Tip:
Highlight text to annotate it
X
Jak działa Laser - EngineerGuy Series #4
Przez wiele lat lasery były na pograniczu fantastyki naukowej,
dzisiaj spory kawał technologii opiera się właśnie na nich.
Urządzenia do pomiaru odległości, komunikacja światłowodowa i oczywiście
czytniki kodów kreskowych.
Unikalne właściwości światła laserowego
sprawiają, że te wszystkie rzeczy mogły powstać.
Jednak wykorzystanie lasera przy zabiegach okulistycznych
do operacji siatkówki, przesłania inne zastosowania.
Uszkodzenia mogą powodować odklejanie się siatkówki oka
od tkanki na której ona się znajduje.
Bez szybkiego leczenia, odklejeniu może ulec cała siatkówka
powodując ślepotę.
Chirurdzy używają zielonego światła laserowego o niemal pojedynczej długości fali
ponieważ światło tej długości przechodzi przez soczewkę oka
i ciało szkliste
bez uszkadzania ich.
Promień lasera dociera do siatkówki gdzie tkanki
silnie absorbują światło. Używając światła o dużej intensywności
można naprawić uszkodzenia w siatkówce.
Wąski promień lasera pozwala chirurgowi na działanie
tylko w tych obszarach które wymagają leczenia
- obszarach o promieniu rzędu 30 mikronów.
To, że laser wytwarza światło o tych trzech charakterystykach
jest wyczynem inżynierii.
Pozwól, że Ci pokażę.
Dowolna zabawka świecąca w ciemności ilustruje podstawowe zasady
wytwarzania światła laserowego.
Ten przedmiot świeci ponieważ substancja na bazie cynki i miedzi
pokrywająca jego wnętrze absorbuje energię ze źródła światła
a później wypromieniowuje go jako jako własne światło.
Światło dostarcza energię do elektronów
przesuwając je na wyższe stany energetyczne.
Kiedy wyłączymy światło, elektrony te powoli tracą
energię wracając na niski, podstawowy poziom energetyczny.
Utracona energia zamienia się w światło.
Podobne zjawisko leży u podstaw lasera.
Pozwól, że powiem trochę o budowie
pierwszego stworzonego rubinowego lasera.
Mam tutaj małą rubinową kulkę
i kilka czerwonych kulek szklanych.
Kiedy zaświecimy niebieskim światłem na szklane kulki nic ciekawego się nie dzieje
ale świecąc na kulkę rubinową - ona sama zacznie świecić na czerwono.
W przeciwności do zabawek świecących w ciemnościach tutaj efekt pojawia się natychmiast
a kiedy wyłączę niebieskie światło - znika.
W 1960 roku, Ted Maiman zaprezentował pierwszy laser
biorąc rubinowy cylinder i umieszczając go
w ksenonowej lampie używanej w fotografii.
Intensywny strumień światła z lampy zapoczątkował reakcję łańcuchową.
Żeby zobaczyć jak to działa, zbadajmy najpierw
co wydarzy się jeśli użyjemy słabszej lampy.
Błysk światła przeniesie kilka elektronów
ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego.
Stracą one trochę energii
spadając na nieco niższy poziom energetyczny bez emisji światła
po czym wracają na poziom podstawowy
emitując spontanicznie dużą ilość światła.
Światło produkowane w ten sposób byłoby niespójne
o różnych barwach i intensywności
zupełnie jak w przypadku rubinowej kulki.
Żeby zbudować laser potrzeba potężnej lampy.
W laserze rubinowym powtarzające się błyski
zwane pompowaniem
sprawiają, że dzieje się coś niesamowitego.
Dostarczają one tyle energii, że następuje odwrócenie populacji stanów
W stanie ponadpodstawowym znajduje się więcej elektronów
niż w stanie podstawowym.
Elektrony ze stanu wzbudzonego wracając do
stanu początkowego emitują światło które rozpoczyna
reakcję lawinową zwaną emisją wymuszoną.
Fotony produkowane w emisji wymuszonej
powodują uwolnienie energii w innych wzbudzonych elektronach
i w wyniku - emisję niemal identycznych fotonów.
To tworzy spójne światło
co oznacza, że górki i doliny wszystkich
fal świetlnych pokrywają się.
W tym momencie mamy spójne światło
ale potrzebujemy jeszcze pozostałych właściwości lasera.
Aby zawęzić strumień światła i sprawić, by promienie były równoległe
i niemal tej samej długości fali
potrzebujemy małej zmiany w rubinowym cylindrze.
Maiman pokrył końce cylindra srebrem aby odbić między nimi światło
Wykonał oba końce nieprawdopodobnie precyzyjnie równoległe
Od góry do dołu dystans między tymi srebrnymi lustrami
nie odbiegał bardziej niż na 200 nanometrów.
W środku działy się dwie rzeczy.
Po pierwsze, każdy promień który nie pokrywał się z osią cylindra
po prostu z niego wylatywał.
A światło równoległe do osi zostawało zintensyfikowane
a długość jego fali została zawężona.
Lustrzane końce tworzyły falę stojącą
co znaczy, że tylko światło o określonej długości fali
mogło opuścić wnętrze.
Dobierając odpowiednia długość tuby
możemy ustalić niemal dokładnie pojedynczą długość
fali świetlnej lasera.
Mały otwór w jednym z luster albo półprzepuszczalne okienko
pozwala na ucieczkę światła i tworzenie wiązki.
Odkąd stworzono pierwszy rubinowy laser
stały się one proste i tanie w produkcji.
Przykładowo ten wskaźnik laserowy
używa półprzewodnikowej diody do wytwarzania światła.
Mimo, że powstało wiele ulepszeń od
1960 roku, podstawy są te same.
Jestem Bill Hammack, inżynier-superktoś :)
Ten film powstał na podstawie rozdziału z ksiązki
Eight Amazing Engineering Stories.
Rozdział ten przedstawia więcej informacji w danym temacie.