Впервые предсказанный Эйнштейном более века назад, лазеры сформировали наш современный технологический ландшафт. Но как они работают?
Они есть в сканерах продуктовых магазинов, интернет-соединениях и автомобильных камерах заднего вида. Осознаете вы это или нет, но вы взаимодействуете с лазерами каждый день. Эта основанная на свете технология помогла построить современный, глубоко взаимосвязанный мир, в котором мы живем. Но что такое лазеры и как они работают?
Слово «лазер» на самом деле является аббревиатурой; это означает «усиление света за счет вынужденного излучения». Лазеры работают, заставляя энергетические частицы вибрировать или «колебаться» синхронно, то есть пики и минимумы излучаемых ими световых волн совпадают. Подумайте об армии, идущей строем, по сравнению с толпой людей, слоняющихся вокруг городской площади. «Это своего рода качество лазерного света по сравнению с некогерентным белым светом, к которому мы обычно привыкли».
Когда электроны в колебательно-синхронизированных атомах достигают состояния с самой высокой энергией, они внезапно синхронно переходят в состояние с низкой энергией, испуская при этом особую форму света. Затем лазерное устройство уточняет этот свет, отражая его назад и вперед между двумя зеркалами, прежде чем использовать его.
«Это настоящий свет, который вы видите, исходящий от вашей лазерной указки», — сказал Делфиетт.
Фундаментальная физика, лежащая в основе лазерной технологии, известна уже более века; теория была впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Но исследователям понадобится почти четыре десятилетия, чтобы воплотить эти теоретические идеи в жизнь.
До лазеров были мазеры — аналогичная технология, использующая микроволны вместо видимого света. Первый функциональный мазер был построен в 1954 году группой учёных Колумбийского университета. В этом устройстве использовался луч высокоэнергетических молекул аммиака и полый корпус, называемый 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 количество энергии, необходимое для включения обычной лампочки. Напротив, самые мощные в мире лазеры могут производить до 10 петаватт — примерно десятую часть мощности Солнца.
Чтобы создать более мощный мазер, ученые начали изучать разные частоты электромагнитного спектра. В 1960 году родился «оптический мазер», более известный как лазер. Не все лазеры работают в видимом спектре света, но все они используют частоты выше микроволнового излучения.
Лазеры имеют несколько преимуществ перед мазерами. Помимо того, что лазеры упаковывают больше энергии в свои лучи из-за более коротких электромагнитных длин волн, их легче создавать и ими легче точно управлять. Хотя мазеры до сих пор иногда используются в таких устройствах, как радиотелескопы и средства связи в дальнем космосе, сегодня лазеры гораздо более распространены.
«Лазер — одно из самых важных научных и технологических изобретений 20-го века», — сказала Светлана Лукишова, исследователь нанооптики из Рочестерского университета в Нью-Йорке. Лазеры теперь используются во всем: от глазной хирургии до гравировки стекла и оптоволоконных кабелей, обеспечивающих глобальное подключение к Интернету. Они даже сыграли важную роль в обнаружении пульсаций пространства-времени, известных как гравитационные волны; Лазерно -интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория использует два массивных лазера, расположенных на расстоянии тысяч миль друг от друга, для исследования самой ткани пространства-времени.
Будущее лазерных технологий выглядит столь же ярким. Некоторые исследователи изучают его потенциал для получения изображений экзопланет далеко за пределами нашей Солнечной системы. А Делфиетт и его лаборатория работают над проектом по миниатюризации лазеров, чтобы сделать центры обработки данных меньше и намного более энергоэффективными, тем самым сокращая выбросы парниковых газов.
Но Делфиетт считает, что у этой технологии могут быть применения, о которых мы еще даже не мечтали. «Использование лазеров ограничено только вашим собственным воображением», — сказал он.
