Заголовок вовсе не кликбейт, а настоящий факт – лазеры мы видим буквально каждый день. Если вы до сих пор сомневаетесь, то вспомните кассира в супермаркете, который сканером «пикает» штрих-коды и QR-коды – это прямое применение лазерного луча в повседневной жизни. История первого лазера была заложена в начале ХХ века.
Начало фотоники положил Эйнштейн
В 1916 году Альберт Эйнштейн выдвинул теорию индуцированного (вынужденного) излучения. Проще говоря, теория объясняла процесс генерации нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона. Однако это осталось только теорией и долгое время не могло найти практического применения.
Прохоров, Басов и Таунс – пионеры лазерных разработок
Теория Эйнштейна заинтересовала двух советских физиков Александра Прохорова и Николая Басова, а также одного американского – Чарльза Таунса. Они одновременно и независимо друг от друга создали изобретение, которые позже получили название «мазер» (аббревиатура от словосочетания Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), которое было предложено Чарльзом Таунсом. Разные источники утверждают, что разработка Таунса (1953), Прохорова и Басова (1954) являлась «первой в мире», однако все они получили за свою работу Нобелевскую премию в 1964 году.
И А. Прохоров, и Н. Басов, и Ч. Таунс являются авторами своих изобретений, так как подход в создании мазера отличался, хоть и результат был похож.
Тем не менее, как работал мазер? Мазер создаёт стройный пучок микроволн за счет эффекта вынужденного излучения. Сначала внешняя энергия «накачивает» среду, переводя ее частицы в возбужденное состояние, а затем случайный фотон инициирует цепную реакцию, заставляя возбуждённые частицы одновременно излучать абсолютно идентичные фотоны – с одинаковой частотой, фазой и направлением движения; этот усиленный в оптическом резонаторе поток синхронных волн и формирует тот самый узконаправленный и когерентный микроволновый луч.
Первый в мире лазер
Изобретение мазеров дало новый виток развития и это привело к тому, что в 1960 году был создан первый в мире лазер на основе красного рубина за авторством Теодора Меймана. Именно с этого момента пучок света стал не кратковременным, а постоянным. Это был узкий сфокусированный в одной точке луч.
На данный момент самый мощный лазер – ELI-NP – находится в Румынии от французской компании Thales мощностью в 10 петаватт (10 в 15-й степени ватт). Вес всего оборудования, которое необходимо для работы лазера составляет 450 тонн. Однако даже с такими характеристиками, длительность выпускаемого луча составляет около фемтосекунды (одна миллиардная миллионной или 0,000000000000001 секунды).
Второй по мощности лазер находится в США в Мичиганском университете. Изобретение под скромным названием ZEUS способен выпускать луч энергией в 2 петаватта.
Хотя импульс длился лишь мгновение (25 квантиллионных секунды), в этот момент его мощность в 100 раз превышает суммарное энергопотребление всей Земли. Его способности используют:
- в медицине, благодаря чему специалисты могут получать четкие изображения мягких тканей при минимальной лучевой нагрузке на исследуемый объект;
- в материаловедении, так как ученые могут исследовать поведение различных материалов в экстремальных условиях (как они разрушаются, как меняют свои свойства и прочее);
- в астрофизике, где с помощью него можно исследовать физику плазмы.
Сферы применения лазера
Военное дело
Одной из сфер применения лазеров является военное дело. Ярким примером является комплекс ПВО «Пересвет». Впервые публично представлен президентом России Владимиром Путиным 1 марта 2018 года в ходе обращения к Федеральному собранию. Позже его название было выбрано по результатам народного голосования. Согласно заявлению Министерства обороны РФ от 12 марта 2018 года, комплекс был принят на вооружение еще в 2017 году и оснащен малогабаритной ядерной энергоустановкой.
Медицина
В медицину это изобретение пришло с момента своего создания, а именно в 1960 году. В 1970-х он уже использовался в дерматологии, в 1990-х – в офтальмологии. В настоящее время он активно используется в хирургии для операций с высокой точностью.
Промышленность
Также существуют промышленные лазеры, которые применяются для:
- лазерной термообработки;
- лазерного оплавления;
- лазерного сваривания;
- лазерного напыления;
- лазерное разделение материалов и другие.
Лазер – удивительная вещь. Казалось бы, все началось с простого предположения одного человека, а теперь изобретение на основе его теории помогает человечеству в разных сферах жизни. Давайте подытожим все, что мы узнали:
1. Теоретическая основа лазера была заложена Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, когда он описал теорию вынужденного излучения
2. Первые попытки создать лазер были сделаны А. Прохоровым, Н. Басовы и Ч. Таунсом в 1953-1954 гг. на основе теории А. Эйнштейна.
3. Первый лазер изобретен Теодором Мейманом в 1960 году.
4. Первый по мощности лазер находится в Румынии – ELI-NP (10 петаватт), второй – в США – ZEUS (2 петаватт).
5. Лазеры применяются во многих областях: промышленность, медицина, военное дело, торговля, строительство и другие.
Какие интересные факты про лазер вы знаете? Делитесь с нами в комментариях!
Список источников:
1. Выборнов, О. А. Лазер: изобретение Теодора Меймана и его воздействие на общество / О. А. Выборнов, М. М. Полозова // Символ науки: международный научный журнал. – 2023. – № 10-2. – С. 37-39. – EDN SVECOD. – https://elibrary.ru/item.asp?id=54748752
2. Лячин, А. В. Оптические измерения в квантовых системах : Учебное пособие / А. В. Лячин. – Томск : Общество с ограниченной ответственностью "СТТ", 2020. – 110 с. – ISBN 978-5-93629-661-1. – EDN PYAXNV. – https://elibrary.ru/item.asp?id=48106201
3. История одного из самых важных изобретений XX века – лазера – https://www.techinsider.ru/technologies/5466-kvantovyy-svetoch-istoriya-odnogo-iz-samykh-vazhnykh-izobreteniy-xx-veka-lazera/
4. Dickinso n D. F. Cosmic Masers. – Scientific American, June 1978, v. 238,\№ 6, pp. 68-70, 73-79. – Переводе. Б. Буланова – https://ufn.ru/ufn79/ufn79_6/Russian/r796e.pdf
5. Атомное время: как мы боялись заблудиться в море, а оказались в открытом космосе – https://bigmuseum.tilda.ws/article/1511251327005778250/atomnoe-vremya
6. World’s most powerful laser ushers dawn of new era in health, space – https://interestingengineering.com/innovation/worlds-most-powerful-laser?utm_source=Securitylab.ru
7. Ученые запустили самый мощный лазер в мире – ZEUS – https://new-science.ru/uchenye-zapustili-samyj-moshhnyj-lazer-v-mire-zeus/
8. Современные медицинские лазеры - лучи здоровья! – https://www.photonics-expo.ru/ru/articles/medicinskie-lazery/
9. Применение лазеров в разных сферах в современном мире – https://www.photonics-expo.ru/ru/articles/primenenie-lazerov/
10. «Пересвет» (лазерный комплекс) – https://bigenc.ru/c/peresvet-lazernyi-kompleks-2c3e41