Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

Это рабочая схема для гелиево-неонового лазера. Атомы гелия возбуждаются до высокоэнергетического состояния за счет столкновений с электронами в плазме. Столкновения между атомами гелия и неона возбуждают атомы неона и переводят их в «долгоживущее» состояние, создавая инверсию населенностей, что и используется для создания красного лазера.

Нужная идея, которая позволила изобрести рабочий лазер (реализованная Гулдом и Шавловым, а также Александром Прохоровым в СССР), заключалась в том, что нужная камера не обязательно должна быть закрытой; вполне достаточно использовать два зеркала, направленных отражающей поверхностью друг к другу, чтобы фотоны отражались туда-обратно между ними. Эта более открытая конструкция оставляла достаточно места, где могло поместиться очень много атомов или молекул. Некоторые системы газовых лазеров используют камеры длиной в несколько метров. Также она придает лазеру одну из его определяющих характеристик: так как камера «ловит» фотоны вдоль одной линии, свет, производимый лазером, выходит из него узким единым лучом. Небольшая частица света внутри камеры вырывается наружу, потому что одно из зеркал чуть-чуть не полностью отражает свет, позволяя нескольким процентам фотонов, попадающих на его поверхность, проскакивать.

Камера и усиление среды в лазере. Отдельный фотон, двигаясь справа налево, стимулирует второй фотон из среды, и затем оба фотона отражаются назад через газ, чтобы создать четыре. Выходной луч из лазера получается из небольшого числа всех фотонов, которые пробиваются через одно из зеркал.

«Решение, которое ищет проблемы»

Когда появилась идея открытой камеры, развитие практически применимых лазеров двинулось вперед с первым рабочим лазером, построенным Теодором Майманом[119] в Лаборатории Белла в 1960 году с использованием атомов хрома внутри стержня из синтетического рубина в качестве усилительной среды. Первый лазер использовал ксеноновые лампы-вспышки для создания инверсии населенности: резкий и яркий импульс белого света возбуждал атомы хрома до высокоэнергетических состояний, при этом некоторые из них попадали в энергетические состояния со сроком жизни до 5 миллисекунд, что считается долгим по стандартам атомной физики. Это производило короткоживущую инверсию населенностей, ведущую к короткому импульсу света лазера.

В течение нескольких следующих лет были разработаны множество лазеров других типов со средой усиления от газов, наподобие гелий-неонового лазера, описанного выше, до жидкостей, содержащих молекулы органических красителей (впервые продемонстрированы в 1966 году) и вплоть до твердотельных лазеров с использованием полупроводниковых материалов (первый лазер на основе арсенида галлия был продемонстрирован в 1962 году). Лазеры на основе полупроводников оказались особенно важными, поскольку они компактны – размера компьютерной микросхемы – и могут встраиваться в любую бытовую электронику. Если у вас есть CD-, DVD-, Blu-ray-плейер или даже лазерная указка, которой дразните своих домашних любимцев, вы регулярно используете полупроводниковые лазеры.

В первое время существования лазерной физики приборы в большей степени разрабатывались из любопытства, без особого практического применения. Один из ассистентов Маймана, Ирне Д'Хаененс, сказал ставшую знаменитой фразу, что лазер «это решение, которое ищет проблемы». Однако этот поиск длился не слишком долго, и в последние пятьдесят с лишним лет бесчисленные проблемы выстраивались в ряд, чтобы их решили с помощью лазера.

В пределах физики лазеры – бесценные инструменты для точных измерений. Из-за того, что фотоны в лазере производятся с помощью индуцированного излучения, они идентичны до такой степени, какая не может быть достигнута, если использовать свет от лампы. Некоторые лазерные источники можно настроить на определенный диапазон частот, спектроскопические измерения, сделанные с помощью этих лазеров, можно зафиксировать точные характеристики частот света, поглощаемого и излучаемого атомами с точностью до восемнадцати знаков после запятой. Фотоны из лазера также излучаются в одинаковой фазе – в волновых терминах пики и долины световых волн все совпадают. Это позволяет датчикам, основанным на лазерах, измерять изменения в положении объекта с точностью до малой части длины волны. Последним примером точности позиционирования, выполненного с помощью лазерных сенсоров, является лазерный интерферометр гравитационных волн (LIGO), который в 2015 году использовал два огромных детектора для измерения микроскопического сжатия и растяжения пространства-времени, вызванных прохождением гравитационных волн, что были созданы столкновением двух «черных дыр». Изменение расстояния между двумя зеркалами, вызванное этими волнами, было меньше ширины одного протона, но при этом было четко зарегистрировано LIGO, попав в заголовки прессы по всему миру.

За пределами точных физических экспериментов большинство коммерческих лазеров применяются без использования частотных и фазовых характеристик лазера: там просто требуется яркий источник света. Однако узкий диапазон фазы и частоты, производимые индуцированной эмиссией, важны даже в этом случае, поскольку они позволяют формировать крайне узкий луч света. В то время как лазерный луч расширяется по мере своего путешествия, ширина его изменяется очень и очень медленно. Миссии «Аполлона» оставили ряды отражателей размером с дорожную сумку на поверхности Луны, и в течение более сорока лет ученые «стреляли» в них лазерами и измеряли время прохождения сигнала туда и обратно для определения расстояния до Луны, которое увеличивается примерно на 3.8 сантиметра в год. Луч лазера расширяется от начального диаметра в 3.5 метра до примерно 15-километрового диаметра, но на это требуется 770 000 километров до Луны и назад, так что неудивительно, что луч лазерной указки пробивает через всю комнату, чтобы подразнить любимое животное, и при этом кажется, что он вообще не расширяется.

Более узкие лазерные лучи используются в конструировании и исследованиях для обеспечения прямых линий и горизонтов через умеренные расстояния, сильно упрощая процесс построения зданий с выровненными этажами. Пульсирующие лазеры также могут использоваться для измерения расстояния за счет измерения времени, которое требуется на путь до объекта и обратно. Та же самая по сути техника используется для измерения движущихся объектов, к огорчению многих водителей, севших за руль нетрезвыми.

Узкие лучи, формируемые лазерным светом, также важны для технологий точного резания деревянных или металлических частей. Относительно скромное количество электрического тока может снабдить энергией лазер, который создаст очень маленькое световое пятно, достаточно интенсивное, чтобы прорезать большинство материалов. Лазер может управляться и направляться с помощью линз и зеркал, позволяя осуществлять точный контроль его положения, и поскольку лазерный луч не имеет недостатков физических режущих поверхностей, он не изнашивается и производит одинаковые резы. Лазеры также используются для разрезания тканей человеческого организма в некоторых медицинских операциях, чаще всего в глазной хирургии, но все более возрастает их применение и в других областях.

За счет создания очень высоких температур в ограниченном пространстве при резании лазером живые ткани в это время «запаиваются», что существенно снижает кровотечение при операциях. Хотя перечисленное выше применение