Як працює лазер і чим він відрізняється від звичайного світла

Як влаштований лазер?

Сам термін "лазер" є англомовним акронімом Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що перекладається як посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання. На відміну від звичайного ліхтарика чи сонця, які випромінюють суміш хвиль різної довжини у всіх напрямках, лазер створює впорядкований потік фотонів. Якщо звичайне світло – це хаотичний рух натовпу, то лазерне випромінювання нагадує добре відрепетируваний марш, усі члени якого рухаються ідеально в такт, пише 24 Канал.

Будь-який лазер складається з трьох ключових елементів: активного середовища, системи накачування та оптичного резонатора. Активним середовищем може бути кристал рубіна, суміш газів або спеціальна рідина. Система накачування подає енергію, змушуючи електрони в атомах цього середовища переходити у збуджений стан. Коли кількість збуджених атомів перевищує кількість атомів у звичайному стані, виникає явище, відоме як інверсна заселеність. Саме в цей момент випадковий фотон може спровокувати лавиноподібну реакцію: він змушує збуджений атом вивільнити ще один ідентичний фотон, який має ту саму фазу, напрямок та колір. Цей процес і називається стимульованою емісією.

Оптичний резонатор, що складається з пари дзеркал, змушує світло багаторазово проходити крізь активне середовище, посилюючи його з кожним проходом. Одне з дзеркал є напівпрозорим, що дозволяє частині накопиченої енергії виходити назовні у вигляді тонкого, потужного променя.

Приклад лазера / Фото Unsplash

Головна відмінність лазерного світла від звичайного полягає у трьох властивостях: монохроматичності, когерентності та спрямованості.

• Монохроматичність означає, що промінь має лише одну чітко визначену довжину хвилі, тоді як біле світло є кашею з усіх кольорів веселки.
• Когерентність забезпечує рух усіх хвиль в унісон, що дозволяє їм посилювати одна одну, а не гасити.
• Спрямованість лазера настільки висока, що його промінь майже не розширюється навіть на величезних відстанях. Наприклад, якщо спрямувати лазер на Місяць, відстань до якого становить близько 380 000 кілометрів, на його поверхні утвориться пляма діаметром лише близько 2 кілометрів. Для порівняння, промінь звичайного ліхтарика розсіюється вже через кілька метрів.

Яскравість лазерів також не має аналогів у природі. Випромінювання деяких систем у мільярд разів перевищує яскравість поверхні Сонця. На сучасному етапі розвитку технологій вчені створюють імпульси потужністю до 10 петаватів. Один петават – це квадрильйон джоулів на секунду. Така колосальна концентрація енергії дозволяє використовувати лазери як стерильні скальпелі в хірургії, інструменти для різання металу або засоби зв'язку з космічними апаратами.

Попри величезну користь, лазери вимагають обережного поводження. Випромінювання найвищого четвертого класу може миттєво спричинити незворотне пошкодження сітківки ока, що призводить до появи сліпих плям або повної втрати зору. Тому під час роботи з професійними установками обов'язковим є використання спеціальних захисних окулярів, що відповідають конкретній довжині хвилі лазера.

Деякі лазери можуть бути небезпечними для людини / Фото Unsplash

Сфера застосування лазерів продовжує розширюватися. Вони використовуються для точного вимірювання відстаней, запису інформації на диски, створення голограм та навіть у автомобільних фарах нового покоління. Унікальні можливості цієї технології дозволяють людству зазирати в таємниці атомів та здійснювати надскладні операції, які раніше здавалися фантастикою.