Сегодня уже трудно удивить игрушкой, в которой используется лазер и, тем не менее, яркий цветной луч всегда вызывает интерес. Примером подобных игрушек является комплект лазерного тира, состоящий из двух частей. Это, во-первых, пластиковый пистолет с батарейками в рукоятке, красным лазером, электронной управляющей схемой и небольшим динамиком в стволе. Во-вторых, мишень с фотоэлементом, электронной схемой, динамиком и батарейками.
Играющий должен, прицелиться с расстояния в несколько метров в центр мишени и нажать на спусковой крючок пистолета, после чего включится электронная управляющая схема, которая заставит лазер выпустить короткий световой импульс, при этом востренный динамик издаст звук, имитирующий звук выстрела. Если рука твердая и прицел верный, световой луч попадёт точно на фотоэлемент в центре мишени, который передаст электрический импульс в электронную схему, а она включит победную музыку и мигающие цветные лампочки, сигнализирующие об удачном выстреле. Простая по игровому замыслу игрушка в конструктивном исполнении представляет собой набор высокотехнологичных устройств и элементов. Конечно, прежде всего, интересен лазерный источник света, излучающий тонкий, яркий луч красного цвета.
Загадки игры лучей света и мысли о природе света были интересны людям всегда, так например выдающийся ученый античности Аристотель предполагал что «…свет есть нечто исходящее из глаз…». Однако приблизиться к достаточно полному пониманию физической сущности этого явления мы смогли лишь к XVIII веку, а первым значительным шагом на этом пути стало открытие в XIV голландским ученым Виллебродом Синеллиусом и французским мыслителем Рене Декартом законов преломления световых лучей.
В 1665 году выходит в свет трактат Франческо Гримальди «Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге» где он описывал наблюдаемые им явление дифракции - способности света изменять прямолинейную траекторию вблизи края препятствия и интерференции - уменьшении или увеличении интенсивности и образование узлов плотности отраженного света при наложении двух световых конусов. Там же он высказывается о схожести наблюдаемых световых эффектов с поведением волнами жидкости на ее поверхности.
Христиан Гюйгенс предлагает в 1690 году идею волновой природы света излагая в «Трактате где, рассуждая о законах геометрической оптики, он предлагает рассматривать свет как распространение волн некой упругой среды - эфира.
Исаак Ньютон экспериментируя со светом представлял себе его как движение очень малых частиц материи – корпускул и объяснил явления дифракции и интерференции взаимодействием корпускул. Считается, что своими исследованиями световых явлений, которые длились начиная с 1664 года почти 40 лет, он заложил основы современного учения о свете. Нельзя не отметить точку зрения Ньютона о своеобразной возможности сочетания корпускулярной и волновой теории света. На страницах знаменитого труда «Оптика» он говорит о том, что свет есть « не что иное, как давление или движение, распространяемое через эфир». Широко распространенное сегодня в науке и технике слово спектр, основным значением которого является «многообразие цветов», было введено в научный обиход Исааком Ньютоном, при изучении распределения цветов в радужной гамме, возникающей при разложении луча солнечного света, проходящего сквозь стеклянную призму. И хотя радугу знали еще в древнем Риме, первую теорию, объясняющую линейчатость спектральных линий предложил Ньютон. Свои идеи он предает широкой огласке далеко не сразу, «Оптика» будет опубликована спустя лишь 35 лет, после того как им были проведены многочисленные оптические опыты по преломлению, отражению и разложению солнечного света. Благодаря многочисленным опытам Ньютон создает телескоп – рефлектор, фокусирующий свет с помощью зеркала. Его телескоп, позволил получать более четкие изображения по сравнению с телескопами – рефракторами, в которых свет фокусировался системой линз, и которые были изобретены ранее Галилео Галилеем .
Следующим значительным этапом на пути развития учения о свете стало исследованиеОгюстеном Френелем интерференции поляризованного света. Такой свет отличается от обычного тем, что если поперечные колебания волн обычного света проявляются во всех направлениях с одинаковой интенсивностью, то поляризованный свет имеет четкую привилегированность таких направлений. Оказалось, что два луча света, поляризованные в параллельных плоскостях всегда образуют интерференционную картинку, а поляризованные перпендикулярно – никогда. В дальнейшем, благодаря этим работам Френель предложил свою механистическую теорию, в который свет представлял собой поперечные волны эфира, пронизывающего все материальные тела.
В 1848 году Майкл Фарадей обнаружил способность магнитного поля взаимодействовать с поляризованным светом, поворачивая плоскость поляризации, а в 1865 году Джеймс Максвелл благодаря разработанной им теории электромагнетизма, смог вычислить скорость распространения электромагнитных волн, и оказалась что она равна уже измеренной тогда скорости света. Учитывая эффект обнаруженный Фарадеем и совпадение скоростей распространения электромагнитных волн и света, Максвелл сделал вывод о том, что они имеют одну и ту же физическую природу, а различие заключается лишь в длинах волн. Генрих Герц (1857 – 1894 г.г.) экспериментально подтверждает существование электромагнитных волн, и то, что скорость их распространения равна скорости света. Волновая природа света принимается как неоспоримый факт.
Последующее развитие учения о свете происходило в основном благодаря углубленным и детальным исследованиям явлений дифракции и интерференции. В 1800 году Вильям Гершель открывает ультрафиолетовые излучение, а в 1801 году Иоганн Риттер инфракрасный свет, сегодня мы знаем, что и то и другое является электромагнитным излучением различной частоты. Видимый свет это тоже электромагнитное излучение, соответствующее относительно узкому диапазону полного спектра электромагнитных колебаний. Ниже показаны длины волн электромагнитного излучения и соответствующие им видимые нами цвета.
Так свет с длиной волны:
Электромагнитное излучение с длиной волны меньше чем у фиолетового света {<3,8∙10(-7)метра} наши глаза не воспринимают - это область ультрафиолета с длинами волн порядка {10-7 – 10(-9)м.}, за ними следуют рентгеновские лучи {10(-9) – 10(-12)м.}, гамма излучение {10(-12) – 10(-14)м.} и космические лучи{<10(-14)м.}. Электромагнитное излучение с длиной волны больше чем у красного цвета >7,4∙(10-7)м. наши глаза также не воспринимают и это уже области инфракрасного излучения {(10-3) – (10-6)м.}, сверх высокочастотных волн используемых сегодня в радиолокации и СВЧ печах {(10-2) – (10-3)м.}, УКВ, телевидения и радиовещания{(10-2) – (10+6)м.}.
В конце XIX века проводились многочисленные опыты с лампами, излучающими свет за счет электрического разряда в различных газах. В ходе экспериментов с такими газоразрядными трубками были выявлены и изучены особенности спектра излучаемого ими света по сравнению со светом, который излучают твердые нагретые тела. Оказалось, что электрический разряд в стеклянной трубке, заполненной водородом, неоном, или даже парами ртути дает прерывистый, линейчатый спектр, а не сплошной как от твердых нагретых тел. В дальнейшем выяснилось, что отдельные атомы любого химического элемента в нагретом состоянии излучают свет со своим, уникальным набором спектральных линий. В 1890 году Йоханнес Ридберг (1854–1919 г.г.) находит математическую формулу, описывающую длины волн полного спектра электромагнитного излучения водорода, включая ультрафиолетовое и инфракрасное излучения:
Согласно этой формуле длина волны излучения подчиняется очень простой зависимости: при n < k , где n и k – натуральные числа, R – численная постоянная найденная статистически и носящая название константы Ридберга. Согласно этой формуле при n = 1, изменение значения k от 2 до ∞ дает серию линий ультрафиолетового спектра (так называема серия линий Лаймана). При n = 2 изменение k от 3 до ∞ определяет серию линий видимого спектра (серия Бальмера). При n = 3 изменение k от 4 до ∞ соответствует серии линий инфракрасного спектра (серия Пашена).
Это открытие было сделано исключительно эмпирически, и никакому теоретическому объяснению тогда не поддавалось. Однако спустя не многим более 20-ти лет, оно нашло свое объяснение и стало ключевым моментом в созданной Нилсом Бором модели строения атома водорода, так возникла новая наука – квантовая механика.
Тем временем, в конце XIX века, при полном торжестве волновой теории света, новые экспериментальные данные привели к так называемой «ультрафиолетовой катастрофе». Этот термин означает не катастрофу в буквальном смысле слова, а лишь волновой парадокс. Суть парадокса в следующем: согласно волновой теории мощность электромагнитного излучения по мере сокращения длины волны должна увеличиваться, стремясь к бесконечности. Однако многочисленные эксперименты по исследованию спектра излучения так называемых черных тел (тел, находящихся в тепловом равновесии с окружающей средой и поглощающих все падающее на них электромагнитное излучение) эту закономерность опровергали. Необъяснимым к этому времени оказалось также и открытое Герцем в 1887 году явление фотоэффекта – испускание электронов некоторыми материалами при падении на их поверхность яркого света.
Решить проблему излучения абсолютно черного тела удалось в 1900 Максу Планку предположившему, что свет излучается не сплошным потоком, а порциями – квантами. Он также определил зависимость энергии таких квантов от частоты света, которая определяется очень постой формулой:
где v- частота колебаний световой волны, h – некая численная константа, позднее названная постоянной Планка. Поскольку частота электромагнитного излучения v связана со скоростью света С и длинной волны λ соотношением v=C/λ , энергия кванта света, предложенного Планком, может быть записана также как:
Абсолютное значение постоянной Планка определяемое экспериментально многократно уточнялось и сегодня его принято считать равным 6,626 070 15⋅(10−34) кг·м(2)·с(−1). Гипотеза Планка, в которой свет может представлять собой как квантованную волну, так и поток частиц, или одновременно то и другое, в зависимости от внешних условий, оказалась настолько плодотворной, что помогла в 1905 году Альберту Эйнштейну объяснить явление фотоэффекта. Он предположил, что преодоление сил, удерживающих электрон внутри атома металла, оказывается возможным за счет добавочной энергии приносимой ему квантом света.
Используя идею квантования уровней энергии электрона Нильс Бор в 1913 году, построил новую модель строения атома водорода. Согласно теории Бора любой атом может иметь несколько энергетических состояний, которые не могут плавно изменяться, а имеют ступенчатую структуру со строго определенными значениями – стационарными энергетическими уровнями. Находясь в любом из таких стационарных состояний, атом не излучает энергии. Изменяться стационарные состояния могут лишь при условии поглощения или выделения кванта энергии. Если энергетический уровень атома уменьшается, то разница энергий высвобождается в виде электромагнитного излучения, излучается квант света – фотон. Разница в энергии описывается формулой E2-E1=hv, где E2 и E1 – энергии атома после изменения энергии и до этого; h – постоянная Планка; v – частота излучения. При поглощении фотона энергетический уровень атома увеличивается, а сам фотон исчезает.
В модели атома водорода, предложенной Бором, энергетический уровень атома определяется главным образом энергией электрона, который вращается вокруг ядра состоящего из одного протона. При этом энергия электрона зависит от близости к ядру его орбиты вращения. Орбит может быть сколь угодно много, но все они квантованы – электрон, находящийся на любой из них должен иметь строго определенную энергию. Зависимость этой энергии от орбиты электрона Бор определил формулой: mvRi=nh, где m — масса электрона, v — орбитальная скорость его движения, Ri- радиус n-й орбиты, n – номер орбиты по степени удаления от ядра, h – постоянная Планка. Число n, называется главным квантовым числом и может принимать любое целочисленное значение от 1 до бесконечности n=1,2,3… При n= 1 электрон находится на ближайшей к ядру атома орбите, его энергия вращения максимальна и орбитальная скорость v близка к значению "С/137", где C - скорость света. Такое состояние атома водорода принято называть основным. На удаленных орбитах n =2, 3, 4… электрон обладает большей энергией, скорость его увеличивается пропорционально номеру орбиты, атомы с электронами на таких орбитах считаются возбужденными.
Таким образом, Бором была предложена теория, в основе которой лежала идея стационарных энергетических состояний атома и которая описывала новый механизм излучения, как фотонов света, так и электромагнитного излучения в целом – была создана первая редакция квантовой механики. Однако эта теория оказалась неприменимой к сложным атомам, в составе которых число электронов намного больше чем у водорода.
Следующим этапом в становлении квантовой механики стало выдвижение Луи де Бройлем (1892 – 1987 г.г.) в 1923 году идеи о волновой природе не только квантов электромагнитного излучения, но и любых частиц материи, в частности электронов. Де Бройль предложил математическую формулировку этой идеи, в которой было описано эквивалентное соотношение между длиной волны, массой и скоростью. В конце 1924 года Вольфганг Паули (1900 –1958 г.г.) формулирует свой знаменитый «принцип запрета» - правило распределения электронов по оболочкам, позволяющее построить теоретическую модель электронных оболочек атома и сыгравшее принципиальную роль в становлении новой квантовой механики. Примерно в это же время, Вернер Гейзенберг, отказавшись от образного представления о вращающихся вокруг ядра электронах и исходя только из поддающихся наблюдению и реальной оценке параметров атомного микромира, разрабатывает табличный метод расчета энергетических уровней электронов. Гейзенберг продолжая развивать этот метод и, работая вместе с Максом Борном и Паскуальем Иорданом, в 1925 году публикуют принципиально новый вариант квантовой теории, получивший название матричной механики. Этот вариант квантовой механики поднял идеи строения атома Бора на новый уровень, решив проблему математического описания перехода электронов между любыми энергетическими уровнями. Главным недостатком матричной механики было отсутствие даже намека, на какую либо наглядность физического содержания.
Этот недостаток в определенной степени удалось в 1926 году устранить Эрвину Шредингеру, автору волновой квантовой механики. Эта механика, используя дифференциальные уравнения вместо матричных вычислений, смогла описать квантовый мир в терминах близких к терминам классической физики и оказалась не такой абстрактной как механика Гейзенберга. В основе механики Шредингера лежит понятие волновой функции, которая хотя и не является наблюдаемой величиной, но с помощью математики позволяет описать форму волны в данный момент времени. Так, например, для электрона волновая функция Шредингера показывает, насколько велика плотность электрического заряда в определенный момент времени в определенной точке пространства. При этом сам электрон в представлении Шредингера ни в коей мере не может быть частицей, он представляет собой некий трехмерный волновой пакет. Грубую одномерную аналогию такого пакета можно представить себе в виде отрезка волны, пущенной ударом руки по натянутой веревке.
Матричная формулировка квантовой механики Гейзенберга и волновая Шредингера математически эквивалентны – результаты вычислений одних и тех же характеристик атомного микромира выполненные по разным методикам одинаковы. Однако физической интерпретации - образного понимания строения микромира у квантовой механики в виде близком к завершению на данном этапе так и не появляется.
В начале 1927 Гейзенберг открывает принцип неопределенности, который утверждает, что для квантовых частиц невозможно одновременно измерить координату и импульс или энергию и время, с точностью превышающей некоторое значение содержащее постоянную Планка. Математически этот принцип записывается как:
где ∆p и ∆q – неточности в определении импульса и координаты; h – постоянная планка, число "Пи" = 3,14.... В том же году Нильс Бор открывает принцип дополнительности, согласно которому корпускулярные и волновые свойства являются дополняющими друг друга, но взаимоисключающими. В том или ином эксперименте может проявиться либо волновая, либо корпускулярная природа материальной частицы, но никак не одновременно, при этом полное квантово механическое описание такой частицы дает лишь сочетание волновых и корпускулярных свойств.
Оба эти принципа - неопределенностей Гейзенберга и дополнительности Бора лишь отчасти оказали помощь в физической интерпретации квантово механической картины мира. Наиболее распространенной является Копенгагенская интерпретация, в основе которой лежит утверждение Бора о том, что квантовая механика это вполне завершенная теория, а квантовая реальность определяется исключительно процессом измерения или наблюдения. Более того, измерительные и наблюдательные приборы неразрывно связаны с исследуемым объектом, и разделить их невозможно. Это означает, что например электрон не может существовать в данной точке реального мира, если не проведено измерение его параметров или простое наблюдение. Эту точку зрения поддерживал Гейзенберг, но подвергали сомнению Шредингер и Эйнштейн. Хотя Копенгагенская интерпретация сегодня является общепризнанной, полного согласия в понимании физического смысла квантовой механики в научном мире пока еще нет, и существуют более десятка ее различных интерпретаций.
В настоящее время квантовая механика является одной из самых плодотворных и подтвержденных экспериментально теорий в современной науке, ее основными областями применения являются ядерные исследования, атомная энергетика, химия, электроника и современные технологии, оперирующие на субатомном масштабе. Одним из важнейших практических достижений квантовой механики было изобретение лазеров – источников мощного электромагнитного излучения в очень узком диапазоне длин волн, так называемого монохроматического электромагнитного излучения.
То, что атомы в возбужденном состоянии могут испускать особый, так называемый индуцируемый свет под действием другого, падающего на них света предсказал еще в 1917 г. Альберт Эйнштейн. Сегодня мы знаем, что работа любого лазера основана на том, что находящийся в возбужденном состоянии атом, при взаимодействии с внешним, падающим на него фотоном, может вынужденно излучить еще один фотон и поскольку падающий фотон не исчезает, происходит усиление светового потока. Непременным условием для такого усиления необходимо равенство энергии излучаемого фотона и разности энергий всех уровней атома до и после вынужденного излучения. Чрезвычайно ценная особенность такого вынужденного излучения это, что оно является когерентным – полностью совпадает по частоте, фазе, плоскости поляризации с такими же характеристиками фотона, вызвавшего это излучение.
Первый квантовый генератор электромагнитного излучения в видимом диапазоне был построен в 1960 году Теодором Мейманом . В этом импульсном лазере атомы рубинового кристалла, приводились в возбужденное состояние действием фотонов, испускаемых лампой-вспышкой. Фотоны накапливалось с помощью двух зеркал, (одно из которых было полупрозрачным) расположенных по торцам рубинового кристалла и через полупрозрачное зеркало излучали импульс когерентного светового потока с длиной волны 694,3 нанометров.
Сегодня созданы сотни самых разнообразных разных лазерных систем отличающихся химическим составом и агрегатным состоянием рабочего тела, так называется вещество, состоящее из возбуждаемых атомов излучающих когерентное излучение. В качестве рабочего тела используются не только твердое вещество, но и различные газовые смеси, жидкости и полупроводники. Существуют схемы лазеров с ядерной накачкой и рентгеновских лазеров. В твердотельных лазерах применяются различные диэлектрические кристаллы, стекло, прозрачная керамика и полимеры с активирующими добавками. Газовые лазеры в составе рабочей смеси используют обычно аргон, гелий, неон, углекислый газ, азот и пары металлов. Жидкостные лазеры работают на растворах красителей и жидкостях с ионами редкоземельных и других элементов. В полупроводниковых лазерах используется целая гамма полупроводниковых веществ, самым распространенным среди которых являются арсенид галлия. Способы подпитки рабочего тела внешней энергией, виды так называемой накачки лазеров также разнообразны. Оптическая накачка происходит с помощью импульсного или постоянного источника фотонов - специальных электрических ламп, газоразрядных трубок или других лазеров. Электрическая накачка осуществляется с помощью электрического разряда между электродами в газовых лазерах или электрического тока протекающего в полупроводниковых лазерах. Существуют также газодинамические, химические, ядерные и другие виды подвода энергии к рабочему телу квантовых генераторов.
В настоящее время, с бурным развитием нанотехнологий, наиболее распространенными являются лазеры, использующие в качестве рабочего тела полупроводниковые материалы, занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками. В лазерной технике наиболее распространенными полупроводниками являются арсенид галлия, арсенид галлия алюминия, фосфид галлия, нитрид галлия, нитрид галлия индия. Используются также разнообразные химические соединения кадмия, селена, серы, цинка, индия, фосфора, мышьяка и сурьмы.
Сегодня лазеры, кроме использования в научных исследованиях нашли самое широкое применение в гражданской, военной и бытовой технике, а также в медицине. Самыми распространенными, благодаря глубокой технологической отработке и относительной дешевизне являются полупроводниковые лазеры, примером чему являются самые разные игрушки на их основе.
Играя с котятами, для создания яркого убегающего светового пятнышка, часто используют лазерные указки красного, зеленого и голубого, синего и фиолетовых цветов. Современные, зеленые указки по цене несколько выше остальных благодаря непростой оптической системе, содержащей кристалл ванадата иттрия соединенный с кристаллом титанила-фосфоата калия, они излучают в диапазоне 510-530 нанометров и являются максимально близкими к чувствительности сетчатки глаза человека. Эта особенность лазерного излучения зеленого цвета требует особой осторожности в обращении с такими приборами – даже при небольшой мощности излучения, при его прямом попадании на сетчатку глаз, чрезвычайно высока опасность ее повреждения. Синие указки появились на рынке не так давно и потому являются более редкими, обычно работают на длине волн от 473 до 405 нанометров, имеют мощность менее 500 мВт, а в качестве полупроводника используют нитриды Ga, Al или алюмоиттриевый гранат с добавками неодима. Их луч близок к ультрафиолетовому свету, он интересен тем что, падая на некоторые предметы, может вызывать флюоресценцию – послесвечение поверхности этих предметов. Однако чаще всего используются указки на основе красного лазерного диода, излучающего на длине волны 634-670 нанометров. В качестве полупроводника у этих лазеров используется химическое соединение мышьяка, алюминия и галлия, так называемый алюминий-арсенид галлия. Достаточно яркий красный луч излучают лазеры даже малой мощности от 1 мВт, но обычно мощность лазерных указок около 5 мВт, аналогичный лазер используется и в игрушечном лазерном тире.