Что из себя представляют лазеры и как они работают
Лазеры — одно из самых полезных изобретений человечества. Сейчас они используются практически повсюду: медицина, IT-индустрия, добыча ценных материалов, электронная коммерция — даже в индустрии развлечений. На случай, если вы никогда не интересовались вопросом, рассказываем, как работают лазеры и какими они бывают.
Как работают лазеры
Для того, чтобы понимать механизм работы лазера, важно разобрать саму природу света. Он перемещается в пространстве в виде волн, и расстояние между пиками этих волн называется длиной волны. Каждый оттенок света имеет собственную длину волны: например, синий свет имеет меньшую длину, чем красный. Солнечный свет и свет электрической лампочки состоят из множества волн разной длины, однако наши глаза видят их комбинацию как белый свет.
Лазеры отличаются от обычного света. Они не встречаются в природе, однако ученые нашли способ, который позволяет создать уникальный тип света в искусственных условиях. Лазеры генерируют узкий луч, в котором весь свет обладает практически одинаковой длиной волны. Более того, пики этих волн синхронизированы — или находятся в фазе, как говорят инженеры. Благодаря этому лазерные лучи получаются узкими и очень яркими; кроме того, их можно сфокусировать в одной маленькой точке. Фокусировка и низкое рассеивание света также позволяют лазерным лучам преодолевать большие расстояния.
Своей мощностью лазеры обязаны феномену под названием индуцированное излучение. Грубо говоря, каждый лазер обладает специальным элементом, который призван усилить свечение. Атомы этого элемента подвергаются воздействию резкой вспышки энергии, из-за чего электроны приходят в возбужденное состояние. Когда через материал проходит свет, электроны поглощают его — после чего высвобождают собственные фотоны. Свет, находящийся в закрытом пространстве, многократно отражается и набирает мощность, после чего лазер высвобождает его в виде луча.
Какими бывают лазеры
Т.к. мы можем возбудить электроны множеством способов, теоретически, на каждый из них приходится свой тип лазеров. Но на практике современная наука чаще всего применяет пять методов.
- Кристаллические лазеры. Они создаются на базе рубиновых трубок и других твердых кристаллических материалов, которые дополнительно легируются прочими элементами.
- Газовые лазеры. Подобные устройства генерируют излучение, проводя электричество через благородные газы. Лазеры на углекислом газе отличаются высокой мощностью и эффективностью, что сделало их популярным инструментом для тяжелых индустрий.
- Лазеры на жидком красителе. Они используют в качестве усилительного элемента раствор органических молекул того или иного пигмента. Подобные лазеры генерируют излучение в более широком спектре.
- Полупроводниковые лазеры. Маленькие, дешевые и самые распространенные: они встречаются в проигрывателях, лазерных принтерах и сканерах штрих-кодов. По механизму подобные устройства напоминают нечто среднее между светодиодом и традиционным лазером.
- Оптические лазеры. Устройства на базе легированных оптических волокон. Мощные, эффективные и надежные.
Самый мощный лазер на планете
Самым мощным лазером на планете можно назвать устройство, созданное европейским проектом Extreme Light Infrastructure — High Power Laser System на базе титан-легированного усилительного элемента из сапфира. Лазер генерирует пульсы мощностью вплоть до 10 петаватт. Для контекста представьте, что один ватт — это один джоуль энергии в секунду. Чтобы нагреть литр воды на 1 градус Цельсия нужно потратить чуть больше 4 000 джоулей тепла. Петаватт — это 1 квадриллион джоулей в секунду.