พื้นฐานเลเซอร์ 1

พื้นฐานของแสงเลเซอร์ 

เลเซอร์ (Light Amplification Stimulated Emission of Radiation) ถูกใช้ในวิทยาศาสตร์หลายแขนง  ทางการแพทย์เลเซอร์มีการใช้นานเป็นผ่าตัด  ไข้มาลาเรียและเคลือบฟัน และเนื้อฟันนั้นถูกระเหยด้วยเลเซอร์ Erbium-YAG การกำจัดเลเซอร์ที่ไม่เจ็บปวดซึ่งเกิดจากสายตาเอียง ซึ่งถูกแก้ไขด้วยการ กะพริบของเลเซอร์ที่สามารถทำให้ชั้นกระจกตา ในระดับความหนา 1 um ในเลือดลดลงได้  ด้วยแสงเลเซอร์  ในยาทันตกรรมของโรคฟันผุ.

คอมพิวเตอร์ออปติคัล

ในสหรัฐอเมริกา คอมพิวเตอร์ออปติคัล ได้รับการแนะนำให้รู้จักกับสาธารณชนเป็นครั้งแรกในฤดูใบไม้ผลิ ปี1990  แม้ว่าคอมพิวเตอร์เครื่องนี้ขนาดเท่ากระเป๋าเดินทางที่กว้างขวางที่มี ความฉลาด ความพยายามครั้งแรกนี้คือ การควบคุมเครื่องซักผ้า แต่มีแนวโน้มเพราะโฟตอน เข้ามามีบทบาทกับอิเล็กตรอน และลำแสงเลเซอร์ของรางรถไฟ  พัลส์ถูกส่งด้วยความเร็วแสง.

ในเทคโนโลยีการวัดด้านสิ่งแวดล้อมก๊าซไอเสียจะถูกวิเคราะห์ด้วยเลเซอร์กระบวนการเผาไหม้ในโรงงานเผาไหม้ขนาดใหญ่จึงได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดและแม้แต่การตรวจสอบปริมาณโอโซนในบรรยากาศที่ความสูง 40 กม.   ตั้งแต่เดือนพฤษภาคมปี 1991 สถาบัน Frauenhofer  ได้ใช้หน่วยสาธิตจำนวนน้อยซึ่งจะสามารถระเหยองค์ประกอบของมันเพื่อผลิตสารมลพิษหลายประเภท  ในเวลาเดียวกันการเรียงลำดับจะสะสมสารที่สามารถวิเคราะห์ได้  ด้วยกระบวนการรีไซเคิล

ศักยภาพที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้เลเซอร์นั้น อยู่ในระดับการแปรรูป ทางอุตสาหกรรมของวัสดุ  เลเซอร์ช่วยให้การ ทำงานอัตโนมัติในระดับสูง มีการปรับปรุงคุณภาพการผลิตและลดเวลาในการรับส่งข้อมูล เนื่องจากระบบเลเซอร์ สามารถดำเนิน การกระบวนการผลิตหลายอย่างพร้อมกันได้  นอกจากนี้เทคโนโลยีเลเซอร์ ยังเปิดโอกาสใน การพัฒนาวิธีการเฉพาะทางอีกด้วย 

 พื้นฐานของแสงเลเซอร์
การแปรรูปวัสดุในอุตสาหกรรม

กระทรวงการวิจัยและเทคโนโลยีของรัฐบาลกลาง มีส่วนเกี่ยวข้องกับเลเซอร์ด้วยกำลังการผลิตมากกว่า 10 กิโลวัตต์ สำหรับการแปรรูปวัสดุในอุตสาหกรรม  มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเบอร์ลิน ได้เปิดสอนหลักสูตรระดับสูงกว่าปริญญาตรี ในด้านเทคโนโลยีเลเซอร์ สำหรับวิศวกรที่เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรม ความเที่ยงตรงวิศวกรรมเครื่องกลวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ และวิศวกรรมการสื่อสาร  ผลิตภัณฑ์ใหม่และโครงการวิจัยผลิตภัณฑ์ EUROLASER  การวิจัยของแอปพลิเคชั่นเลเซอร์ ที่มีอยู่ในรายการขนาดเล็ก แสดงให้เห็นว่าจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เลเซอร์ชนิดต่าง ๆ จำนวนมาก ที่มีคุณสมบัติและประสิทธิภาพต่างกัน สำหรับแอพพลิเคชั่นเหล่านี้  ญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกาเป็นผู้นำ ตลาดในการผลิตและจำหน่ายเลเซอร์พลังงานสูง  ในสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี เครื่องมือเครื่องจักรที่ใช้เลเซอร์ มีมูลค่า 240 ล้าน DM และระบบเลเซอร์สำหรับ DM 125 ล้าน วางจำหน่ายในปี 1989  ลักษณะเฉพาะของเลเซอร์ทุกประเภทไม่สามารถระบุได้ในหนังสือเล่มนี้  อย่างไรก็ตามเนื่องจากเลเซอร์ทั้งหมดทำงานตามหลักการทางกายภาพเดียวกันตัวแทน Nd: YAG เลเซอร์สถานะของแข็งและเลเซอร์ก๊าซ CO2 จึงถูกอ้างถึงเป็นตัวอย่าง

พื้นฐานทางกายภาพ

หลักการพื้นฐานทางฟิสิกส์

ความจริงที่ว่าเลเซอร์ปล่อยพลังงานสูงมากแสงที่มีความเข้มข้นสูงพร้อมความยาวคลื่นที่กำหนดไว้อย่างดีเป็นที่รู้จักกัน  แสงนั้นถูกอธิบายโดยตัวแบบที่สามารถใช้อธิบายคุณสมบัติของมันหรืออย่างน้อยก็ส่วนหนึ่งของมันด้วยความแม่นยำที่เพียงพอ

แบบจำลองอนุภาคตามนิวตัน

ในปี ค.ศ. 1666 นิวตันได้พัฒนาทฤษฎีที่อธิบายคุณสมบัติของแสงในกลศาสตร์ของนิวตัน  มันระบุว่าแต่ละแหล่งกำเนิดแสงเปล่งอนุภาคละเอียดที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วสูง  กฎหมายเกี่ยวกับสายตาหลายฉบับเช่นกฎการสะท้อนแสงสามารถอธิบายได้ด้วยโมเดลนี้ แต่มันก็ล้มเหลวในบางประการ  ที่นี่มีเพียงกล่าวถึงกฎหมายการหักเหของ Danes SNELLIUS

รูปแบบคลื่นตาม HUYGENS

ตามแบบจำลองทฤษฎีของเขาความหลากหลายของกฎทางแสงเช่นการรบกวนหรือการโพลาไรซ์สามารถอธิบายได้อย่างยอดเยี่ยม  อย่างไรก็ตามผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริกสามารถทำให้คลื่นแสงทรงกลมออกมาได้  ยังไม่เข้าใจกับรุ่นนี้  ในปีพ. ศ. 2408 แมกซ์เวลล์หยิบทฤษฎีคลื่นขึ้นมาอีกครั้ง และอธิบายว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละตัวความแรงของสนามไฟฟ้า E และการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B พร้อมทิศทางการแพร่กระจายจะสร้างระบบพิกัดมุมฉาก (สี่เหลี่ยม) (รูปที่ 1.1)  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส de BROGLIE ได้รวมแนวคิดของอนุภาคและคลื่นและกำหนดคลื่นให้กับทุกอนุภาคที่เคลื่อนไหว

แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การก่อตัวของแสง

จุดเริ่มต้นของแสงมักเป็นสารของแข็งที่ส่องแสงหรือก๊าซร้อนมาก  การก่อตัวของแสงจึงเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในอะตอมหรือในเปลือกอะตอม  จากการสำรวจของ บอร์พบว่าอิเล็กตรอนวงกลม รอบเส้นทางวงกลมเปลือกหอย ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งมีสาเหตุมาจากประจุที่แตกต่างกันของนิวเคลียสและอิเล็กตรอน  เนื่องจากอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ (ประจุที่เคลื่อนที่) ตามกฎของไฟฟ้ากระแสจะต้องปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องและทำให้สูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องซึ่งจะทำให้การชนของอิเล็กตรอนในแกนกลางเป็นไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้  ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงมีพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ที่คงที่เมื่อเปรียบเทียบกับนิวเคลียสของอะตอม  เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาครอบ ๆ คลื่นเดอ BROGLIE ความยาวคลื่นที่ 2 ของสสารนั้นเป็นผลมาจากคลื่น  BOHR มวลชนเคลื่อนที่เป็นจำนวนมากเขาเคลื่อนที่ผ่านสมการต่อไปนี้

การก่อตัวของแสง

ดังนั้นตาม de BROGLIE ความยาวคลื่นต่อไปนี้สามารถนำมาประกอบกับอิเล็กตรอนที่โคจรด้วยมวล m และความเร็ว v (รูปที่ 1.2):

อิเล็กตรอนที่โคจรด้วยมวล m
รูปที่ 1.2 De Broglie wave

สำหรับโมเดลอะตอม ของบอร์ นี่หมายความว่าเส้นรอบวง ของวงกลมอิเล็กตรอน ที่โคจรรอบนิวเคลียส ของอะตอม จะต้องมีความยาวคลื่นหลายเท่า มิฉะนั้นคลื่นสสาร อาจดับลงโดยการรบกวน  จากการพิจารณาเหล่า นี้ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ต่อไปนี้เกิดขึ้น:

เส้นรอบวง ของวงกลมอิเล็กตรอน

สำหรับ วงโคจรของอิเล็กตรอน ที่เป็นไปได้รอบ ๆ นิวเคลียสอะตอม ความสัมพันธ์ต่อไปนี้จะส่งผลดังนี้:

วงโคจรของอิเล็กตรอน

หมายเลข n เรียกว่า หมายเลขควอนตัมหลัก  เพื่อไม่ให้ปฏิบัติตามบริบทของบุคคลที่ไม่จำ เป็นกฎ ที่มีรายชื่อข้างต้นถูกนำไปใช้ กับ อะตอมไฮโดรเจน ที่ง่ายที่สุดคืออะตอมไฮโดรเจน  เนื่องจากประจุไฟฟ้าที่ดึงดูดไม่เท่ากับ แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสอะตอมและอิเล็กตรอนที่โคจรรอบ

เพื่อให้อิเล็กตรอนอยู่ในเส้นทางวงกลมที่มีรัศมีคงที่คล้ายกับดาวเคราะห์ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์

กำจัดรัศมี r

เพื่อกำจัดรัศมี r เราใช้สมการ 1.6 III

สมการ 1.6 III

โดยการคูณกัน (ทั้งด้านซ้ายและขวาด้วยกัน: ความถูกต้องของสมการไม่ได้รับผลกระทบ) สิ่งนี้จะกำจัดรัศมี r และรับความเร็วของอิเล็กตรอนหมุนตามความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

กำจัดรัศมี r รับความเร็วอิเล็กตรอน
สมการ ความเร็วของ electron หมุนตามความสัมพันธ์

นี่หมายความว่า ความเร็ว v ทำตัวแปรผกผันกับจำนวนหลักควอนตัม n

ความเร็ว v ทำตัวแปรผกผันกับจำนวนหลักควอนตัม n

โดยการแทนที่วิธีนี้ (สมการ 1.7) เป็นสมการ 1.6 ผลลัพธ์ความสัมพันธ์ต่อไปนี้สำหรับรัศมี r

ผลลัพธ์ความสัมพันธ์ต่อไปนี้สำหรับรัศมี r

รัศมีของ วงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นแปรผัน ตาม จำนวนควอนตัมตัวใหญ่ n กำลังสองของ

จำนวนควอนตัมตัวใหญ่ n กำลังสอง

ตามแบบจำลองของอะตอม Bohr ค่าจะถูกคำนวณสำหรับอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งแสดงในตารางที่ 1.1 และรูปที่ 1.3  หากอิเล็กตรอน ถูกยกขึ้นจากวงโคจรที่ m ของรัศมี rm ถึงวงโคจรที่ n ของรัศมีการทำงาน จะต้องถูกนำไปใช้กับแรงไฟฟ้า f ที่ดึงดูด (รูปที่ 1.4)

แบบจำลองของอะตอม Bohr

สำหรับงานทั่วไป

จำลองของอะตอม Bohr 2

หมายความว่า งานที่ต้องทำถูก คำนวณโดยอินทิกรัลต่อไปนี้:

คำนวณโดยอินทิกรัล อิเล็กตรอนโคจรรอบอะตอมไฮโรเจน

ตารางที่ 1.1 รัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอนและความเร็วของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องของไฮโดรเจน

รัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอนและความเร็วของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องของไฮโดรเจน

เมื่ออิเล็กตรอนสูญเสียความเร็ว ในช่วงการเปลี่ยนภาพ  (v ~ 1 / n2) อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานจลน์ออกมา  สัดส่วนของพลังงานนี้จะใช้ใน การยกอิเล็กตรอนและคำนวณตามสูตรต่อไปนี้ จากนิวเคลียร์ใกล้ถึงวงโคจรนิวเคลียร์ ที่ห่างไกล

 อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานจลน์ออกมา

หากอิเล็กตรอนของไฮโดรเจน ถูกยกจากวงโคจรใกล้นิวเคลียร์ เป็นวงโคจรนิวเคลียร์มากขึ้นพลังงานจะต้องถูกส่ง ไปยังอะตอมไฮโดรเจน  แหล่งพลังงานนี้สามารถทำได้ทั้งจากแรงกระแทก และจากรังสี

การกระตุ้นของอะตอม

การกระตุ้นโดยการชนของอิเล็กตรอน

หากอิเล็กตรอนที่เร่งชนกับ อะตอมและอิเล็กตรอนเหล่านี้มี พลังงานจลน์ ที่จำเป็นซึ่งสอดคล้องกับพลังงาน AW ที่จำเป็นในการยก อะตอมให้อยู่ในสถานะที่มีพลังมากขึ้นอิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานนี้ และบินต่อไปในอัตราที่ลดลง (รูปที่ 1.5)

การกระตุ้นของอะตอนโดยผลกระทบของอิเล็กตรอน

ด้วยพลังงานจลน์ที่สูงเพียงพอ ของอิเล็กตรอนที่ชนกันอิเล็กตรอนหนึ่งตัว สามารถกระตุ้นอะตอมหลาย ๆ ตัวได้อย่างต่อเนื่อง จนกว่าพลังงานจลน์ทั้งหมด จะลดลงสู่ระดับที่ต่ำกว่าพลังงานกระตุ้นที่จำเป็น  ในกรณีของเลเซอร์ CO2 นั้นโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ จะถูกกระตุ้นด้วยกระบวนการช็อต จนกลายเป็นพลังงานสั่นสะเทือนที่สูงขึ้น

การกระตุ้นด้วยรังสี

เมื่ออะตอมถูกฉายรังสีด้วยแสง ส่วนหนึ่งของแสงนี้จะถูกดูดซับ โดยอะตอมที่สอดคล้องกับความถี่ ในการกระตุ้นของอะตอม  ซึ่งหมายความว่าส่วนหนึ่งของพลังงานแสงจะถูกดูดซับโดยอะตอม ซึ่งอยู่ในสถานะตื่นเต้น (รูปที่ 1.6)  ด้วยวิธีนี้ไอออนของเลเซอร์ Nd: YAG ก็ตื่นตัวเช่นกันซึ่งจะอธิบายในภายหลัง (รูปที่ 1.7)

การกระตุ้นด้วยการแผ่รังสี และสเปกตรัมของไฮโดรเจน

การปล่อย

หากอะตอมอยู่ในสถานะตื่นเต้นกฎจะไม่เสถียร  อะตอมจะไปถึงสถานะพื้นอีกครั้งภายในระยะเวลา 10 วินาที  อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรที่สูงขึ้นจะกลับสู่สถานะเริ่มต้นในขณะที่เปล่งแสงควอนตัม  พลังงานของแสงควอนตัมนั้นได้มาจากความแตกต่าง ของพลังงานของสถานะอะตอมทั้งสอง  ดังนั้นสภาพนี้จึงอยู่ในช่วงประมาณ

อย่างไรก็ตามเนื่องจาก อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจร ที่ไม่ต่อเนื่องจะมีเพียงโฟตอน ของพลังงานเฉพาะปรากฏขึ้น  ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา สามารถคำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้

การคำนาณความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา

ความถี่ของการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาในการกลับมาของอิเล็กตรอนจากสถานะที่ตื่นเต้นไปสู่สภาพพื้นดินคำนวณโดยการแบ่งพลังงานกระตุ้นโดยค่าคงตัวของพลังค์ที่คงที่ตามสมการ 1.13

ความถี่การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาสำหรับไฮโดรเจน

เมื่อกระโดดกลับมาซีรีส์ลายแมนได้รับการตั้งชื่อตาม LYMAN ของผู้ค้นพบจะถูกสร้างขึ้น (รูปที่ 1.8)  ความยาวคลื่น A ของการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจะถูกคำนวณตามสมการ 1.15  จากสถานะที่น่าตื่นเต้นไปจนถึงสถานะภาคพื้นดิน     (m = 1)

m=1

ด้วยความเร็วแสง c = 2,799793 108 m/s

ชุดไฮโดรเจน เพิ่มเติมแสดงอยู่ในตารางที่ 1.3  ความสัมพันธ์ที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถนำมาใช้ในรูปแบบของคำ (รูปแบบระดับพลังงาน) ในการพิจารณาก่อนหน้านี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพ กับมวลที่ขึ้นกับความเร็วนั้น ไม่ได้ถูกนำมาพิจารณา  ด้วยเหตุนี้มันจึงไม่สมบูรณ์ แต่ความเรียบง่ายช่วยให้เข้าใจพื้นฐานของกระบวนการสำคัญใน เปลือกอะตอมของไฮโดรเจน  เพิ่มเติมเมื่อสรุป (รูปที่ 1.9)

โครงร่างระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจน

น้ำหนักสเปกตรัมของอะตอมและไออน

แม้จะมีสเปกตรัมของอะตอมและไอออน ที่หนักหน่วงเส้นสเปกตรัม ก็ปรากฏในรูปแบบของอนุกรมคล้ายกับ ไฮโดรเจน  อย่างไรก็ตามสเปกตรัมเหล่านี้มีโครงสร้างที่ค่อนข้างสับสน (รูปที่ 1.10)

สเปกตรัมของโมเลกุล

อะตอมมีเส้นสเปกตรัมมากขึ้นซึ่งในหลายกรณีโมเลกุลได้สร้างความประทับใจให้กับสเปกตรัมต่อเนื่อง (รูปที่ 1.11)  ดังนั้นเหตุผลนี้เป็นเพราะโมเลกุลไม่เพียง แต่เปลี่ยนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของพวกเขา

ความยาวคลื่นและความถี่ซีรีย์ลาายแมน
ไฮโดีเจนชุดต่อไป

รูปที่ 1.10 สคีเทอมของอะตอม Csจนถึงข้อกำหนด F สำหรับช่วงการเปลี่ยนภาพความยาวคลื่นถูกระบุใน  A ความหนาของเส้นแสดงความเข้มของเส้นสเปกตรัม

แถบสเปกตรัมของโมเลกุล

เพื่อดูดซับหรือปลดปล่อยพลังงาน แต่โมเลกุลนั้นทำการสั่นสะเทือนและการหมุนรอบจุดศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกับสถานะพลังงานที่แตกต่างกัน

พลังงานจะถูกดูดซับ หรือถูกปล่อยออกมาเมื่อเปลี่ยนไปเป็นพลังงานอื่น (รูปที่ 1.12)  สำหรับเลเซอร์ CO2 นั้นการเปลี่ยนการสั่นสะเทือนนั้นสำคัญ  ความถี่ของเส้นในสเปกตรัมของโมเลกุล เช่นอะตอมไฮโดรเจน เป็นผลมาจากความแตกต่างของ พลังงานของสถานะพลังงานทั้งสองของโมเลกุล  ความแตกต่างของอะตอมไฮโดรเจนคือความแตกต่างของพลังงาน ประกอบด้วยพลังงานหลายอย่างจาก สถานะ การหมุนหรือการสั่นสะเทือนเป็นส่วนประกอบ

Shopping Cart

เราใช้คุกกี้เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพ และประสบการณ์ที่ดีในการใช้เว็บไซต์ของคุณ คุณสามารถศึกษารายละเอียดได้ที่ นโยบายความเป็นส่วนตัว และสามารถจัดการความเป็นส่วนตัวเองได้ของคุณได้เองโดยคลิกที่ ตั้งค่า

Privacy Preferences

คุณสามารถเลือกการตั้งค่าคุกกี้โดยเปิด/ปิด คุกกี้ในแต่ละประเภทได้ตามความต้องการ ยกเว้น คุกกี้ที่จำเป็น

Allow All
Manage Consent Preferences
  • Always Active

Save
Scroll to Top