Что такое лазеры и как они работают
Впервые предсказанные Эйнштейном более века назад, лазеры сформировали наш современный технологический ландшафт, открыв путь новым изобретениям и возможностям. Но как же они работают?
Коротко о лазерах
Сегодня эта технология на основе света есть практически везде, в различных сферах нашей жизни – в сканерах продуктовых магазинов, интернет-соединении, камерах заднего вида в автомобилях, в медицинских устройствах, компьютерах и оружии. Осознаете вы это или нет, но вы взаимодействуете с лазерами ежедневно. Они помогли построить современный, глубоко взаимосвязанный мир, в котором мы живем.
Слово "laser" на самом деле является аббревиатурой, которая означает "light amplification by sustained emission of radiation" или "усиление света путем постоянного излучения". Лазеры работают, заставляя энергичные частицы вибрировать, или "осциллировать", синхронно, что означает, что пики и спады световых волн, которые они излучают, выстраиваются в линию (синхронизироваться). Представьте себе большое количество людей, марширующих строем, по сравнению с хаотичной толпой людей на городской площади. Это выделяет преимущества лазерного света на фоне некогерентного белого света, к которому мы привыкли.
Когда электроны в вибрационно синхронизированных атомах достигают своего наивысшего энергетического состояния, они неожиданно возвращаются обратно в состояние с низкой энергией в унисон, излучая при этом особую форму света. Лазерное устройство затем очищает этот свет, отражая его между двумя зеркалами, прежде чем использовать. Это и есть тот свет, который вы видите, когда он выходит, например, из лазерной указки.
Фундаментальная физика, лежащая в основе лазерной технологии, известна уже более века. Теория была впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Но исследователям понадобилось почти четыре десятилетия, чтобы воплотить эти теоретические идеи в жизнь.
Что было до
До лазеров существовали мазеры (maser) – похожая технология, которая использует микроволны вместо видимого света. Первый функциональный мазер был построен в 1954 году группой ученых из Колумбийского университета. Это устройство использовало пучок высокоэнергетических молекул аммиака и полый корпус, который назывался резонансной полостью, чтобы заставить микроволны колебаться вместе. Однако его выходная мощность была крошечной — всего около 10 нановатт. Это более чем в миллиард раз меньше, чем мощность, необходимая для включения обычной лампочки. Самые мощные в мире лазеры, наоборот, могут производить до 10 петаватт — около десятой части мощности Солнца.
Чтобы создать более мощный мазер, ученые начали изучать различные частоты электромагнитного спектра. В 1960 году родился "оптический мазер", который и получил название "лазер". Не все лазеры работают в спектре видимого света, но все они используют частоты выше микроволнового излучения.
Лазеры имеют несколько преимуществ над мазерами. Кроме того, что они вмещают больше энергии в лучи благодаря более короткой длине электромагнитных волн, лазеры легче строить и ими легче точно управлять. Хотя мазеры все еще иногда используются для таких вещей, как радиотелескопы и связь в дальнем космосе, лазеры сегодня гораздо более распространены.
Что дальше
Будущее лазерных технологий выглядит не менее безоблачным. Некоторые исследователи изучают ее потенциал для визуализации экзопланет далеко за пределами нашей Солнечной системы. Ученые также работают над проектом миниатюризации лазеров, чтобы сделать центры обработки данных меньше и гораздо более энергоэффективными, тем самым уменьшив выбросы парниковых газов.
Но эта технология может иметь применение, о котором мы еще даже не мечтали. Использование лазеров сегодня ограничивается лишь вашим собственным воображением.