Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:40 • sest 21:16 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 15:13 • Sest 05:59 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 03:57 • Síðdegis: 16:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:23 • Síðdegis: 22:34 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Vísindavefur Bekkirnir spyrja Vísindasmiðjan
Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvernig er leysiljósið unnið?

Ari Ólafsson

Til þess að fá grófa mynd af því hvernig leysir vinnur skulum við taka samlíkingu við fyrirbæri sem flestir þekkja. Á rokktónleikum og útisamkomum eiga hátalarakerfin það til að væla af sjálfu sér. Hér erum við með hringrás; hljóðmerki berast til hljóðnema, sem breytir þeim í rafmerki og sendir til magnara. Magnarinn eykur styrkinn í þessum merkjum og skilar til hátalara sem breytir þeim aftur í hljóðmerki. Hluti hljóðaflsins skilar sér síðan aftur til hljóðnema og þannig lokast hringrásin. Hringrásin einkennist af þremur atriðum:
  1. Mögnun

  2. Styrkjandi afturverkun, merki sem magnarinn sendir frá sér skila sér til hans aftur á inngangshliðinni

  3. Tapi, aðeins hluti hljóðaflsins frá hátalaranum skilar sér til hljóðnema
Ef mögnunin er meiri en tapið, stækkar merkið við hverja hringferð þar til magnarinn mettast og ræður ekki við meira. Kerfið vælir á ákveðnum tóni.

Einkunnarorðið "styrkjandi" í lið 2. kallar á skýringar. Tvær bylgjur sem skarast og sveiflast í takt þannig að bylgjutoppar þeirra falli saman eru sagðar hafa styrkjandi samliðun. Lendi bylgjutoppur annarrar á bylgjubotni hinnar er samliðunin hinsvegar eyðandi og bylgjurnar eyða hvor annarri. Þetta atriði ákveður tíðnina á vælutóninum í hljóðkerfinu sem rætt var um hér að ofan.

Umferðartíminn í hringrásinni þarf að vera heilt margfeldi af lotu sveiflunnar svo að samliðun bylgna úr mismunandi umferðum verði styrkjandi. Umferðartímanum, og þar með líka sveiflutíðninni, má breyta með því að breyta fjarlægð milli hátalara og hljóðnema, svo að ferðatími hljóðbylgjunnar breytist. Þetta nota gítarleikarar sér stundum þegar þeir stilla sér með rafmagnsgítar fyrir framan hátalara og rugga sér fram og til baka.



Leysar eru að grunni til magnarar með styrkjandi afturverkun eins og allir aðrir sveiflugjafar. Leysirinn er að því leyti einfaldari en hljóðkerfið að sveiflurnar halda formi sínu sem ljóseindir í gegnum alla hringrásina en sveiflurnar í hljóðkerfinu voru ýmist rafmerki eða hljóðbylgjur.

Grunnhlutar leysisins eru ljósmagnari og speglar við báða enda hans. Speglarnir sjá um styrkjandi afturverkun með því að beina því sem kemur eða stefnir út úr ljósmagnaranum inn í hann aftur. Annar spegillinn er hafður svolítið lekur til að tappa geislanum af tækinu. Sveiflutíðnin (eða öldulengdin) ræðst af tíðnibilinu sem magnarinn ræður við og fjarlægð milli speglanna.

Enska orðið "LASER" sem er skammstöfun á "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" er í raun rangnefni þar sem leysirinn er annað og meira en magnari; hann er um leið sveiflugjafi vegna speglanna. Í stað "Amplification" (mögnun) hefði átt að standa "Oscillator" (sveiflugjafi), en við það yrði skammstöfunin LOSER, sem þótti ekki við hæfi.

Til að skilja hvernig ljósmögnunin fer fram þurfum við þekkingu á skammtafræði og orkustigum efniseindanna (frumeinda eða sameinda). Þó getum við komist langt með hugtakinu "örvuð geislun" sem Einstein sagði fyrir um fyrir tæpri öld. Ljóseind sem rekst á örvaða efniseind getur "klónað" sjálfa sig ef orka hennar passar við orkubil efniseindarinnar. Við þetta minnkar innri orka efniseindarinnar um orkuskammt ljóseindarinnar. Ljóseindirnar tvær eru eins í öllu tilliti; tíðni, fasa og útbreiðslustefnu. En svokölluð klónun er því engan veginn ný bóla í heimi ljóseindanna.

Eiginleikar leysigeisla eru mjög sérstæðir vegna þess að ljóseindirnar eru allar afsteypur af sömu frummyndinni. Þær sveiflast allar í takt og stefna í sömu átt. Þaðan er stefnuvirknin ættuð og leysigeislanum má safna í brennipunkt sem er miklu minni en hægt er að mynda með venjulegum ljósgeisla. Takmörkunin liggur við einnar öldulengdar þvermál.

Þannig mætti taka 5W leysigeisla frá CO2 leysi (slíkir leysar geta í stærri útgáfum skilað tugum kílóvatta) með öldulengdina 10 míkrómetrar og safna geislanum í brennipunkt með aflþéttleikann 50 GW/m2. Þessi aflþéttleiki svarar til þess að beina allri rafaflsframleiðslu Íslendinga að lítilli eldavélarhellu.

Leysar eru mikið notaðir til efnisskurðar, bæði í iðnaði og til lækninga á sjúkrahúsum. Þetta er oftast gert með stuttum en kröftugum ljósblossum og afrakstrinum má líkja við litlar sprengingar. Efnið snögghitnar á litlu svæði, í sumum tilfellum brennur það, í öðrum verður fasabreyting yfir á gasform. Upp frá hitunarstaðnum myndast gas- og agnastrókar og eftir verður hola í efninu þar sem geislablossinn lenti. Yfirborðshitastig ræðst af orkuinnihaldi blossans og efniseiginleikum yfirborðsins.

Við lágt hitastig er það varmaleiðni sem takmarkar hitastigul þannig að hitunin verður mjög staðbundin. Við meiri hita tekur varmageislun við og fasabreytingar (uppgufun) þegar enn ofar dregur. Myndbreytingar efnisins geta líka gert það speglandi svo að efnið drekkur minna í sig af orku geislans.

Sem dæmi um hitun með leysi má nefna að með nokkurra vatta geisla má hita lítinn blett á múrsteini í 2000 til 2500 gráður. Bletturinn verður hvítglóandi og er í raun á fljótandi formi. Til uppskurða á blóðríkum vefjum eru notaðir geislar þar sem meðalafl nemur nokkrum tugum vatta en toppafl í blossum getur numið kílóvöttum. Til að skera í málma og keramísk efni eru notaðir kílóvatta geislar.

Þróun kröftugustu leysanna er drifin af voninni um orkuvinnslu með kjarnasamruna og ómældu fjármagni. Aflmesti leysirinn skilar ríflega 100 teravatta (tera- táknar 10 í tólfta veldi eða milljón milljónir) toppafli í nokkrar nanósekúndur (nanó er 10 í mínus níunda veldi eða einn milljarðasti). Þetta toppafl samsvarar 100.000-faldri rafaflsframleiðslu Íslendinga.

En ekki eru allar kennistærðir leysa svona tröllauknar. Þeir eru líka notaðir til nákvæmnismælinga á fjarlægðum og tíma. Þessar mælingar byggja á hreintóna-eiginleika geislanna. Hreinustu geislar hafa hlutfallslega sveiflutíðni sem er stöðug upp á 10 í þrettánda veldi. Þetta þýðir að tíðnina má tilgreina með 13 marktækum stöfum.

Nánari fróðleik um leysa má finna á þessum vefsíðum:

Mynd:

Hér er einnig svarað eftirfarandi spurningum:
Hversu nákvæmur er nákvæmasti leysir (laser) sem til er? (Bjargmundur Halldórsson)

Það er verið að gera risaleysi sem mun getað hitað yfirborð um tugþúsundir stiga. Mun þessi leysir valda sprengingu? (Ragnar Skúlason)

Höfundur

Ari Ólafsson

Ari Ólafsson

dósent emeritus í eðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

3.7.2001

Spyrjandi

Aron Hólm

Efnisorð

Tilvísun

Ari Ólafsson. „Hvernig er leysiljósið unnið?“ Vísindavefurinn, 3. júlí 2001. Sótt 19. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1763.

Ari Ólafsson. (2001, 3. júlí). Hvernig er leysiljósið unnið? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1763

Ari Ólafsson. „Hvernig er leysiljósið unnið?“ Vísindavefurinn. 3. júl. 2001. Vefsíða. 19. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1763>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig er leysiljósið unnið?
Til þess að fá grófa mynd af því hvernig leysir vinnur skulum við taka samlíkingu við fyrirbæri sem flestir þekkja. Á rokktónleikum og útisamkomum eiga hátalarakerfin það til að væla af sjálfu sér. Hér erum við með hringrás; hljóðmerki berast til hljóðnema, sem breytir þeim í rafmerki og sendir til magnara. Magnarinn eykur styrkinn í þessum merkjum og skilar til hátalara sem breytir þeim aftur í hljóðmerki. Hluti hljóðaflsins skilar sér síðan aftur til hljóðnema og þannig lokast hringrásin. Hringrásin einkennist af þremur atriðum:

  1. Mögnun

  2. Styrkjandi afturverkun, merki sem magnarinn sendir frá sér skila sér til hans aftur á inngangshliðinni

  3. Tapi, aðeins hluti hljóðaflsins frá hátalaranum skilar sér til hljóðnema
Ef mögnunin er meiri en tapið, stækkar merkið við hverja hringferð þar til magnarinn mettast og ræður ekki við meira. Kerfið vælir á ákveðnum tóni.

Einkunnarorðið "styrkjandi" í lið 2. kallar á skýringar. Tvær bylgjur sem skarast og sveiflast í takt þannig að bylgjutoppar þeirra falli saman eru sagðar hafa styrkjandi samliðun. Lendi bylgjutoppur annarrar á bylgjubotni hinnar er samliðunin hinsvegar eyðandi og bylgjurnar eyða hvor annarri. Þetta atriði ákveður tíðnina á vælutóninum í hljóðkerfinu sem rætt var um hér að ofan.

Umferðartíminn í hringrásinni þarf að vera heilt margfeldi af lotu sveiflunnar svo að samliðun bylgna úr mismunandi umferðum verði styrkjandi. Umferðartímanum, og þar með líka sveiflutíðninni, má breyta með því að breyta fjarlægð milli hátalara og hljóðnema, svo að ferðatími hljóðbylgjunnar breytist. Þetta nota gítarleikarar sér stundum þegar þeir stilla sér með rafmagnsgítar fyrir framan hátalara og rugga sér fram og til baka.



Leysar eru að grunni til magnarar með styrkjandi afturverkun eins og allir aðrir sveiflugjafar. Leysirinn er að því leyti einfaldari en hljóðkerfið að sveiflurnar halda formi sínu sem ljóseindir í gegnum alla hringrásina en sveiflurnar í hljóðkerfinu voru ýmist rafmerki eða hljóðbylgjur.

Grunnhlutar leysisins eru ljósmagnari og speglar við báða enda hans. Speglarnir sjá um styrkjandi afturverkun með því að beina því sem kemur eða stefnir út úr ljósmagnaranum inn í hann aftur. Annar spegillinn er hafður svolítið lekur til að tappa geislanum af tækinu. Sveiflutíðnin (eða öldulengdin) ræðst af tíðnibilinu sem magnarinn ræður við og fjarlægð milli speglanna.

Enska orðið "LASER" sem er skammstöfun á "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" er í raun rangnefni þar sem leysirinn er annað og meira en magnari; hann er um leið sveiflugjafi vegna speglanna. Í stað "Amplification" (mögnun) hefði átt að standa "Oscillator" (sveiflugjafi), en við það yrði skammstöfunin LOSER, sem þótti ekki við hæfi.

Til að skilja hvernig ljósmögnunin fer fram þurfum við þekkingu á skammtafræði og orkustigum efniseindanna (frumeinda eða sameinda). Þó getum við komist langt með hugtakinu "örvuð geislun" sem Einstein sagði fyrir um fyrir tæpri öld. Ljóseind sem rekst á örvaða efniseind getur "klónað" sjálfa sig ef orka hennar passar við orkubil efniseindarinnar. Við þetta minnkar innri orka efniseindarinnar um orkuskammt ljóseindarinnar. Ljóseindirnar tvær eru eins í öllu tilliti; tíðni, fasa og útbreiðslustefnu. En svokölluð klónun er því engan veginn ný bóla í heimi ljóseindanna.

Eiginleikar leysigeisla eru mjög sérstæðir vegna þess að ljóseindirnar eru allar afsteypur af sömu frummyndinni. Þær sveiflast allar í takt og stefna í sömu átt. Þaðan er stefnuvirknin ættuð og leysigeislanum má safna í brennipunkt sem er miklu minni en hægt er að mynda með venjulegum ljósgeisla. Takmörkunin liggur við einnar öldulengdar þvermál.

Þannig mætti taka 5W leysigeisla frá CO2 leysi (slíkir leysar geta í stærri útgáfum skilað tugum kílóvatta) með öldulengdina 10 míkrómetrar og safna geislanum í brennipunkt með aflþéttleikann 50 GW/m2. Þessi aflþéttleiki svarar til þess að beina allri rafaflsframleiðslu Íslendinga að lítilli eldavélarhellu.

Leysar eru mikið notaðir til efnisskurðar, bæði í iðnaði og til lækninga á sjúkrahúsum. Þetta er oftast gert með stuttum en kröftugum ljósblossum og afrakstrinum má líkja við litlar sprengingar. Efnið snögghitnar á litlu svæði, í sumum tilfellum brennur það, í öðrum verður fasabreyting yfir á gasform. Upp frá hitunarstaðnum myndast gas- og agnastrókar og eftir verður hola í efninu þar sem geislablossinn lenti. Yfirborðshitastig ræðst af orkuinnihaldi blossans og efniseiginleikum yfirborðsins.

Við lágt hitastig er það varmaleiðni sem takmarkar hitastigul þannig að hitunin verður mjög staðbundin. Við meiri hita tekur varmageislun við og fasabreytingar (uppgufun) þegar enn ofar dregur. Myndbreytingar efnisins geta líka gert það speglandi svo að efnið drekkur minna í sig af orku geislans.

Sem dæmi um hitun með leysi má nefna að með nokkurra vatta geisla má hita lítinn blett á múrsteini í 2000 til 2500 gráður. Bletturinn verður hvítglóandi og er í raun á fljótandi formi. Til uppskurða á blóðríkum vefjum eru notaðir geislar þar sem meðalafl nemur nokkrum tugum vatta en toppafl í blossum getur numið kílóvöttum. Til að skera í málma og keramísk efni eru notaðir kílóvatta geislar.

Þróun kröftugustu leysanna er drifin af voninni um orkuvinnslu með kjarnasamruna og ómældu fjármagni. Aflmesti leysirinn skilar ríflega 100 teravatta (tera- táknar 10 í tólfta veldi eða milljón milljónir) toppafli í nokkrar nanósekúndur (nanó er 10 í mínus níunda veldi eða einn milljarðasti). Þetta toppafl samsvarar 100.000-faldri rafaflsframleiðslu Íslendinga.

En ekki eru allar kennistærðir leysa svona tröllauknar. Þeir eru líka notaðir til nákvæmnismælinga á fjarlægðum og tíma. Þessar mælingar byggja á hreintóna-eiginleika geislanna. Hreinustu geislar hafa hlutfallslega sveiflutíðni sem er stöðug upp á 10 í þrettánda veldi. Þetta þýðir að tíðnina má tilgreina með 13 marktækum stöfum.

Nánari fróðleik um leysa má finna á þessum vefsíðum:

Mynd:

Hér er einnig svarað eftirfarandi spurningum:
Hversu nákvæmur er nákvæmasti leysir (laser) sem til er? (Bjargmundur Halldórsson)

Það er verið að gera risaleysi sem mun getað hitað yfirborð um tugþúsundir stiga. Mun þessi leysir valda sprengingu? (Ragnar Skúlason)
...