빔 제작 방법
많은 유형의 장치는 광학 공동과 같은 레이저를 방출합니다. 전자기 방사선을 자체적으로 방출하는 물질의 빛을 반사하는 챔버입니다. 그들은 일반적으로 두 개의 거울로 만들어지며, 재료의 각 끝에 하나씩 빛을 반사 할 때 빛의 광선이 강해집니다. 이 증폭 된 신호는 레이저 캐비티 끝에있는 투명 렌즈를 통해 나옵니다.
전류를 공급하는 외부 배터리와 같은 에너지 원이있을 때 전자기 방사선을 방출하는 재료는 다양한 에너지 상태에서 레이저의 빛을 방출합니다. 이러한 에너지 수준 또는 양자 수준은 소스 재료 자체에 따라 다릅니다. 재료에서 전자의 높은 에너지 상태는 불안정하거나 여기 된 상태 일 가능성이 높으며 레이저는 빛을 통해이를 방출합니다.
손전등의 빛과 같은 다른 빛과 달리 레이저는 자체적으로 주기적으로 빛을 발산합니다. 즉, 레이저의 각 파동의 볏과 트로프는 전후의 파동의 틈과 정렬되어 빛을 일관되게 만듭니다.
레이저는 전자기 스펙트럼의 특정 주파수의 빛을 발산하도록 이러한 방식으로 설계되었습니다. 대부분의 경우,이 빛은 레이저가 정확한 주파수로 방출하는 좁은 이산 빔의 형태를 취하지 만 일부 레이저는 광범위하고 연속적인 빛의 범위를 방출합니다.
인구 역전
발생할 수있는 외부 에너지 원에 의해 구동되는 레이저의 특징 중 하나는 인구 역전입니다. 이것은 자극 방출의 한 형태이며, 여기 상태의 입자 수가 낮은 수준의 에너지 상태의 입자 수보다 많은 경우에 발생합니다.
레이저가 집단 반전을 달성 할 때, 빛이 생성 할 수있는이 자극 된 방출량은 거울로부터의 흡수량보다 더 클 것이다. 이로 인해 광 증폭기가 생성되고 공명 광 공동 내에 배치하면 레이저 발진기가 생성됩니다.
레이저 원리
전자를 여기시키고 방출하는 이러한 방법은 레이저가 에너지 원, 많은 용도에서 발견되는 레이저 원리의 기초를 형성한다. 전자가 차지할 수있는 양자화 된 수준은 방출되는 데 많은 에너지를 필요로하지 않는 저에너지 수준과 핵에 가깝고 단단한 상태를 유지하는 고 에너지 입자까지 다양합니다. 올바른 방향과 에너지 수준에서 원자가 서로 충돌하여 전자가 방출되면 이것은 자연 발산입니다.
자발적 방출이 발생할 때, 원자에 의해 방출 된 광자는 임의의 위상과 방향을 갖습니다. 불확실성 원리는 과학자들이 입자의 위치와 운동량을 완벽하게 정확하게 알 수 없기 때문입니다. 입자 위치에 대해 많이 알수록 운동량에 대한 정보는 줄어 듭니다.
Planck 방정식을 사용하여 이러한 배출 에너지를 계산할 수 있습니다 E = hν 에너지를 위해 이자형 줄 단위, 빈도 ν s에서 전자의-1 플랑크 스 상수 h = 6.63 × 10-34 엠2 kg / 초 원자에서 방출 될 때 광자가 갖는 에너지는 에너지의 변화로 계산 될 수 있습니다. 이 에너지 변화와 관련된 주파수를 찾으려면 ν 이 방출의 에너지 값을 사용합니다.
레이저의 종류 분류
레이저의 광범위한 용도를 고려할 때, 레이저는 목적, 빛의 유형 또는 레이저 자체의 재료에 따라 분류 될 수 있습니다. 그것들을 분류하는 방법을 생각해 내려면 이러한 모든 크기의 레이저를 고려해야합니다. 그것들을 그룹화하는 한 가지 방법은 그들이 사용하는 빛의 파장에 의한 것입니다.
레이저 전자기 방사선의 파장은 그들이 사용하는 에너지의 주파수와 강도를 결정합니다. 더 큰 파장은 더 적은 양의 에너지 및 더 작은 주파수와 관련이 있습니다. 반대로, 광선의 주파수가 높을수록 더 많은 에너지를 갖습니다.
레이저 재료의 특성에 따라 레이저를 그룹화 할 수도 있습니다. 고체 레이저는 이러한 유형의 레이저에 대한 네오디뮴 이온을 수용하는 결정 이트륨 알루미늄 가넷에 사용되는 네오디뮴과 같은 원자의 고체 매트릭스를 사용합니다. 가스 레이저는 헬륨 및 네온과 같은 튜브에 혼합 된 가스를 사용하여 붉은 색을 만듭니다. 염료 레이저는 액체 용액 또는 현탁액의 유기 염료 재료로 생성됩니다
염료 레이저는 일반적으로 액체 용액 또는 현탁액에서 복잡한 유기 염료 인 레이저 매체를 사용합니다. 반도체 레이저는 더 큰 어레이에 내장 될 수있는 2 층의 반도체 재료를 사용합니다. 반도체는 도입 된 화학 물질 또는 온도 변화로 인해 소량의 불순물 또는 화학 물질 도입을 사용하는 절연체와 전도체의 강도를 사용하여 전기를 전도하는 물질입니다.
레이저의 구성 요소
서로 다른 용도로 사용하기 위해 모든 레이저는 고체, 액체 또는 가스 형태의 빛 소스의 두 가지 구성 요소를 사용하여 전자를 방출 하고이 소스를 자극하는 것입니다. 이것은 다른 레이저 또는 레이저 재료 자체의 자발적 방출 일 수 있습니다.
일부 레이저는 펌핑 시스템, 즉 레이저 매체에서 입자의 에너지를 증가시키는 방법을 사용하여 인구를 반전시키기 위해 흥분 상태에 도달하게합니다. 가스 플래쉬 램프는 레이저 재료에 에너지를 전달하는 광학 펌핑에 사용될 수 있습니다. 레이저 재료 에너지가 재료 내 원자의 충돌에 의존하는 경우, 시스템을 충돌 펌핑이라고합니다.
레이저 빔의 구성 요소는 에너지를 공급하는 데 걸리는 시간도 다릅니다. 연속파 레이저는 안정적인 평균 빔 파워를 사용합니다. 더 높은 전력 시스템을 사용하면 일반적으로 전력을 조정할 수 있지만 헬륨 네온 레이저와 같은 더 낮은 전력 가스 레이저를 사용하면 가스 함량에 따라 전력 수준이 고정됩니다.
헬륨 네온 레이저
헬륨-네온 레이저는 최초의 연속파 시스템으로 적색광을 방출하는 것으로 알려져 있습니다. 역사적으로 그들은 고주파 신호를 사용하여 재료를 자극했지만 오늘날에는 레이저 튜브의 전극 사이에 작은 직류 방전을 사용합니다.
헬륨의 전자가 여기 될 때, 이들은 충돌을 통해 네온 원자에 에너지를 방출하여 네온 원자 사이에서 집단 반전을 만듭니다. 헬륨-네온 레이저는 또한 고주파에서 안정적인 방식으로 기능 할 수있다. 파이프 라인 정렬, 측량 및 X- 레이에 사용됩니다.
아르곤, 크립톤 및 크세논 이온 레이저
아르곤, 크립톤 및 크세논의 3 가지 귀 가스는 자외선에서 적외선에 이르는 수십 개의 레이저 주파수에서 레이저 응용 분야에 사용되는 것으로 나타났습니다. 또한이 세 가지 가스를 서로 혼합하여 특정 주파수와 방출을 생성 할 수 있습니다. 이온 형태의 이들 가스는 집단 반전을 달성 할 때까지 서로 충돌하여 전자가 여기되도록한다.
이러한 종류의 레이저의 많은 디자인을 통해 원하는 주파수를 달성하기 위해 캐비티가 방출 할 특정 파장을 선택할 수 있습니다. 캐비티 내에서 한 쌍의 거울을 조작하면 단일 주파수의 빛을 분리 할 수도 있습니다. 아르곤, 크립톤 및 크세논의 세 가지 가스를 사용하면 다양한 조합의 광 주파수 중에서 선택할 수 있습니다.
이 레이저는 매우 안정적이며 많은 열을 발생시키지 않는 출력을 생성합니다. 이 레이저는 등대에서 사용되는 것과 동일한 화학 및 물리적 원리와 스트로보 스코프와 같은 밝고 전기적인 램프를 보여줍니다.
이산화탄소 레이저
이산화탄소 레이저는 연속파 레이저 중 가장 효과적이고 효과적입니다. 이산화탄소 가스가있는 플라즈마 튜브에서 전류를 사용하여 작동합니다. 전자 충돌은 이러한 가스 분자를 자극하여 에너지를 방출합니다. 질소, 헬륨, 크세논, 이산화탄소 및 물을 추가하여 다른 레이저 주파수를 생성 할 수도 있습니다.
다른 분야에서 사용될 수있는 레이저의 유형을 볼 때, 많은 에너지를 소비하지 않으면 서 상당한 비율의 에너지를 사용하도록 효율성이 높기 때문에 많은 전력을 생성 할 수있는 레이저를 결정할 수 있습니다. 낭비하다 헬륨-네온 레이저는 효율이 0.1 % 미만이지만 이산화탄소 레이저의 비율은 헬륨-네온 레이저의 300 배인 약 30 %입니다. 그럼에도 불구하고 이산화탄소 레이저는 헬륨 네온 레이저와 달리 적절한 주파수를 반사하거나 전달하기 위해 특수 코팅이 필요합니다.
엑시머 레이저
엑시머 레이저는 1975 년에 처음 발명되었을 때 미세 수술 및 산업용 미세 석판 술에서 정밀한 레이저 빔을 생성하려고 시도한 자외선 (UV)을 사용합니다. 그들의 이름은 "여진 된 이량 체 (excited dimer)"라는 용어에서 유래 한 것으로, 이량 체는 전자기 스펙트럼의 UV 범위에서 특정 주파수의 빛을 생성하는 에너지 레벨 구성으로 전기적으로 여기 된 가스 조합의 산물이다.
이 레이저는 염소 및 불소와 같은 반응성 가스를 많은 양의 희귀 가스 아르곤, 크립톤 및 크세논과 함께 사용합니다. 의사와 연구원은 눈 수술 레이저 응용 분야에 얼마나 강력하고 효과적인가를 고려할 때 여전히 외과 응용 분야에서의 용도를 탐색하고 있습니다. 엑시머 레이저는 각막에서 열을 발생시키지 않지만, 에너지는 눈에 불필요한 손상을주지 않으면 서 "광분해 분해"라 불리는 과정에서 각막 조직의 분자간 결합을 파괴 할 수 있습니다.