Qu'est-ce qu'un laser et comment ça marche?
Les lasers sont sans conteste l'une des découvertes scientifiques les plus importantes du siècle - impactant les avancées technologiques dans des domaines aussi divers que la médecine, les communications et la défense, pour n'en nommer que quelques-uns!
Mais qu'est-ce qu'un laser, comment ça marche et pourquoi est-ce important? Un stylo laser produit de la lumière avec trois propriétés uniques aux lasers: monochromatiques, cohérentes et collimatées. Vous pouvez regarder de plus près les propriétés de la lumière laser avec ces activités pratiques.
Un laser est produit par un processus appelé Amplification de la lumière par l'émission stimulée de rayonnement - qui est la façon dont le laser obtenu est l'acronyme d'un nom. Comment les lasers sont créés est complexe et fascinant. Déballez LASER et voyez si nous pouvons comprendre un peu mieux.
Amplification de la lumière
Commençons par la lumière. Pour comprendre comment la lumière est amplifiée, nous devrons considérer les propriétés de la lumière comme une onde et comme une particule (photon). Une onde lumineuse est distincte des autres ondes dans la mesure où la lumière est en réalité constituée de deux ondes qui sont en réalité des oscillations synchronisées des champs électriques et magnétiques se propageant dans l'espace. Pour amplifier une onde lumineuse, vous devez augmenter l'amplitude sans changer sa fréquence ou sa phase. Nous pouvons accomplir cela car la lumière a simultanément les propriétés des particules (photons). Il se trouve que si vous ajoutez un photon, avec une certaine longueur d'onde, direction et polarisation, à un autre photon avec la même longueur d'onde, directio et polarisation (une copie, si vous voulez), l'amplitude de l'onde électromagnétique double, cours temporel (fréquence et phase) reste inchangé.Donc, une chose qui est faite pour créer un faisceau laser rouge est d'amplifier la lumière en copiant des photons. Nous faisons cela en faisant passer un courant électromagnétique à travers ce qu'on appelle un milieu de gain, pour forcer les photons à se copier et donc amplifier.
Emission spontanée de photons
Presque toute la lumière que nous observons provient d'un processus connu sous le nom d'émission spontanée. Il existe de nombreuses façons de stimuler les atomes et les molécules à un état d'énergie supérieur à leur état fondamental. Une telle excitation fait que les électrons extérieurs quittent leurs orbites régulières pour des "terrains plus élevés" ou des états plus énergétiques. Mais tôt ou tard (généralement beaucoup plus tôt), les électrons excités reviennent spontanément à leur état d'origine, et quand ils le font, ils émettent l'énergie excédentaire sous la forme d'un photon.un photon spontanément émis sera d'une longueur d'onde spécifique, mais être de direction et de phase aléatoires. Ce n'est pas le type d'émission de photons dont nous avons besoin pour un laser - ce dont nous avons besoin c'est que tous les photons aient la même direction et la même phase ainsi que la même longueur d'onde.Emission stimulée de photons
Afin de forcer l'émission de photons qui ont la même longueur d'onde, la même phase et la même direction, nous utilisons une méthode appelée émission stimulée de photons. Pour stimuler l'émission de tels photons, un champ électromagnétique (EM) (photons) d'une fréquence très spécifique est passé à travers un milieu de gain. Les électrons des atomes / molécules dans le milieu de gain sont stimulés par une fréquence spécifique f de sorte que l'émission de lumière n'est pas spontanée, mais prévisible et régulière. La fréquence spécifique d'EM introduite dans le milieu à gain est la même fréquence de lumière qui serait émise si on l'autorisait à émettre spontanément. Cette fréquence induit une interaction quantique qui fait que les photons émis ont non seulement la même fréquence que le champ EM original, mais aussi la même direction et la même phase - CELA est ce qui est nécessaire pour produire la lumière laser.Population Inversion
Pour réellement amplifier la lumière, nous avons besoin d'une plus grande concentration d'atomes dans un état excité (énergie élevée) que dans le sol (énergie faible). Cet excès d'atomes excités est appelé une inversion de population et c'est une exigence essentielle pour l'amplification optique. Mais ... l'excès d'atomes excités est très instable et presque impossible à maintenir. Afin de surmonter cela, les lasers utilisent plus de deux niveaux d'excitation pour les atomes qui sont excités.Oscillation optique et création du faisceau
Une fois amplifiés, nous avons beaucoup de photons qui ont les propriétés essentielles de la lumière laser: même longueur d'onde et même phase - mais ces photons quittent l'amplificateur à la vitesse de la lumière (littéralement) et le font dans toutes les directions. Donc, la prochaine étape dans la création d'un faisceau laser réel est de se disputer les photons dans un faisceau étroit. ceci est accompli avec une combinaison de miroirs et de lentilles qui font rebondir les photons à l'intérieur du tube du milieu de gain, puis sortent de manière contrôlée, ce qui donne un faisceau étroit qui diverge très peu au cours de son déplacement.pointeur laser pas cher
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