Как работают лазеры

Иван Калягин
Сентябрь 26, 2016
9.4k
1
Наука
в избранное
Лазеры используют везде: от кабинета стоматолога до научно-фантастических фильмов. Но как они работают? Почему лазерные указки настолько отличаются от обычного фонарика? Почему из лазера можно создать сокрушительное оружие? И почему лазерные мечи еще не так опасны, как их стальные собратья? Поговорим о природе лазера и будем надеется, что после прочтения ты станешь чуточку умнее.

Лазеры — это…

brodude.ru_26.09.2016_WgM9mUOlRZdf5

Лазеры — это такого рода обыденность, которой до сих пор удивляешься. Их используют каждый день в стоматологии, тату-салонах, печати и при воспроизведении CD-проигрывателей (помнишь их?). Но они также всплывают в фантастических фильмах, поражая нас видом лазерных мечей или лазерных бластеров. Мы постоянно ожидаем от них чего-то нового. Надеемся, что появится новый тип оружия и все будут такие: «пиу-пиу-пиу!». Но что мы действительно знаем о лазерах? Считается, что лазер — это такая форма света. Но ведь это не совсем так. Он обладает свойствами монохроматичности и когерентности, которые позволяют использовать технологию лазера в уникальнейших случаях. Обычные лампочки и фонарики заметно проигрывают лазерам на этом поле брани.

Строение атома

Чтобы понять, как работают лазеры, мы должны сначала взглянуть на атом. Всё, с чем ты взаимодействуешь: стул, на котором сидишь, воздух, которым дышишь, даже наши тела — всё состоит из маленьких частиц, называемых атомами. Если посмотреть на периодическую таблицу элементов, то мы увидим около ста различных видов атомов, которые существуют сегодня. Различные материалы состоят из разных комбинаций этих элементов.

brodude.ru_26.09.2016_XhsLuBlR6Q2Yd
Каждый атом содержит ядро (которое состоит из протонов и нейтронов) и набор электронов, которые постоянно находятся в движении по орбите ядра. Атомы имеют постоянную энергию, которая не нуждается в подзарядке со стороны. Электроны, которые находятся ближе к ядру, могут подвергнуться стимулированию, что приведет к «возбужденному» состоянию атома (звучит как эротика 70-х, но это физика).

Благодаря квантовой механике мы знаем, что такой атом не может путешествовать в дискретные, четко определенные орбиты. Но если взять энергию в виде света или тепла, то он легко может трансформироваться в более высокое энергетическое состояние. Когда все эти перевозбужденные электроны решат отдохнуть, то они могут воссоединиться со своими соседями в нижних энергетических уровнях атома, чтобы выделить энергию в виде фотонов и лучей света. Разница между начальной и конечной орбитой электронов определяет высвобождающуюся энергию фотона, которая, в свою очередь, определит длину волны и цвет излучаемого света.

Что такое лазер и как он работает?

Если ты не сидел на последней парте на уроках физики, то должен помнить, что слово «лазер» является акронимом, который расшифровывается как: «усиление света посредством вынужденного излучения». Ключевое слово в этой расшифровке — «вынужденного». Это отличает лазеры от более простых форм света. Когда ты включаешь обычный фонарик, то свет проходил по случайным траекториям во всех направлениях, в результате чего он рассеивается и становится относительно слабым. А теперь возьмем лазер, свет которого «вынужденный» и «согласованный» — фотоны двигаются в унисон и в одном направлении. В итоге мы получаем более узкий, но более интенсивный луч света.

Но как заставить фотоны соблюдать такие строгие правила?

Давай вернемся к нашей картине атома. Когда электрон переходит из возбужденного энергетического состояния в состояние покоя, выпущенный фотон имеет определенное количество энергии. Энергия фотона равна разнице энергии основного и возбужденного состояния атома. Если недавно выпущенный фотон сталкивается с другим электроном, который находится в таком же возбужденном энергетическом состоянии, то он (электрон) приобретает свойство фотона — его энергию (цвет) и фазу (относительное положение).

brodude.ru_26.09.2016_RNd8AmvvaRma4

Если у тебя есть достаточное количество электронов, которые находятся в возбужденном состоянии, то первый фотон может запустить цепную реакцию стимулированного излучения. Если фотонов будет больше, то электроны начнут двигаться обратно в свои привычные энергетические состояния, чем выпустят на свободу новые фотоны, которые, в свою очередь, стимулируют выбросить ещё больше фотонов. В итоге этот излучаемый свет будет иметь постоянную энергию и постоянную длину волны. Свет такой волны называется монохроматическим.

То есть цепная реакция фотонов — это и есть то, на чем работают лазеры. Причем накачка электронами происходит с помощью мощной вспышки света или электрического импульса. Как только первые фотоны выпускаются наружу, лазеры, благодаря двум зеркалам, отражают эти фотоны, что стимулирует движение света туда и обратно через рабочее тело. В общем, в лазере происходит настоящая оргия фотонов.

Лазерные опорные звезды

Целенаправленный характер лазеров делает их идеальными инструментами для резки, когда нужны точные, прямые линии. Это требование часто вступает в игру, когда речь идет о человеческом теле, будь то срез роговицы для улучшения зрения, удаление татуировки или корректировка сколотого зуба.

brodude.ru_26.09.2016_myTQpc0XAFBep
Однако самое крутое использование лазера мы наблюдаем в астрономии. Когда астрономы смотрят на далекий объект, например, на звезду через телескопы, то свет, который мы видим, искажается, проходя через неспокойную атмосферу Земли. Порой данные настолько трудно расшифровать, что невозможно определить является ли искажение свойством звезды или это просто эффект от просмотра через земную атмосферу.

Одним из способов обойти эту проблему является методика адаптивной оптики: астрономы наблюдают за объектом изучения, и в то же время отмечают очень яркий объект, как правило, ближайшую к нам звезду. Поскольку ученые уже знают, что можно ожидать от объекта сравнения, они смотрят на изображение, которое они на самом деле видят, исключая все атмосферные погрешности. Полученная атмосферная модель затем используется для адаптации оптики телескопа в режиме реального времени, чтобы компенсировать влияние атмосферы при наблюдении цели.

Но в этом методе есть большая проблема. Не всегда под рукой хороший и яркий объект сравнения. Когда на небе нет ничего подходящего, то астрономы создают свою собственную «звезду» с помощью лазерного луча, запущенного прямо в небо. То есть, сегодня ученые могут создать лазерную опорную звезду в любом месте, где это необходимо. Просто вообрази себе это — гораздо круче любого светового меча, разве нет?

По материалам доктора Сабрины Стирвольт