Как работают лазеры?

На модерации Отложенный

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 помогла построить современный 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 вынужденного излучения" (laser - light amplification by stimulated emission of radiation). Лазеры работают, заставляя энергию частиц вибрировать синхронно таким образом, чтобы пики световых волн, которые они излучают, совпадают. Представьте армию, марширующую строем, по сравнению с толпой людей, слоняющихся по городской площади, поясняет Питер Делфиетт, инженер по фотонике из Университета Центральной Флориды. "Это то, чем лазерное излучение отличается от некогерентного белого света", - говорит он.

Когда электроны в вибрационно синхронизированных атомах достигают своего состояния с наивысшей энергией, они внезапно синхронно возвращаются в состояние с низкой энергией, испуская при этом особую форму света.

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", - говорит Светлана Лукишова, исследователь нанооптики из Университета Рочестера в Нью-Йорке. 

Будущее лазерных технологий выглядит не менее радужным. Некоторые исследователи изучают их потенциал для получения изображений экзопланет далеко за пределами нашей солнечной системы.