Что случилось?
Американское космическое агентство (NASA) впервые с помощью лазера отправило из глубокого космоса на Землю видео сверхвысокой четкости. Ролик длительностью в 15 секунд достиг планеты за 101 секунду с максимальной скоростью передачи в 267 мегабит в секунду.
Технология
Лазер – акроним от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «усиление света посредством вынужденного излучения» – представляет собой устройство, которое преобразует световую, электрическую, тепловую или другую энергию накачки в узконаправленный поток излучения. Принцип работы лазера предполагает «накачку» активной среды интенсивными вспышками света для приведения атомов активной среды в возбужденное состояние, при котором электроны атома обладают более высокой энергией. После накачки в среде появляется набор атомов с возбужденными электронами, которые высвобождают энергию, чтобы вернуться в исходное состояние. Эта излучаемая энергия выходит в виде фотонов, образующих лазерный свет. Фотоны при этом когерентны, то есть «организованы», и каждый из них движется одновременно с другими.
Существует множество типов лазеров, отличающиеся по типу используемого излучающего материала. Среди них газовые, волоконные, твердотельные, диодные, эксимерные лазеры и лазеры на красителях. Однако все они работают по одному принципу и имеют один и тот же набор базовых компонентов:
- Лазерный материал или активная среда, которая накачивается и в которой происходит стимулированное излучение фотонов. В качестве материалов используются полупроводники, органические красители, газы или твердые материалы;
- Источник накачки – внешний источник энергии, который приводит атомы активной среды в возбуждение. Примерами источника накачки могут послужить электрические разряды, лампы-вспышки, дуговые лампы, свет от другого лазера или химические реакции;
- Оптический резонатор – устройство, упорядочивающее распространение фотонов. Обычно система из двух зеркал, установленных параллельно друг другу на оптической оси. В пространстве между зеркалами используется активная среда, фотоны которой при возбуждении фильтруются резонатором. Через зеркало проходят только фотоны, идущие вдоль оси, остальные отражаются назад в активную среду, где снова стимулируются.
Короче…
Лазер – это устройство, которое преобразует энергию накачки в узконаправленный поток излучения. В нем атомы активного вещества в среде приводятся в возбуждение с помощью внешнего источника энергии, что приводит к упорядоченному оптическим резонатором излучению фотонов, образующих лазерный свет.
А как еще?
Помимо технологий связи, которые NASA использовали для передачи данных из космоса, лазер применятся в широком спектре отраслей для различных задач – от считывания штрих-кодов до наведения ракет. Вот несколько примеров использования лазера:
- Устранение последствий разливов нефти – в 2023 году специалисты ГК «Росатом» провели испытание, в рамках которого использовали лазер для удаления разлива нефтепродуктов в Охотском море. Эксперты использовали специальное оборудование, чтобы изолировать нефтяное пятно, и осуществили поджиг горючей смеси. В потенциале такой способ может применяться для ликвидации последствий разливов нефтепродуктов в районах, где невозможно использовать традиционные биологические методы или нефтесборщики.
- Использование в раковой терапии – лазеры получили широкое применение в медицине, однако помимо хорошо известных обывателю лазерной коррекции зрения или лазерного скальпеля технология также применяется и в перспективных направлениях, одно из которых – фотодинамическая терапия рака. Этот вид терапии использует для уничтожения раковых клеток препарат, который активируется лазером. Такой способ может применяться для лечения некоторых разновидностей рака кожи, легкого и горла.
- Лазерный громоотвод – в 2021 году ученым впервые удалось отразить молнию с помощью лазера. Использование мощного лазера создает каналы ионизированного воздуха, который становится электрическим проводником, что позволяет направлять удары молнии по лазерному лучу. К преимуществам такого громоотвода относят большую дальность охраняемой территории (до 180 метров), что позволяет более эффективно защищать большие плоские поверхности, уязвимые для молний – например, аэропорты или ветряные станции.
Кто?
Считается, что теоретические основы работы лазера заложил Альберт Эйнштейн в 1916 году, предсказав существование явления вынужденного излучения. Эйнштейн предположил, что в теории возможно «заставить» электроны излучать свет определенной длинны волны одновременно, однако для этого было необходимо создать управляемый электромагнитный излучатель. Первую практическую реализацию лазерные технологии получили в 1954 году – профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс представил первый рабочий лазер, в основе которого лежало усиление микроволн, что дало новому устройству название «мазер» (от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Однако немного позже исследователи перешли от усиления микроволн к усилению света, что и стало началом лазерной технологии в ее современном понимании. В 1960-м году американский физик Теодор Майман создал первый в мире импульсный рубиновый лазер, состоявший из кристалла рубина (лазерный материал) с посеребренными торцами (резонатор) и лампы вспышки (источник накачки).
Источники:
- Джефф Хехт Краткая история развития лазеров, 2010
- Брек Хитц, Юинг Джеймс, Джефф Хехт Введение в лазерную технику, 2012
- Уильям Сильфваст Основы лазера, 2004
Цитата
«Лазер – это решение, ищущее задачу»
Теодор Майман, создатель первого лазера
+ Лазер представляет собой многофункциональное устройство, применение которого не ограничено конкретной сферой. Более того, по мере развития технологий для лазера появляются все новые и новые задачи.
- Минусы лазерной технологии определяются отраслью, в которой он применяется. Например, в работе с металлом к минусам относят высокий расход электроэнергии и ограничения по типам обрабатываемых материалов. Общим недостатком чаще всего считается дороговизна.
= Лазер – это инструмент, способный решать различные задачи от измерения расстояния до использования в ядерном синтезе – несмотря на дороговизну его применения. Также стоит отметить, что лазер эффективен и необходим до тех пор, пока для него существуют соответствующие задачи.
