Впервые предсказанный Эйнштейном более века назад, лазеры сформировали наш современный технологический ландшафт. Но как они работают?
Они используются в сканерах продуктовых магазинов, подключениях к Интернету и камерах заднего вида автомобилей. Осознаете вы это или нет, вы взаимодействуете с лазерами каждый день. Эта технология, основанная на освещении, помогла построить современный, глубоко взаимосвязанный мир, в котором мы живем. Но что, собственно, такое лазеры и как они работают?
Слово «лазер» на самом деле является аббревиатурой; оно расшифровывается как «усиление света путем непрерывного излучения». Лазеры работают, заставляя энергичные частицы вибрировать синхронно, что означает, что пики и впадины излучаемых ими световых волн выстраиваются в линию. Представьте армию, марширующую строем, по сравнению с толпой людей, слоняющихся по городской площади, сказал Питер Делфиетт, инженер по фотонике из Университета Центральной Флориды. «Это своего рода качество лазерного излучения по сравнению с некогерентным белым светом, к которому мы обычно привыкли».
Когда электроны в вибрационно синхронизированных атомах достигают своего состояния с наивысшей энергией, они внезапно синхронно возвращаются в низкоэнергетическое состояние, испуская при этом особую форму света. Затем лазерное устройство преобразует этот свет, отражая его взад-вперед между двумя зеркалами, прежде чем использовать.
«Это настоящий свет, который вы видите исходящим от вашей лазерной указки», — сказал Делфиетт.
Фундаментальная физика, лежащая в основе лазерных технологий, известна более века; впервые эта теория была предложена Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Но исследователям потребовалось бы почти четыре десятилетия, чтобы воплотить эти теоретические идеи в жизнь.
До лазеров существовали мазеры — аналогичная технология, использующая микроволны вместо видимого света. Первый функциональный мазер был построен в 1954 году группой ученых Колумбийского университета. В этом устройстве использовался пучок молекул аммиака высокой энергии и полая оболочка, называемая 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, необходимое для включения обычной электрической лампочки. Самые мощные лазеры в мире, напротив, могут вырабатывать до 10 петаватт — примерно десятую часть мощности солнца.
Чтобы создать более мощный мазер, ученые начали изучать различные частоты в электромагнитном спектре. В 1960 году родился «оптический мазер», более известный как лазер. Не все лазеры работают в спектре видимого света, но все они используют частоты выше микроволнового излучения.
У лазеров есть пара преимуществ перед мазерами. Помимо того, что в их пучки вкладывается больше энергии из-за более короткой длины электромагнитных волн, лазеры проще создавать и ими легче точно управлять. Хотя мазеры все еще иногда используются для таких целей, как радиотелескопы и связь в дальнем космосе, сегодня лазеры гораздо более распространены.
«Лазер — одно из важнейших научных и технологических изобретений 20 века», — сказала Светлана Лукишова, исследователь нанооптики из Университета Рочестера в Нью-Йорке. В настоящее время лазеры используются во всем — от глазной хирургии до травления стекла и волоконно-оптических кабелей, обеспечивающих глобальное подключение к Интернету. Они даже сыграли важную роль в обнаружении ряби в пространстве-времени, известной как гравитационные волны; Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром использует два массивных лазера, расположенных на расстоянии тысяч миль друг от друга, для исследования самой структуры пространства-времени.
Будущее лазерных технологий выглядит не менее радужным. Некоторые исследователи изучают их потенциал для получения изображений экзопланет далеко за пределами нашей солнечной системы. Делфиетт и его лаборатория работают над проектом миниатюризации лазеров, чтобы сделать центры обработки данных меньше и намного энергоэффективнее, тем самым сократив выбросы парниковых газов.
Но Делфиетт считает, что технология может найти применение, о котором мы еще даже не мечтали. «Использование лазеров ограничено только вашим собственным воображением», — сказал он.