Kai galvojame apie lazerius, į galvą ateina įvairių spalvų šviesos spinduliai{0}}nuo raudonų nuskaitymo linijų prie prekybos centrų kasų iki akinančių žalių lazerių pasirodymų koncertuose ir iki nematomų infraraudonųjų spindulių lazerių, naudojamų pramoniniam pjovimui. Kodėl šie lazeriai atrodo skirtingų spalvų? Kas tiksliai lemia lazerio bangos ilgį?
Paprasčiau tariant, lazerio bangos ilgis lemia spalvą, kurią mes suvokiame. Bangos ilgis reiškia atstumą, kurį šviesa nukeliauja per vieną virpesių ciklą, o skirtingų bangų ilgių šviesą žmogaus akis suvokia kaip skirtingų spalvų.
Matomos šviesos spektre:
1. Bangos ilgis apie . 400-450 nanometrų: violetinis lazeris
2. Bangos ilgis apie . 450-485 nanometrų: mėlynas lazeris
3. Bangos ilgis apie . 500-565 nanometrų: žalias lazeris
4. Bangos ilgiai apie 565–590 nanometrų: geltonas lazeris
5. Bangos ilgiai apie 625–740 nanometrų: Raudonasis lazeris
Už šio diapazono yra nematomi infraraudonieji ir ultravioletiniai lazeriai.
Trys pagrindiniai veiksniai, lemiantys lazerio bangos ilgį
1. Lazerio „šaltinis“
Aktyvioji terpė yra svarbiausias veiksnys, lemiantis lazerio bangos ilgį. Įvairių tipų lazeriuose naudojamos skirtingos aktyvios medžiagos, kurių atominės ar molekulinės struktūros lemia šviesos bangos ilgį, kurį jie gali generuoti.
Įprasti lazeriai ir jų tipiniai bangos ilgiai
- Helio{0}}neoninis lazeris: 632,8 nm (raudonas)
- Anglies dioksido lazeris: 10,6 μm (infraraudonųjų spindulių)
- Argono jonų lazeris: 488/514 nm (žydra)
- Nd:YAG lazeris: 1064 nm (infraraudonųjų spindulių)
- Puslaidininkinis lazeris: platus bangos ilgio diapazonas, priklausomai nuo medžiagos
Kiekviena darbo terpė turi unikalią energijos lygio struktūrą, išskirtinę kaip žmogaus pirštų atspaudas. Kai elektronai atomuose pereina tarp skirtingų energijos lygių, jie išskiria specifinės energijos fotonus ir taip generuoja tam tikro bangos ilgio lazerio šviesą.
2. Lazerių „širdies plakimas“.
Lazerio generavimas atsiranda dėl energijos lygio perėjimų darbo terpės atomuose arba molekulėse. Šis procesas atitinka griežtas kvantinės mechanines taisykles:
- Elektronai atomuose užima skirtingus energijos lygius (energijos būsenas)
- Kai elektronas pereina iš aukštesnio energijos lygio į žemesnį, jis išspinduliuoja fotoną
- Fotono energija tiksliai atitinka energijos skirtumą tarp dviejų lygių
Pagal formulę λ=hc/E (kur λ – bangos ilgis, h – Planko konstanta, c – šviesos greitis, o E – energija), energija E lemia bangos ilgį λ. Taigi darbinės terpės energijos lygio struktūra veikia kaip sietas, leidžiantis sustiprinti tik tam tikro bangos ilgio šviesą, formuojant lazerio šviesą.
3. Lazerio „kokybės valdiklis“
Optinis rezonatorius susideda iš dviejų tiksliai sukonstruotų veidrodžių, išdėstytų priešinguose aktyviosios terpės galuose. Nors ši struktūra nekeičia pagrindinio lazerio bangos ilgio, ji atlieka lemiamą vaidmenį užtikrinant lazerio monochromatiškumą ir dažnio stabilumą:
- Reguliuojant rezonatoriaus ilgį galima tiksliai{0}}sureguliuoti tikslų lazerio dažnį.
- Rezonatorius selektyviai sustiprina tam tikro bangos ilgio šviesą, tuo pačiu slopindamas kitus.
- Aukštos-kokybės rezonatorius gamina itin siauro linijų pločio lazerius, o tai reiškia išskirtinai grynas spalvas.
Skirtingų bangų ilgių lazeriai tarnauja visiškai skirtingoms reikmėms:
- Ultravioletiniai lazeriai: mikroelektronikos gamyba, lazerinė medicina, moksliniai tyrimai
- Žalieji lazeriai (532 nm): lazerių šou, astronominiai rašikliai
- Infraraudonųjų spindulių lazeriai: šviesolaidiniai ryšiai (1310, 1550 nm), pjovimas lazeriu, suvirinimas, kariniai tikslai
- Raudonieji lazeriai (630–680 nm): lazeriniai rodyklės, prekybos centrų brūkšninių kodų skaitytuvai, DVD grotuvai, ankstyvieji šviesolaidiniai ryšiai
- Mėlyni lazeriai (apytiksliai . 405nm): Blu-ray grotuvai, didelio-tankio duomenų saugykla
Žaliųjų lazerinių rodyklių paplitimas rinkoje nėra atsitiktinumas. Žmogaus akis jautriausia geltonai{1}}žaliai šviesai, kurios skersmuo yra apie 550 nanometrų. Esant lygiaverčiam galios lygiui, žali lazeriai atrodo žymiai ryškesni nei raudoni arba mėlyni lazeriai. Tiesą sakant, 532 nm žalias lazeris atrodo maždaug 8 kartus ryškesnis nei 635 nm raudonas tokios pat galios lazeris!
Lazerio bangos ilgiai pasirenkami ne savavališkai, o tiksliai nulemti fizinių darbo terpės savybių, jos kvantinės energijos lygio struktūros ir optinio rezonatoriaus ertmės. Nuo raudonos iki violetinės, nuo matomos iki nematomos, kiekvienas lazerio bangos ilgis turi savo unikalų generavimo mechanizmą ir taikymo vertę. Lazerių pasaulis yra tobula fizinių dėsnių ir inžinerinių technologijų sąveika. Lazerinių bangų ilgių mokslo supratimas ne tik patenkina mūsų smalsumą, bet ir padeda geriau panaudoti šią nuostabią šviesą tokiose srityse kaip medicina, ryšiai ir gamyba.
