Werking gaslaser

cjh

Ik heb op Discovery channel gezien dat de eerste lasers in de jaren 50/60 zijn gemaakt, maar deze lasers waren uit gassen gemaakt. Hoe werkt dat? Komen die gassen samen en TADAA je hebt een laser? Kan mij ook verteld worden welke gassen dit waren?

ZVdP

Ben je bekend met de algemene werking van een laser, dus zeggen de termen 'populatie inversie' en vooral 'gestimuleerde emissie' je iets?

Ik zal proberen om het simpel uit te leggen:

We beschouwen twee energieniveaus van een atoom. De grondtoestand en een aangeslagen toestand.

Je weet waarschijnlijk al dat die aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand en daarbij eventueel een foton uitzendt met als energie het verschil in energie tussen de energieniveaus. Dit is spontane emissie.

Nu is er nog een ander fenomeen, gestimuleerde emissie: een atoom in de aangeslagen toestand kan gestimuleerd worden om terug te vallen door een foton met het juiste energieverschil. Het atoom zendt nu een 'kopie' uit van het origineel invallend foton.

Dus als we fotonen met de juiste energie door een materiaal sturen krijgen we twee dingen:

-de atomen in de grontoestand kunnen fotonen opnemen om naar de aangeslagen toestand te gaan (en het foton op te nemen)

-atomen in de aangeslagen toestand kunnen gestimuleerd worden om naar de grondtoestand terug te vallen. (en een extra foton te genereren)

Als we nu door een ander mechanisme ervoor zorgen dat meer dan de helft van de atomen in de aageslagen toestand zitten en er een klein beetje licht door sturen, dan zal dit licht versterkt worden.

In een HeNe en andere gaslasers worden botsingen door versnelde elektronen met de atomen gebruikt om de atomen in de aangeslagen toestand te brengen.

Bij HeNe lasers wordt de energie van de elektronen overgedragen op een He atoom (makkelijker dan het zwaardere Ne atoom). Neon heeft bij toeval ook aangeslagen toestanden met ongeveer dezelfde energie als He. Door botsingen tussen He en Ne atomen wordt de energie overgedragen van He naar Ne.

De neon atomen hebben nu een aantal overgangen die in aanmerking komen voor het gebruik in lasers.

Zie bv het diagram op deze pagina: HeNe laser

cjh

Kort antwoord: Nee, dit heeft wel wat te maken met de gaslaser neem ik aan?

ZVdP

Ik heb in een edit nog een beetje extra uitleg gegeven, maar blijkbaar tegelijk met jouw post.

Populatie inversie en gestimuleerde emissie zijn noodzakelijk in alle lasersoorten, niet alleen gaslasers.

317070

Populatie inversie en gestimuleerde emissie zijn noodzakelijk in alle lasersoorten, niet alleen gaslasers.

Klopt niet, er bestaan ook al lasers die geen populatie-inversie of gestimuleerde emissie nodig hebben. Bijvoorbeeld de Free Electron Lasers: http://en.wikipedia.org/wiki/Free-electron_laser

Populatie inversie en gestimuleerde emissie komen wel niet alleen voor in gaslasers, maar ook in de vastestoflasers en vloeibare lasers. Veruit de meeste (soorten) lasers bestaan uit die 3 categorien.

ZVdP

Ok, over het hoofd gezien.

cjh

Mooi uitgelegd. Begrijp me niet verkeerd maar ik weet niet of je wilt dat ik uit je post kan halen dat als de twee gassen samenkomen dat er gelijk een laser ontstaat zonder een form van ontsteking.

PS: dit is een brandende laser correct?

ZVdP

Wat bedoel je met 'brandend'? Het is niet zo dat je die gassen opbrandt of zo hoor.

Je voegt de twee gassen samen, maar er gebeurt niets.

De meeste atomen bevinden zich bij kamertemperatuur in de grondtoestand. Je moet de Helium atomen dus energie geven.

Je zet een kathode en anode over het gas en legt een spanning aan. De elektronen versnellen tussen de platen en generen populatie inversie door botsingen met de atomen (meer atomen in het hogere energieniveau dan het lagere).

Nu heb je nog altijd geen laser. Je hebt fotonen nodig om alles in gang te zetten. We weten dat er ook zoiets bestaat als spontane emissie. Er zullen aangeslagen Neon atomen terugvallen naar een lager niveau en fotonen uit zenden. Deze fotonen hebben natuurlijk de correcte energie om voor gestimuleerde emissie te zorgen bij de andere, niet teruggevallen, neon atomen. Deze fotonen zullen dus 'versterkt' worden in het gas.

Nu hebben we echter iets dat nog altijd in alle richtingen licht uitstuurt, aangezien spontane emissie fotonen uitstuurt in willekeurige richtingen. Daarom plaatsen we twee uitgelijnde spiegels voor en achter het gas.

De fotonen die toevallig loodrecht op de twee spiegels worden uitgezonden weerkaatsen dus heen en weer tussen de spiegels en gaan telkens door het gas en zorgen dus telkens weer voor gestimuleerde emissie. De lichtstraal wordt dus versterkt in die richting. Door een van de twee spiegels een beetje doorlatend te maken kan je dus een gedeelte van de straal naar buiten koppelen -> je laserstraal.

De fotonen van de spontane emissie die in een andere richting dan de spiegels werden uitgezonden, verdwijnen dan gewoon uit het gas zonder continu weerkaatst te worden.

cjh

Ok, met brandend bedoel ik of het door objecten heen kan branden. Je post verward me over de gassen, waar is het helium en neon dan voor? Nog bedankt voor de goede uitleg.

ZVdP

Alles wat genoeg energie concentreert op een kleine oppervlakte kan door objecten heen branden. Dat heeft dus niet meteen iets te maken met het type van laser.

Het gas in de laser (helium en neon atomen) zorgt voor de laserwerking. Dit is het 'hart' van de laser als je wil.

We zullen het prentje van de wikipedia link even overlopen.

-elektronen botsen met helium en brengen deze naar een hogere energie. Dit zijn dus de twee pijlen links van beneden naar boven.

-helium atomen botsen met neon atomen en wisselen energie uit: pijlen van links naar rechts (merk op dat de energieniveaus in helium en neon ongeveer even hoog liggen). Het helium gaat terug naar de grondtoestand en het neon naar de 3s of 2s toestand.

laten we verder even alleen de rode pijl volgen.

-het neon valt van de 3s toestand terug naar de 2p toestand (door gestiumuleerde emissie tijdens de laserwerking of door spontane emissie tijdens het opstarten) en zendt een foton uit.

Dit is het licht dat uit de laser zal komen.

-eenmaal in de 2p toestand valt neon snel terug naar de grondtoestand en kan weer door het helium aangeslagen worden.

Waarom zo ingewikkeld allemaal? We willen populatie-inversie, dus meer elektronen in een hoge dan in een lagere toestand. Hiervoor heb je dus een hoge toestand (3s) nodig die relatief stabiel is (relatief lang aangeslagen blijft) en een lage toestand die snel vervalt (2p), zodanig dat de lagere toestand snel leeg wordt.

Als je een hoog niveau zou nemen dat snel vervalt, is het moeilijk om daar continu veel elektronen in te krijgen. En als je een laag niveau neemt dat traag vervalt, is het moeilijk om hier weinig elektronen in te hebben.

Hiervoor is het neon dus goed. Het neon zal het licht produceren dat uit de laser komt.

Nu moeten we nog die neon in die 3s toestand krijgen. Hiervoor gebruiken we het helium.

Helium heeft het voordeel dat het makkelijker aangeslagen wordt door de versnellende elektronen tussen kathode en anode. En dat het makkelijk energie afgeeft aan neon door de overeenkomende energieniveaus.

Is dit een beetje duidelijker?

wannes

Klopt niet, er bestaan ook al lasers die geen populatie-inversie of gestimuleerde emissie nodig hebben. Bijvoorbeeld de Free Electron Lasers: http://en.wikipedia.org/wiki/Free-electron_laser

Per definitie heeft een LASER een gestimuleerde emissie nodig, en technisch gezien is een FEL dan ook een echte laser:

http://hasylab.desy.de/facilities/flash/ma.../index_eng.html

In a free-electron laser the role of the active laser medium and the energy pump are both taken over by the relativistic electron beam. The electrons are not bound to atomic, molecular or solid-state levels but are moving freely in vacuum. The pump source is the large kinetic energy of the electrons. Stimulated emission takes place from higher to lower kinetic energies under the action of an already existing light wave, e.g. from an optical laser.

The motion of the electrons on their slalom path produces a velocity component along the transverse electric field of the light wave, resulting in an energy exchange between the electrons and the light wave. Specifically, the coupling between the electron and the light wave is proportional to the electric field strength of the wave, and the FEL gain is proportional to the number of photons in the light wave. Hence one is well justified to speak of light amplification by stimulated emission of radiation when talking about a free-electron laser. Moreover, the light emerging from an FEL has the same properties as conventional laser light in that a huge number of coherent photons are contained in a single optical mode.

317070

Per definitie heeft een LASER een gestimuleerde emissie nodig, en technisch gezien is een FEL dan ook een echte laser:

Klopt, ik postte het als reactie op:

Populatie inversie en gestimuleerde emissie zijn noodzakelijk in alle lasersoorten, niet alleen gaslasers.

Ik wilde enkel zeggen dat deze stelling niet klopt, FEL hebben geen populatie-inversie. "Klopt niet, er bestaan ook al lasers die geen populatie-inversie nodig hebben." was correcter geweest.

cjh

Ik probeer de lastige woorden te begrijpen, maar het is wel duidelijker geworden. Waar komen die elektroden precies vandaan? En als de elektroden met helium botsen worden ze naar een hogere energie gebracht, smelten de elektroden en helium atomen samen? Word er energie doorgegeven? Want wat gebeurt er precies als ze botsen en ze worden naar een hogere energie gebracht? Waar komt die energie vandaan?

Overigens dacht ik zelf dat helium en de neon atomen die samenkomen 'branden' en een laser creeëren. Hoe ik je bericht lees van hoe de atomen naar een hogere energie gaan en energie word uitgewisselt, is het dan toch dat het helium en het neon de laser zelf is? Want ik snap niet wat er precies 'brandt' of 'opgebruikt' word als je de laser ziet, de laser is toch helium en neon met veel energie?

Mijn spijt dat je jezelf hoogst waarschijnlijk moet herhalen, maar ik heb wat moeite met bepaalde woorden.

'Het gas in de laser (Helium en neon) zorgt voor de laserwerking. Dit is het hart van de laser'. Ik moet hierbij gelijk denken aan een tussenstof zoals lucht nodig is voor geluid. Ik zal zelf nog wat meer wiki paginas/artikelen lezen om het zo goed mogelijk te begrijpen.

317070

Ik probeer de lastige woorden te begrijpen, maar het is wel duidelijker geworden. Waar komen die elektroden precies vandaan?

Euhm, alle atomen bestaan uit 1) een atoomkern, en 2) elektronen die rond die kern cirkelen.

Om een laser te maken hang je dus een spanning over die groep atomen (=het gas). De atomen moeten die spanning opvangen, en om die spanning of die extra energie te kunnen opvangen, gaan de elektronen nog steeds rond de atoomkern cirkelen, maar nu verder van de atoomkern weg. Dit fenomeen noemt met populatie-inversie. Een elektron dat verder van de atoomkern cirkelt heeft een grotere energie gekregen van de spanning.

Nu botst er een foton (lichtdeeltje) tegen het atoom: op dat moment kan het elektron dat verder aan het cirkelen was terugvallen naar zijn normale baan, en komt er energie vrij. Wat moet er met die energie gebeuren, wel, er kunnen 2 fotonen ontstaan die helemaal identiek zijn aan het foton dat op het atoom gebotst is.

Dus van 1 foton maak je 2 identieke fotonen, die gaan verder, en maken nu elk 4 fotonen, 8 fotonen, 16 fotonen, die komen bij de spiegel en laten 8 fotonen door, de andere 8 doen nog een toertje door de caviteit naar de andere spiegel en terug en maken nog een waterval aan fotonen. Hiervan komt er opnieuw de helft door de spiegel, en dan opnieuw de helft, en opnieuw de helft, enz.

Uiteindelijk zie je uit je laser enorm veel identieke fotonen komen, en dat is de laserstraal. De elektronen draaien dus rond je helium- en neonatomen. De elektronen nemen eerst energie op uit de spanning, en geven die vervolgens weer af als fotonen/licht.

En als de elektroden met helium botsen worden ze naar een hogere energie gebracht, smelten de elektroden en helium atomen samen? Word er energie doorgegeven? Want wat gebeurt er precies als ze botsen en ze worden naar een hogere energie gebracht? Waar komt die energie vandaan?

Die energie zat opgeslagen in de atomen, maar niet in de atoomkern, maar in de elektronen die rond de atoomkern draaiden. In het volledige proces gebeurt er eigenlijk niet veel met de atomen, ze worden niet verbruikt, ze verbranden niet, ze fuseren niet, ze smelten niet samen, ...

Het enige wat het helium en neon daar doen, is energie opnemen uit de spanning die over het gas staat, en als er eventueel een foton tegen botst, met die energie dat foton verdubbelen.

Overigens dacht ik zelf dat helium en de neon atomen die samenkomen 'branden' en een laser creeëren. Hoe ik je bericht lees van hoe de atomen naar een hogere energie gaan en energie word uitgewisselt, is het dan toch dat het helium en het neon de laser zelf is? Want ik snap niet wat er precies 'brandt' of 'opgebruikt' word als je de laser ziet, de laser is toch helium en neon met veel energie?

De laser is het helium en de neon, de 2 (halfdoorlatende) spiegels en de apparatuur om een spanning over het gas te leggen. Er wordt dus geen gas opgebruikt/verbrand, er wordt enkel elektriciteit gebruikt om de spanning te leggen over het gas.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Werking gaslaser

Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser

Re: Werking gaslaser