Principio di funzionamento del laser verde

October 28, 2024
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I laser sono usati in una vasta gamma di prodotti e tecnologie, e la varietà è incredibile.Sembra che tutto abbia un laser nella sua ombra.Ma cos'è esattamente un laser? Qual è la differenza tra un raggio laser e un raggio di torcia?

Centro di Ricerca Langley della NASA
Il dispositivo di prova della soglia di danno ottico ha tre laser: neodimio-itrio-alluminio pulsato ad alta energia
Laser granato, laser di titanio-zaffiro e laser He-ne risonanti.

Centro di Ricerca Langley della NASA
Il dispositivo di prova della soglia di danno ottico ha tre laser: neodimio-itrio-alluminio pulsato ad alta energia
Laser granato, laser di titanio-zaffiro e laser He-ne risonanti.

Ci sono solo circa 100 diversi atomi in tutto l'universo. Tutto ciò che vediamo è composto da più di 100 atomi combinati in un numero infinito di modi.Il modo in cui questi atomi sono disposti tra loro determina se l'oggetto formato è un bicchiere d'acqua, un pezzo di metallo, o la schiuma in una bottiglia di soda!

Gli atomi sono in perpetuo movimento: vibrano, si muovono e ruotano costantemente, e persino gli atomi che formano i nostri sedili sono in costante movimento.Gli atomi hanno diversi stati di eccitazioneSe un atomo riceve abbastanza energia, può salire dal livello di energia dello stato di base al livello di energia dello stato eccitato.Il livello di energia dello stato eccitato dipende da quanta energia viene data all' atomo sotto forma di calore, luce, elettricità, ecc.

Il seguente diagramma illustra bene la struttura degli atomi:

 

Il modello atomico più semplice
E' composto da un nucleo atomico e dagli elettroni che orbitano intorno ad esso.

E' composto da un nucleo atomico e dagli elettroni che orbitano intorno ad esso.

Un semplice atomo è costituito da un nucleo (contenente protoni e neutroni) e da una nube di elettroni.Possiamo pensare agli elettroni in una nube di elettroni come viaggiando in un certo numero di orbite diverse intorno al nucleo.

Anche se guardiamo gli atomi con la tecnologia moderna, non possiamo vedere le orbitali discrete degli elettroni, ma è utile pensare a queste orbitali come i diversi livelli di energia degli atomi.se scaldiamo un atomo, alcuni elettroni in orbitali a bassa energia possono essere eccitati per saltare in orbitali ad alta energia più lontani dal nucleo.

 

Assorbimento di energia:
Gli atomi possono assorbire energia sotto forma di calore, luce, elettricità, ecc. L'elettrone può quindi saltare da un orbitale a bassa energia a un orbitale ad alta energia.

Anche se questa descrizione è semplice, rivela il principio fondamentale di come gli atomi formano i laser.

Dopo la transizione dell'elettrone verso un'orbita ad alta energia, alla fine ritornerà allo stato di base.Vedrai che gli atomi emettono costantemente energia sotto forma di fotoni.Per esempio, l'elemento di riscaldamento in un forno diventa rosso brillante, dove il colore rosso è il fotone rosso rilasciato dagli atomi eccitati dal calore.Quello che vedete è una varietà di diversi colori di luce emessa da atomi di fosforo eccitati da elettroni ad alta velocitàQualsiasi oggetto luminoso, comprese lampade fluorescenti, lampade a gas e lampade a incandescenza, emette luce cambiando le orbite degli elettroni e rilasciando fotoni.

Un laser è un dispositivo che controlla il rilascio di fotoni da atomi eccitati..Questo nome descrive brevemente come funziona il laser.

Anche se ci sono molti tipi di laser, tutti hanno alcune caratteristiche di base. In un laser, il mezzo laser deve essere pompato per rendere gli atomi in uno stato eccitato.un lampo o scarica ad alta intensità può pompare il mezzo, che a sua volta produce un gran numero di atomi (atomi contenenti elettroni ad alta energia) in uno stato eccitato.deve avere un gran numero di atomi in uno stato eccitatoIn generale, gli atomi devono essere eccitati per salire a due o tre livelli di energia al di sopra dello stato di base.L'inversione di popolazione è il rapporto tra gli atomi nello stato eccitato e gli atomi nello stato di base.

Quando il mezzo laser viene pompato, include un certo numero di atomi con elettroni eccitati.Proprio come un elettrone può assorbire una certa quantità di energia per raggiungere uno stato eccitatoCome mostrato nella figura qui sotto, finché l'elettrone salta al livello inferiore, rilascerà parte della sua energia.L'energia rilasciata viene convertita in forma di fotoni (energia luminosa)Il fotone emesso ha una lunghezza d'onda specifica (colore), a seconda dello stato energetico dell'elettrone al momento del suo rilascio.Due atomi con lo stesso stato elettronico emettono fotoni della stessa lunghezza d'onda.

 


La luce laser è molto diversa dalla luce ordinaria.

 

Il laser emesso è monocromatico: contiene luce di una lunghezza d'onda specifica (cioè un colore specifico).La lunghezza d'onda della luce è determinata dall'energia rilasciata dagli elettroni mentre ritornano in un'orbita a energia inferiore.

Il laser emesso ha una buona coerenza. La struttura del laser è migliore, e ogni fotone segue l'altro fotone. Cioè, il fronte d'onda di tutti i fotoni è esattamente lo stesso.

Il laser ha una buona direzionalità. I raggi laser sono compatti, focalizzati ed estremamente energetici. Al contrario, la luce emessa dalla torcia è dispersa in molteplici direzioni.e l'energia luminosa è debole e la concentrazione è bassa.

 

Per ottenere queste tre proprietà è necessario un processo chiamato emissione stimolata, fenomeno che non si può vedere in una normale torcia perché i suoi atomi emettono fotoni in modo casuale.In emissione stimolata, gli atomi emettono fotoni in modo organizzato.

Il fotone emesso dall'atomo ha una lunghezza d'onda specifica, che dipende dalla differenza di energia tra lo stato eccitato e lo stato di base.Se un fotone (con una certa energia e fase) tocca un altro atomo che ha un elettrone nello stesso stato eccitatoIl primo fotone può eccitare o guidare l'atomo ad emettere un fotone, e il fotone emesso (cioèil fotone emesso dal secondo atomo) oscilla nella stessa frequenza e direzione del fotone in entrata.

Un altro componente chiave del laser è un paio di specchi, situati a ciascuna estremità del mezzo laser.I fotoni di una lunghezza d'onda e di una fase specifiche viaggiano avanti e indietro tra il mezzo laser attraverso il riflesso dei riflettori alle due estremitàCosì facendo, ecciteranno più elettroni per saltare da orbite ad alta energia a orbite a bassa energia, che emetteranno più fotoni della stessa lunghezza d'onda e fase,che produrrà successivamente , un gran numero di fotoni della stessa lunghezza d'onda e fase sono rapidamente raccolti nel laser.riflette solo una parte della luceLa luce che passa è un laser.

Il laser rubino è costituito da un tubo flash simile a un flash della fotocamera, una canna rubino e due specchi (uno dei quali è un specchio semi-riflettente).e il tubo flash è la fonte di pompaggio.