Back to the topics list

laser

Understanding Lasers: A Dive into Optics

Lasrar, som står för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, är enheter som avger starkt fokuserat, koherent och monokromatiskt ljus. Till skillnad från vanliga ljuskällor producerar lasrar ljus som är mycket exakt och kan styras med hög noggrannhet. Den här lektionen utforskar principerna för lasrar, deras typer och tillämpningar, särskilt inom optikområdet.

Principer för laserdrift

I hjärtat av laserdrift är processen med stimulerad emission. Denna process involverar förstärkning av ljus genom att excitera elektroner i ett medium (gas, fast eller flytande) till en högre energinivå. När dessa exciterade elektroner återgår till en lägre energinivå sänder de ut fotoner (ljuspartiklar) med specifik energi. Viktigt är att dessa fotoner stimulerar andra exciterade elektroner att avge ytterligare fotoner, vilket skapar en kedjereaktion som förstärker ljuset.

De tre huvudkomponenterna i en laser är:

• Gain Medium: Materialet som förstärker ljuset. Det kan vara en gas, fast eller flytande.
• Energikälla: Ger energi för att excitera elektronerna i förstärkningsmediet.
• Optisk hålighet: Ett par speglar som reflekterar fotoner fram och tillbaka genom förstärkningsmediet, vilket ytterligare förstärker ljuset och säkerställer att det är koherent och monokromatiskt.

Nyckeln till laserdrift är att uppnå ett tillstånd som kallas "populationsinversion", där fler elektroner i förstärkningsmediet är i det exciterade tillståndet än i det lägre energitillståndet. Detta tillstånd är nödvändigt för att stimulerad emission ska dominera över absorptionen.

Typer av laser

Lasrar kan kategoriseras baserat på deras förstärkningsmedium:

• Gaslasrar: Använd en gas som förstärkningsmedium. Exempel inkluderar Helium-Neon-lasern (HeNe), som avger ett rött ljus, och CO ₂ -lasern, som ofta används vid industriell skärning och gravering.
• Solid-State-lasrar: Ha ett fast förstärkningsmedium, som en rubin- eller neodymdopad granat av yttriumaluminium (Nd:YAG). Dessa lasrar används ofta i laserpekare och medicinsk utrustning.
• Halvledarlasrar: Även känd som diodlasrar, de använder en halvledarövergång som förstärkningsmedium. Dessa är kompakta och effektiva, som finns i streckkodsläsare och optiska enheter.

Tillämpningar av laser i optik

Lasrar har förändrat många aspekter av optik och har hittat omfattande tillämpningar:

• Optisk fiberkommunikation: Lasrar används för att överföra data över långa avstånd genom optiska fibrer med minimal förlust, vilket möjliggör höghastighetsinternet och telekommunikationstjänster.
• Ögonlaserkirurgi: Exakta och kontrollerade laserstrålar korrigerar synen genom att omforma hornhinnan i procedurer som LASIK.
• Holografi: Lasrar skapar och visar hologram, tredimensionella bilder inspelade i ljusmönster, för säkerhet, underhållning och datalagring.
• LIDAR (Light Detection and Ranging): Använder laserljus för att mäta avstånd, hastigheter och kartlägga fysiska egenskaper, viktigt i autonoma fordon, lantmäteri och arkeologi.

Förstå laserljus genom experiment

Även om komplex utrustning behövs för djupgående experiment med lasrar, kan observation av laserljus interferensmönster ge insikter om deras egenskaper.

Interferensmönster: När laserljus passerar genom två tätt belägna slitsar (en uppsättning som kallas Youngs dubbelslitsexperiment), skapar det ett interferensmönster på en skärm placerad bakom slitsarna. Detta mönster av ljusa och mörka band visar ljusets vågnatur och laserljusets koherens. Avståndet mellan dessa band kan ges av ekvationen:

där \(D\) är avståndet mellan intilliggande ljusa eller mörka band, \(\lambda\) är våglängden för laserljuset, \(L\) är avståndet från slitsarna till skärmen, och \(d\) är avståndet mellan de två slitsarna.

Att förstå lasrar och deras principer dyker inte bara djupt in i optikområdet utan öppnar också dörrar till innovationer inom kommunikation, sjukvård och olika vetenskapliga undersökningar. Deras precision och förmåga att noggrant kontrolleras gör lasrar till oumbärliga verktyg inom modern teknik och forskning.