Як працюють лазери

Лазери використовують скрізь: від кабінету стоматолога до науково-фантастичних фільмів. Але як вони працюють? Чому лазерні указки настільки відрізняються від звичайного ліхтарика? Чому з лазера можна створити нищівну зброю? І чому лазерні мечі ще не так небезпечні, як їх сталеві побратими? Поговоримо про природу лазера і будемо сподівається, що після прочитання ти станеш трішки розумнішими.

Лазери — це…

Poradi.ком.ua_26.09.2016_WgM9mUOlRZdf5Лазери — це такого роду буденність, якої досі дивуєшся. Їх використовують кожен день в стоматології, тату-салонах, друку і при відтворенні CD-програвачів (пам’ятаєш їх?). Але вони також спливають у фантастичних фільмах, вражаючи нас видом лазерних мечів або лазерні бластери. Ми постійно чекаємо від них чогось нового. Сподіваємося, що з’явиться новий тип зброї і всі будуть такі: «піу-піу-піу!». Але що ми насправді знаємо про лазерах? Вважається, що лазер — це така форма світла. Але ж це не зовсім так. Він має властивості монохроматичності і когерентності, які дозволяють використовувати технологію лазера в унікальних випадках. Звичайні лампочки і ліхтарики помітно програють лазерів на цьому полі брані.

Будова атома

Щоб зрозуміти, як працюють лазери, ми повинні спочатку поглянути на атом. Все, з чим ти інших взаємодієш: стілець, на якому сидиш, повітря, яким дихаєш, навіть наші тіла — все складається з маленьких частинок, які називають атомами. Якщо подивитися на періодичну таблицю елементів, то ми побачимо близько ста різних видів атомів, які існують сьогодні. Різні матеріали складаються з різних комбінацій цих елементів.

Poradi.с.ua_26.09.2016_XhsLuBlR6Q2Yd

Кожен атом містить ядро (яке складається з протонів і нейтронів) і набір електронів, які постійно перебувають у русі по орбіті навколо ядра. Атоми мають постійну енергію, яка не потребує підзарядки. Електрони, які знаходяться ближче до ядра, можуть піддатися стимулювання, що призведе до «порушеній» станом атома (звучить як еротика 70-х, але це фізика).

Завдяки квантовій механіці ми знаємо, що такий атом не може подорожувати в дискретні, чітко визначені орбіти. Але якщо взяти енергію у вигляді світла або тепла, то він легко може трансформуватися у більш високий енергетичний стан. Коли всі ці перезбуджені електрони вирішать відпочити, то вони можуть возз’єднатися зі своїми сусідами в нижніх енергетичних рівнів атома, щоб виділити енергію у вигляді фотонів і променів світла. Різниця між початковою і кінцевою орбітою електронів визначає вивільняється енергію фотона, яка, в свою чергу, визначить довжину хвилі і колір випромінюваного світла.Що таке лазер і як він працює?

Якщо ти не сидів на останній парті на уроках фізики, то повинен пам’ятати, що слово «лазер» є акронімом, який розшифровується як: «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання». Ключове слово в цій розшифровці — «вимушеного». Це відрізняє лазери від більш простих форм світла. Коли ти включаєш звичайний ліхтарик, світло проходив за випадковим траєкторіях у всіх напрямках, у результаті чого він розсіюється і стає відносно слабким. А тепер візьмемо лазер, світло якого «вимушений» і «узгоджений» — фотони рухаються в унісон і в одному напрямку. В результаті ми отримуємо більш вузький, але більш інтенсивний промінь світла.

Але як змусити фотони дотримуватися такі суворі правила?

Давай повернемося до нашої картині атома. Коли електрон переходить із збудженого енергетичного стану в стан спокою, випущений фотон має певну кількість енергії. Енергія фотона дорівнює різниці енергії основного і збудженого стану атома. Якщо недавно випущений фотон стикається з іншим електроном, який знаходиться в такому ж збудженому енергетичному стані, то він (електрон) набуває властивості фотона — його енергію (колір) і фазу (відносне положення).

Poradi.ком.ua_26.09.2016_RNd8AmvvaRma4Якщо у тебе є достатня кількість електронів, які знаходяться в збудженому стані, то перший фотон може запустити ланцюгову реакцію стимульованого випромінювання. Якщо фотонів буде більше, то електрони почнуть рухатися назад у свої звичні енергетичні стани, ніж випустять на свободу нові фотони, які, в свою чергу, стимулюють викинути ще більше фотонів. У підсумку цей випромінюване світло буде мати постійну енергію і постійну довжину хвилі. Світ такий хвилі називається монохроматичним.

Тобто ланцюгова реакція фотонів — це і є те, на чому працюють лазери. Причому накачування електронами відбувається з допомогою потужного спалаху світла або електричного імпульсу. Як тільки перші випускаються фотони назовні, лазери, завдяки двом дзеркалам, відображають ці фотони, що стимулює рух світла туди і назад через робоче тіло. Загалом, в лазері відбувається справжня оргія фотонів.

Лазерні опорні зірки

Цілеспрямований характер лазерів робить їх ідеальними інструментами для різання, коли потрібні точні, прямі лінії. Ця вимога часто вступає в гру, коли мова йде про людське тіло, чи то зріз рогівки для поліпшення зору, видалення татуювання або коригування сколеного зуба.

Зупинки.com.ua_26.09.2016_myTQpc0XAFBep

Однак саме круте використання лазера ми спостерігаємо в астрономії. Коли астрономи дивляться на далекий об’єкт, наприклад, на зірку через телескопи, то світло, яке ми бачимо, спотворюється, проходячи через неспокійну атмосферу Землі. Деколи дані настільки важко розшифрувати, що неможливо визначити чи є спотворення властивістю зірки або це просто ефект від перегляду через земну атмосферу.

Одним із способів обійти цю проблему є методика адаптивної оптики: астрономи спостерігають за об’єктом вивчення, і в той же час відзначають дуже яскравий об’єкт, як правило, найближчу до нас зірку. Оскільки вчені вже знають, що можна очікувати від об’єкта порівняння, вони дивляться на зображення, яке вони насправді бачать, виключаючи всі атмосферні похибки. Отримана атмосферна модель потім використовується для адаптації оптики телескопа в режимі реального часу, щоб компенсувати вплив атмосфери при спостереженні мети.Але в цьому методі є велика проблема. Не завжди під рукою хороший і яскравий об’єкт порівняння. Коли на небі немає нічого підходящого, то астрономи створюють свою власну «зірку» з допомогою лазерного променя, запущеного прямо в небо. Тобто, сьогодні вчені можуть створити лазерну опорну зірку в будь-якому місці, де це необхідно. Просто уяви собі це набагато крутіше будь-якого світлового меча, хіба ні?

За матеріалами доктора Сабріни Стирвольт

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: