Как устроен лазер?
Сам термин "лазер" является англоязычным акронимом Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как усиление света с помощью вынужденного излучения. В отличие от обычного фонарика или солнца, которые излучают смесь волн разной длины во всех направлениях, лазер создает упорядоченный поток фотонов. Если обычный свет – это хаотическое движение толпы, то лазерное излучение напоминает хорошо отрепетированный марш, все члены которого движутся идеально в такт, пишет 24 Канал.
Смотрите также Что такое точки Лагранжа и почему они важны для космических миссий
Любой лазер состоит из трех ключевых элементов: активной среды, системы накачки и оптического резонатора. Активной средой может быть кристалл рубина, смесь газов или специальная жидкость. Система накачки подает энергию, заставляя электроны в атомах этой среды переходить в возбужденное состояние. Когда количество возбужденных атомов превышает количество атомов в обычном состоянии, возникает явление, известное как инверсная заселенность. Именно в этот момент случайный фотон может спровоцировать лавинообразную реакцию: он заставляет возбужденный атом высвободить еще один идентичный фотон, который имеет ту же фазу, направление и цвет. Этот процесс и называется стимулированной эмиссией.
Оптический резонатор, состоящий из пары зеркал, заставляет свет многократно проходить сквозь активную среду, усиливая его с каждым проходом. Одно из зеркал является полупрозрачным, что позволяет части накопленной энергии выходить наружу в виде тонкого, мощного луча.
Пример лазера / Фото Unsplash
Главное отличие лазерного света от обычного заключается в трех свойствах: монохроматичности, когерентности и направленности.
- Монохроматичность означает, что луч имеет только одну четко определенную длину волны, тогда как белый свет является кашей из всех цветов радуги.
- Когерентность обеспечивает движение всех волн в унисон, что позволяет им усиливать друг друга, а не гасить.
- Направленность лазера настолько высока, что его луч почти не расширяется даже на огромных расстояниях. Например, если направить лазер на Луну, расстояние до которой составляет около 380 000 километров, на ее поверхности образуется пятно диаметром лишь около 2 километров. Для сравнения, луч обычного фонарика рассеивается уже через несколько метров.
Яркость лазеров также не имеет аналогов в природе. Излучение некоторых систем в миллиард раз превышает яркость поверхности Солнца. На современном этапе развития технологий ученые создают импульсы мощностью до 10 петаватт. Один петават – это квадриллион джоулей в секунду. Такая колоссальная концентрация энергии позволяет использовать лазеры как стерильные скальпели в хирургии, инструменты для резки металла или средства связи с космическими аппаратами.
Несмотря на огромную пользу, лазеры требуют осторожного обращения. Излучение самого высокого четвертого класса может мгновенно вызвать необратимое повреждение сетчатки глаза, что приводит к появлению слепых пятен или полной потере зрения. Поэтому при работе с профессиональными установками обязательным является использование специальных защитных очков, соответствующих конкретной длине волны лазера.
Некоторые лазеры могут быть опасными для человека / Фото Unsplash
Сфера применения лазеров продолжает расширяться. Они используются для точного измерения расстояний, записи информации на диски, создания голограмм и даже в автомобильных фарах нового поколения. Уникальные возможности этой технологии позволяют человечеству заглядывать в тайны атомов и осуществлять сверхсложные операции, которые раньше казались фантастикой.