Они есть в сканерах продуктовых магазинов, интернет-соединениях и автомобильных камерах заднего вида. Осознаёте вы это или нет, но вы взаимодействуете с лазерами каждый день. Эта основанная на свете технология помогла построить современный, глубоко взаимосвязанный мир, в котором мы сейчас с вами живём. Но что такое лазеры и как они работают?
Слово «лазер» на самом деле является аббревиатурой; оно означает «усиление света путём непрерывного излучения». Лазеры работают, заставляя энергетические частицы вибрировать, или «колебаться», синхронно, то есть пики и минимумы излучаемых ими световых волн совпадают. Подумайте об армии, идущей строем, по сравнению с толпой хаотически шатающихся на городской площади людей, говорит Питер Делфиетт (Peter Delfyett), инженер по фотонике из Университета Центральной Флориды.
«В данном случае качественный лазерный свет можно сравнить с некогерентным белым светом, к которому мы обычно привыкли», — добавил он.
Когда электроны в вибрационно синхронизированных атомах достигают своего высокоэнергетического состояния, они внезапно в унисон возвращаются в низкоэнергетическое состояние, испуская при этом особую форму света. Затем лазерное устройство уточняет этот свет, отражая его взад-вперёд между двумя зеркалами, прежде чем его задействовать.
«Это и есть свет, который вы видите, исходящий от вашей лазерной указки», — сказал Делфиетт.
Фундаментальная физика, лежащая в основе лазерной технологии, известна уже более века; эта теория была впервые предложена Альбертом Эйнштейном (Albert Einstein) в 1917 году. Но исследователям потребовалось 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 учёных 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. Напротив, самые мощные в мире лазеры могут вырабатывать до 10 петаватт — примерно десятую часть мощности Солнца.
Чтобы создать более мощный мазер, учёные начали изучать разные частоты электромагнитного спектра. В 1960 году родился «оптический мазер», более известный как лазер. Не все лазеры работают в видимом спектре света, но все они используют частоты выше микроволнового излучения.
Лазеры имеют несколько преимуществ перед мазерами. Помимо того, что лазеры упаковывают больше энергии в свои лучи из-за более коротких электромагнитных длин волн, их легче создавать и ими легче точно управлять. И хотя мазеры до сих пор иногда используются в таких устройствах, как радиотелескопы и средства связи в дальнем космосе, лазеры всё же сегодня гораздо более распространены.
«Лазер — одно из самых важных научных и технологических изобретений 20-го века», — отметила Светлана Лукишова (Svetlana Lukishova), исследователь нанооптики из Рочестерского университета в Нью-Йорке.
Сейчас лазеры используются повсюду: от глазной хирургии до травления стекла и оптоволоконных кабелей, обеспечивающих глобальное подключение к Интернету. Они даже сыграли важную роль в обнаружении пульсаций (ряби) пространства-времени, известных как гравитационные волны; так, Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория использует два мощных лазера, расположенных на расстоянии тысяч километров друг от друга, чтобы исследовать саму ткань пространства-времени.
Будущее лазерных технологий выглядит достаточно оптимистично. Некоторые исследователи изучают его потенциал для получения изображений экзопланет далеко за пределами нашей Солнечной системы. Сам же Делфиетт и его лаборатория работают над проектом по миниатюризации лазеров, чтобы сделать центры обработки данных меньше и намного более энергоэффективными, тем самым сократив выбросы парниковых газов.
При этом Делфиетт считает, что данная технология может найти применение, о котором мы пока даже не мечтали.
«Использование лазеров ограничено только вашим собственным воображением», — сказал он.
