Γιατί οι περισσότεροι δείκτες λέιζερ είναι κόκκινοι;
Τα κόκκινα λέιζερ είναι φώτα μεγαλύτερου μήκους κύματος που μπορούν να παραχθούν χρησιμοποιώντας μια απλή δίοδο. Αυτή η επιλογή είναι φθηνότερη και επομένως χρησιμοποιείται πιο ευρέως στην αγορά.
Όλοι μας, κάποια στιγμή, έχουμε συναντήσει ένα λέιζερ. Οι ταμίες στο σούπερ μάρκετ τα χρησιμοποιούν για να σαρώσουν τον γραμμωτό κώδικα στα παντοπωλεία σας. Οι καθηγητές τα χρησιμοποιούν για να επιστήσουν την προσοχή των μαθητών σε συγκεκριμένα στοιχεία μιας πιθανώς κοσμικής παρουσίασης. Οι ιδιοκτήτες γατών τα χρησιμοποιούν για να αποσπούν την προσοχή τους και να τα μετατρέπουν σε αισθήσεις στο YouTube.
Αναμφισβήτητα η πιο δημοφιλής χρήση δείκτη λέιζερ (Photo Credit :Seika Chujo/Shutterstock)
Βασικά, όλοι είμαστε αρκετά εξοικειωμένοι με τη μικρή κόκκινη κουκκίδα από κάποιο τομέα της ζωής, που με έκανε να σκεφτώ, γιατί κόκκινο; Έχουμε φυσικό φως που χωρίζεται σε επτά από τα χρώματα που το αποτελούν όταν το περνάμε από ένα πρίσμα. Γιατί τότε, οι περισσότεροι δείκτες λέιζερ μας δίνουν απλώς ένα από τα επτά χρώματα;
Με λίγα λόγια, είναι απλά φθηνότερο να παράγεις δείκτες λέιζερ που εκπέμπουν κόκκινο φως σε σχέση με οποιεσδήποτε άλλες παραλλαγές. Εξαιρετικά μυαλά που έχουν αναπτύξει δείκτες λέιζερ σε άλλα χρώματα, αλλά οι κόκκινοι δείκτες λέιζερ συνεχίζουν να έχουν το πιο οικονομικό νόημα . Ως εκ τούτου, είναι το προϊόν επιλογής για μαζική παραγωγή και επομένως το πιο δημοφιλές είδος στο ράφι.
Λοιπόν, γιατί είναι φθηνότερο η παραγωγή ενός κόκκινου δείκτη λέιζερ από ένα λέιζερ οποιουδήποτε άλλου χρώματος; Για να το κατανοήσουμε αυτό, ας δούμε τι είναι στην πραγματικότητα αυτοί οι δείκτες λέιζερ και πώς λειτουργούν.
Τι είναι το λέιζερ;
Ένα λέιζερ είναι ουσιαστικά μια εξαιρετικά εστιασμένη πηγή φωτός με ενισχυμένη φωτεινότητα. Στην πραγματικότητα, η λέξη λέιζερ είναι ένα αρκτικόλεξο που σημαίνει Ενίσχυση φωτός από διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας (LASER ).
Ένα λέιζερ παράγεται όταν τα ηλεκτρόνια ορισμένων υλικών, όπως γυαλί, κρύσταλλο, διαμάντι κ.λπ., ενεργοποιούνται από την απορρόφηση ενέργειας από ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια πηδούν από τα χαμηλότερα τροχιακά στα υψηλότερα τροχιακά μέσα στο άτομο. Καθώς επιστρέφουν στην «κανονική», δηλαδή στη θεμελιώδη κατάσταση, αυτά τα προηγουμένως ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Όλα τα φωτόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια αυτής της αλληλεπίδρασης τείνουν να είναι "συνεκτικά" - οι κορυφές και οι κοιλότητες κάθε φωτεινού κύματος ταιριάζουν με ακρίβεια, επομένως έχουν όλα το ίδιο χρώμα.
Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων συγκεκριμένου μήκους κύματος, δημιουργώντας έντονο μονοχρωματικό φως (Photo Credit :donatas1205/Shutterstock)
Άντληση και αντιστροφή πληθυσμού
Καθώς παρέχεται περισσότερη ενέργεια στο γυαλί/κρύσταλλο, πολλά ηλεκτρόνια ενεργοποιούνται. Αυτό είναι γνωστό ως άντληση . Μετακινούνται ως ένα σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση και μετά πίσω στη βασική κατάσταση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αναστροφή πληθυσμού . Η αντιστροφή πληθυσμού οδηγεί σε μια μεγαλύτερη έκρηξη ενέργειας, η οποία δημιουργεί ένα είδος χιονοστιβάδας φωτός, γνωστή ως διεγερμένη εκπομπή. Αυτή η τεράστια έκρηξη ενέργειας, συγκεντρωμένη σε ένα μόνο σημείο, γίνεται φως λέιζερ.
Ποιος ανακάλυψε το λέιζερ;
Το πρώτο λέιζερ επινοήθηκε από έναν φυσικό ονόματι Theodore Maiman ενώ εργαζόταν στα Ερευνητικά Εργαστήρια Hughes στο Μαλιμπού το 1960. Το λέιζερ του χρησιμοποίησε μια ράβδο από συνθετικό ρουμπίνι, ασημένια στα άκρα, τα οποία κόπηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε η δέσμη φωτός να εκτοξευόταν μέσα του, αποκτώντας φωτεινότητα πριν βγει από την άλλη πλευρά. Το μηχάνημα εξέπεμπε μια στενή, φωτεινή δέσμη φωτός με μήκος κύματος 694 νανόμετρα.
Ο άνθρωπος που εφηύρε την ακτίνα λέιζερ (Φωτογραφία :δημόσιος τομέας/Wikimedia Commons)
Περιέργως, όταν ο Maiman παρουσίασε τα ευρήματά του στην επιστημονική κοινότητα, το λέιζερ ονομάστηκε περίφημα «μια λύση που αναζητά ένα πρόβλημα». Σαφώς, δεν έψαχναν αρκετά σκληρά για προβλήματα ακόμα, καθώς η ερευνητική του εργασία απορρίφθηκε από το δημοφιλές επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters. Στη συνέχεια, ένα άλλο εξίσου επιλεκτικό περιοδικό φυσικής, το Nature, συμφώνησε να δημοσιεύσει τα ευρήματά του, τα οποία οδήγησαν σε αυτό που κάποιοι θα μπορούσαν να αποκαλέσουν «έκρηξη λέιζερ».
Πώς λειτουργούν οι διαφορετικοί δείκτες λέιζερ;
Διαφορετικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την παραγωγή διαφορετικών χρωμάτων λέιζερ. Το κόκκινο λέιζερ παράγεται με τη χρήση μιας απλής διόδου ημιαγωγών για την παραγωγή φωτός. Αποτελείται από δύο ημιαγωγούς ενωμένα, ο ένας πάνω στον άλλο. Στην κορυφή, βρίσκουμε συνήθως αρσενίδιο του γαλλίου, ένα υλικό με έλλειψη ηλεκτρονίων γνωστό ως ημιαγωγός τύπου p. Στο κάτω μέρος, υπάρχει αρσενίδιο του γαλλίου με σελήνιο, ένα υλικό με περίσσεια ηλεκτρονίου που ονομάζεται ημιαγωγός τύπου n. Οι δυο τους στοιβάζονται μαζί σε μια δίοδο, δημιουργώντας αυτό που ονομάζεται p-n διασταύρωση .
τα ηλεκτρόνια από το 'n' μετακινούνται στο 'p', δημιουργώντας συνεκτικά φωτόνια που τελικά αναδύονται ως φως λέιζερ (Photo Credit :Designua/Shutterstock)
Όταν ένα ρεύμα διέρχεται από τη διασταύρωση p-n, τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό «p» διεγείρονται και γεμίζουν τα κενά στον ημιαγωγό «n». Το πάνω και το κάτω μέρος της διασταύρωσης p-n είναι επικαλυμμένα με επάργυρη επιφάνεια. Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν φωτόνια που παγιδεύονται σε αυτή τη διασταύρωση p-n και συνεχίζουν να αναπηδούν από τις ασημένιες επιφάνειες. Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, η διασταύρωση p-n υφίσταται τελικά μια αναστροφή πληθυσμού, που οδηγεί σε διεγερμένη εκπομπή. αυτό αναδύεται από τη διασταύρωση ως φως λέιζερ.
Γιατί οι περισσότεροι δείκτες λέιζερ είναι κόκκινοι;
Το φως που αναδύεται από μια απλή δίοδο ημιαγωγών λέιζερ που αγοράστηκαν σε ράφι τείνει να είναι στην περιοχή μήκους κύματος από 700-800 νανόμετρα, με αποτέλεσμα να κυμαίνεται από πορτοκαλί έως κόκκινο χρώμα.
Μια απλή δίοδος παράγει κόκκινο φως λέιζερ (Photo Credit :Edgewater Media/Shutterstock)
Ωστόσο, η έρευνα προτείνει όχι τα κόκκινα, αλλά τα πράσινα λέιζερ να είναι η πιο σαγηνευτική πηγή φωτός, καθώς το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο σε αυτό το συγκεκριμένο μήκος κύματος. Λάμπει πιο φωτεινά και μπορεί να φτάσει σε αποστάσεις πολύ μεγαλύτερες από ένα κόκκινο λέιζερ.
Για να παραχθεί ένα πράσινο λέιζερ, το μήκος κύματος του αναδυόμενου φωτός πρέπει να είναι κάτω από 600 νανόμετρα. Η παραγωγή μιας εστιασμένης δέσμης φωτός σε χαμηλό μήκος κύματος είναι περίπλοκη.
Πρώτον, μια τυπική δίοδος ημιαγωγών εκπέμπει φως λέιζερ περίπου 800 νανόμετρων. Αυτό το φως εστιάζεται σε έναν κρύσταλλο νεοδυμίου, ο οποίος το μετατρέπει σε μια υπέρυθρη δέσμη μήκους κύματος 1000 νανόμετρων. Τέλος, η προκύπτουσα δέσμη διέρχεται από έναν εξειδικευμένο κρύσταλλο διπλασιασμού συχνότητας, μετά τον οποίο αναδύεται ως πράσινο φως με μήκος κύματος 530-540 νανόμετρα.
Σαφώς, η παραγωγή ενός πράσινου φωτός λέιζερ απαιτεί μερικά πιο εξειδικευμένα εξαρτήματα, επομένως τα κόκκινα φώτα λέιζερ είναι τα πιο οικονομικά στην παραγωγή και εξακολουθούν να παραμένουν η πιο δημοφιλής ποικιλία λέιζερ στην αγορά.
