В настоящее время мы настолько привыкли к благам цивилизации, что даже плановое отключение электроэнергии может серьёзно повлиять на нашу жизнь и изменить наши планы. Действительно, без электричества у нас будет нечем заряжать смартфоны, питать стиральные машины, холодильники и плиты, а также мы будем лишены самого главного - света.
Сейчас лампочки, подключенные к сети, располагаются в каждой квартире, однако не в каждой квартире есть источник света, который действительно изменил уклад и порядок жизни всех жителей планеты Земля. Речь идёт про лазер, первый из которых был представлен в 1960-м году компанией Hughes Research Laboratories в Малибу, Калифорния. Это был твердотельный лазер, использующий рубин (хромированный оксид алюминия) в качестве активной среды. Лазер работал на принципе оптической накачки, при которой рубин возбуждался вспышками света от ксеноновой лампы.
В этой статье попробуем разобраться, что же такое лазер, чем он отличается от лампочки и как он полностью изменил наш мир.
Принцип работы
Первый лазер, разработанный под руководством американского ученого Теодора Меймана, состоял из следующих элементов:
- Рубиновый стержень длиной около 2 см и диаметром около 0,5 см.
- Два зеркала, расположенные на концах рубинового стержня. Одно из зеркал было полностью отражающим, другое — частично пропускающим.
- Вспышки ксеноновой лампы, окружавшей рубиновый стержень.
Этот лазер испускал излучение красного света с центральной длиной волны 694,3 нм. Исходя из составляющих первого лазера вытекают 3 условия, необходимые для лазерной генерации:
- Наличие активной среды: Первое, что необходимо для лазерной генерации - это материал, атомы которые могут быть возбуждены (переведены на более высокое по энергии состояние) для последующего излучения фотонов. Это могут быть газ, жидкость, твердое тело или полупроводник.
- Создание резонатора: Далее необходимо взять две зеркальные поверхности, расположенные по обе стороны активной среды. Одно из зеркал полностью отражает излучение, в то время как другое является полупрозрачным, что позволяет части светового излучения выходить наружу в виде лазерного луча. Такая система называется резонатор. Она позволяет усиливает световые волны, заставляя их многократно проходить через активную среду.
- Инверсие заселенность: При накачки активной среды внутри резонатора важно создать ситуацию, в котором число электронов в возбуждённом состоянии превышает число электронов в основном состоянии. Для достижения инверсии заселенности используются различные методы накачки (оптическая, электрическая и др.).
При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный квазимонохроматический направденных свет. Такая систем и называется лазером (с английской фразы:"Light amplification by stimulated emission of radiation", что означает "усиление света с помощью вынужденного излучения").
Чем лазерное излучение лучше лампы?
Лазерное излучение имеет несколько ключевых характеристик, которые отличают его от света обычной лампы. Вот основные различия:
- Излучение лазера когерентное: высокая когерентность лазерного излучения означает, что волны света излучаются в фазе, с синхронизированной частотой и направлением. Другими словами: колебания атомов, которые выступают в роли источников электромагнитных волн, согласованы по времени таким образом, что волны усиливают друг друга, а не гасят. Это позволяет создавать очень узкие и направленные лучи света. В случае с лампой излучение некогерентное, а значит, световые волны распространяются в различных направлениях и с различной фазой, что приводит к рассеянному свету.
- Монохроматичность: Излучение лазера является квазимонохроматичным (почти одного цвета), т.е. состоит из электромагнитных волн, образующих очень узкий спектр длин волн. Данный факт обусловлен тем, что в атоме есть фиксированные энергетические переходы, которые разрешены электрону под действием фотонов накачки. В свою очередь лампочка обладает широким спектром излучения, в следствии чего мы видим свет, который выглядет белым или почти белым (сумма всех цветов).
- Направленность: Излучение от лазера очень направленное, с малым углом расхождения. Луч лазера остается относительно узким даже на больших расстояниях (как правило, до десятков тысяч метров).
- Яркость и мощность: Ввиду особенностей генерации лазерного излучения, оно может обладать высокой интенсивностью света на единицу площади. Лазеры могут концентрировать большое количество энергии в очень маленькой области.
В конце сравнения важно отметить, что лазер и лампа накаливания значительно отличаются по принципу генерации света. В то время как генерация лазерного излучения основана на стимулированной эмиссии, когда возбуждённые атомы или молекулы активной среды испускают фотоны синхронно под воздействием других фотонов, генерация фотонов от лампы происходит за счет спонтанной эмиссии, когда атомы или молекулы испускают фотоны случайным образом, независимо друг от друга.
Почему же лазер - это чудо техники?
Лазеры значительно изменили мир, открыв новые возможности в различных областях. Они способствовали развитию высокоточных технологий, улучшению качества медицинских услуг, увеличению скорости и надёжности передачи данных, а также внесли вклад в науку и исследования. Лазеры продолжают играть ключевую роль в инновациях и технологиях, влияя на повседневную жизнь и будущее человечества.
Можно очень долго перечислять направления, которые полностью изменились и преобразились под влиянем лазеров, однако для наглядности ниже приведены только основные (по мнению автора) области, где используются лазеры на постоянной основе.
- Связь и информационные технологии: Лазеры используются для передачи данных через оптические волокна на большие расстояния с высокой скоростью и низкими потерями. Благодаря лазерам стало возможно глобальное развитие такой технологии, как интернет.
- Промышленность: Лазеры используются для высокоточной резки и сварки металлов и других материалов. Это позволяет создавать сложные детали с высокой точностью. Помимо этого, лазерные источники широко используются для нанесения меток и гравировок на продукцию, обеспечивая долговечность и точность.
- Медицина: Лазерные технологии применяются в офтальмологии для коррекции зрения, в дерматологии для удаления родинок, татуировок и лечения кожных заболеваний, а также в других хирургических процедурах, включая стоматологию и онкологию. Также лазеры используются в оптической когерентной томографии (ОКТ) для высокоточного сканирования тканей.
- Наука и исследования: Невозможно представить современную науку без лазерных технологий. Однако если постараться отбросить эмоции, то можно сказать, что сегодня лазеры используются для анализа химического состава материалов, помогают в изучении квантовых эффектов, высокотемпературной сверхпроводимости и других фундаментальных физических явлений.
- Военное дело и безопасность. Одна из передовых технологий на основе лазеров - лидары, которые используются в военных и гражданских системах для измерения расстояний, картографии и автономного вождения (
вспоминайте статью про беспилотные автомобили на этом канале).