8.7: Lasers

Last updated
Save as PDF

Page ID: 175628

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza michakato ya kimwili muhimu ili kuzalisha mwanga wa laser
Eleza tofauti kati ya mwanga thabiti na usio na maana
Eleza matumizi ya lasers kwenye CD na Blu-Ray mchezaji

Laser ni kifaa kinachotoa mwanga thabiti na monochromatic. Mwanga ni thabiti kama photons zinazoandika mwanga ni katika awamu, na monochromatic ikiwa photons zina mzunguko mmoja (rangi). Wakati gesi katika laser inachukua mionzi, elektroni zinainuliwa kwa viwango tofauti vya nishati. Electroni nyingi zinarudi mara moja kwenye hali ya ardhi, lakini wengine hukaa katika kile kinachoitwa hali ya metastable. Inawezekana kuweka wengi wa atomi hizi katika hali ya metastable, hali inayoitwa inversion ya idadi ya watu.

Mfano wa amplification ya mwanga katika laser. Viwango viwili vya nishati vinaonyeshwa kama mistari ya dotted, moja juu ya nyingine kwa nyakati tatu tofauti. Electroni ziko katika hali ya juu ambayo ni hali ya metastable, na mpito kwa hali ya chini. Wimbi la nuru lenye nishati h f linafika, na kusababisha elektroni kushuka hadi hali ya chini. Mbili zinazofanana, katika photons ya awamu ya nishati h f hutolewa na kufyonzwa na elektroni zaidi katika hali ya metastable. Hizi elektroni kushuka kwa hali ya chini na emit nne kufanana, katika photos awamu ya nishati h f, ambayo ni kisha kufyonzwa na seti ya tatu ya elektroni. Mpito wa elektroni kwa hali ya chini na hutoa nane kufanana, katika photons ya awamu ya nishati h f. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Fizikia ya laser. Photon ya tukio la frequency f husababisha kupungua kwa photons ya mzunguko huo.

Wakati photon ya nishati inakabiliwa na elektroni katika hali ya metastable (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)), elektroni hupungua kwa kiwango cha chini cha nishati na hutoa photon ya kuongeza, na photoni mbili zinaendelea pamoja. Utaratibu huu unaitwa chafu iliyochochewa. Inatokea kwa uwezekano mkubwa wakati nishati ya photon inayoingia ni sawa na tofauti ya nishati kati ya viwango vya nishati vya msisimko na “de-msisimko” wa elektroni (\(\Delta E = hf\)). Kwa hiyo, photon inayoingia na photon zinazozalishwa na de-uchochezi ina nishati sawa, hf. Photons hizi hukutana na elektroni zaidi katika hali ya metastable, na mchakato unarudia. Matokeo yake ni mmenyuko wa mnyororo au mnyororo wa msisimko sawa. Mwanga wa laser ni thabiti kwa sababu mawimbi yote ya mwanga katika mwanga wa laser hushiriki mzunguko sawa (rangi) na awamu sawa (pointi zozote mbili za kando ya mstari perpendicular kwa mwelekeo wa mwendo ni juu ya “sehemu moja” ya wimbi”). Mchoro wa schematic wa muundo wa wimbi la mwanga usio na usawa hutolewa katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\).

Mfano wa muundo wa wimbi la mwanga thabiti na muundo usio na uhusiano wa wimbi la mwanga. Nuru thabiti ina mawimbi ya wavelength sawa, awamu na amplitude, ili crests zote zimeunganishwa na mabwawa yote yamekaa. Nuru isiyo ya kawaida ina mawimbi ya wavelengths tofauti, awamu na amplitudes, na kusababisha viumbe vinavyoingiliana na mabwawa ya mawimbi tofauti. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mfano wa wimbi la mwanga lina mawimbi ya mwanga ya mzunguko sawa na awamu. Mfano wa wimbi la mwanga usio na uhusiano una mawimbi ya mwanga ya masafa tofauti na awamu.

Lasers hutumiwa katika maombi mbalimbali, kama vile mawasiliano (mistari ya simu za nyuzi za macho), burudani (maonyesho ya mwanga wa laser), dawa (kuondoa tumors na vyombo vya cauterizing katika retina), na katika mauzo ya rejareja (wasomaji wa bar code). Lasers pia inaweza kuzalishwa na vifaa mbalimbali, ikiwa ni pamoja na yabisi (kwa mfano, kioo cha rubi), gesi (mchanganyiko wa gesi ya heliamu), na vinywaji (rangi za kikaboni). Hivi karibuni, laser iliundwa hata kwa kutumia gelatini-laser ya chakula! Hapa chini tunazungumzia maombi mawili ya vitendo kwa undani: wachezaji wa CD na Wachezaji wa Blu-Ray.

Mchezaji wa CD

Mchezaji wa CD anasoma habari za digital zilizohifadhiwa kwenye diski ya compact (CD). CD ni 6-inch kipenyo disc alifanya ya plastiki ambayo ina ndogo “matuta” na “mashimo” karibu uso wake kwa encode data digital au binary (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Matuta na mashimo huonekana pamoja na wimbo mwembamba sana unaozunguka nje kutoka katikati ya disc. Upana wa wimbo ni mdogo kuliko 1/20 upana wa nywele za kibinadamu, na urefu wa matuta ni ndogo hata bado.

Mfano wa maelezo ya disc compact. Boriti ya laser inapiga disc kutoka chini kwenye pembe za kulia. Diski ina tabaka tatu. Safu ya chini ni safu ya plastiki ya polycarbonate na mashimo mbadala na matuta. Safu nyembamba ya Aluminium imewekwa juu ya safu ya plastiki. Safu ya lacquer inashughulikia disc, kujaza matuta na mashimo na kutengeneza uso laini juu. Diski nzima, ikiwa ni pamoja na tabaka zote tatu, ni 1.2 m nene. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Diski ya compact ni disc ya plastiki ambayo inatumia matuta karibu na uso wake ili kuingiza habari za digital. Upeo wa disc una tabaka nyingi, ikiwa ni pamoja na safu ya alumini na moja ya plastiki polycarbonate.

Mchezaji wa CD anatumia laser kusoma habari hii ya digital. Mwanga wa laser unafaa kwa kusudi hili, kwa sababu mwanga thabiti unaweza kuzingatia doa ndogo sana na hivyo kutofautisha kati ya matuta na mashimo kwenye CD. Baada ya usindikaji na vipengele vya mchezaji (ikiwa ni pamoja na grating ya diffraction, polarizer, na collimator), mwanga wa laser unalenga na lens kwenye uso wa CD. Mwanga kwamba mgomo mapema (“ardhi”) ni tu yalijitokeza, lakini mwanga kwamba mgomo “shimo” destructively huingilia, hivyo hakuna mwanga anarudi (maelezo ya mchakato huu si muhimu kwa mjadala huu). Nuru iliyojitokeza inafasiriwa kama “1" na mwanga usiojitokeza hutafsiriwa kama “0.” Ishara ya digital inayosababisha inabadilishwa kuwa ishara ya analog, na ishara ya analog inalishwa kwenye amplifier ambayo inawezesha kifaa kama jozi ya vichwa vya sauti. Mfumo wa laser wa mchezaji wa CD unaonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{4}\).

Picha ya kazi ya ndani ya mchezaji wa CD — Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mchezaji wa CD na sehemu yake ya laser.

Blu-Ray Player

Kama mchezaji wa CD, mchezaji wa Blu-Ray anasoma maelezo ya digital (video au sauti) iliyohifadhiwa kwenye diski, na laser hutumiwa kurekodi habari hii. Mashimo kwenye diski ya Blu-Ray ni ndogo sana na karibu zaidi imejaa pamoja kuliko CD, habari nyingi zinaweza kuhifadhiwa. Matokeo yake, nguvu ya kutatua laser lazima iwe kubwa zaidi. Hii ni mafanikio kwa kutumia muda wavelength (\(λ=405\,nm\)) bluu laser mwanga-hivyo, jina “Blu-” Ray. (CD na DVD hutumia mwanga wa laser nyekundu.) Ukubwa tofauti wa shimo na usanidi wa vifaa vya mchezaji wa CD, DVD, na Blu-Ray huonyeshwa kwenye Mchoro\(\PageIndex{5}\). Ukubwa wa shimo la disk ya Blu-Ray ni zaidi ya mara mbili ndogo kama mashimo kwenye DVD au CD. Tofauti na CD, data ya duka la Blu-Ray kwenye safu ya polycarbonate, ambayo huweka data karibu na lens na inepuka matatizo ya kusoma. Mipako ngumu hutumiwa kulinda data kwani iko karibu na uso.

Ukubwa tofauti wa shimo na usanidi wa vifaa vya mchezaji wa CD, DVD, na Blu-Ray huonyeshwa. Katika kila kesi, mashimo ni ndogo kuliko ukubwa wa doa iliyofanywa na boriti laser juu ya uso wa kati ya kuhifadhi. Kwenye kushoto, mchezaji wa CD, na uwezo wa kuhifadhi 0.7 GB, huonyeshwa. Laser ya CD ina wavelength ya lambda sawa na nanometers 780, sawa na rangi nyekundu. Inalenga na lens, inayoingilia nyenzo za CD kwa kina cha m 1.2 m na kutengeneza doa kubwa juu ya uso wa CD. Katikati, mchezaji wa DVD, na uwezo wa kuhifadhi 4.7 GB, huonyeshwa. Laser ya DVD ina wavelength ya lambda sawa na nanometers 650, sambamba na rangi nyekundu-machungwa. Inalenga na lens, inayoingilia nyenzo za DVD kwa kina cha 0.6 m na kutengeneza doa ndogo juu ya uso wa DVD kuliko tulivyoona kwenye CD. Kwa upande wa kulia, mchezaji wa Blue-Ray, mwenye uwezo wa kuhifadhi GB 25, anaonyeshwa. Laser ya Blue-ray ina wavelength ya lambda sawa na nanometers 405, sambamba na rangi ya bluu. Inalenga na lens, inayoingilia nyenzo za bluu-ray disc kwa kina cha 0.1 m na kutengeneza doa ndogo juu ya uso wa disc. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Kulinganisha azimio la laser katika CD, DVD, na Blu-Ray Player.