ТЕХНОМАГИЯ. ЛАЗЕРНАЯ ЭРА. Часть 3
Автор - @sergeymironenko
Бархат, монохроматор, арифмометр какой-то… ну, когда же, наконец, этот автор напишет что-нибудь о лазерах? – спросит читатель, и будет прав.
Но и автор, как уже ясно из предыдущего, познакомился с этим загадочным устройством далеко не сразу, и вначале – теоретически, чему в немалой степени способствовали затянувшиеся поиски способов поднятия полутонны железа на высоту одного метра.
Вот и начнём с теории, только не совсем той, которой наполнена научная и научно-популярная литература. У нас будет сказка, и пусть, читая её, улыбнётся тот, кто знает, что такое пропагатор и эйкональные уравнения…
Кванты и светлячки
Вы когда-нибудь видели этих сияющих в темноте насекомых? Ну, даже если не видели – знаете, что такие водятся где-то в тёплых краях.
А мы с вами придумаем необыкновенных светлячков.
Их особенность в том, что летать они не умеют, да и фонарики у них специальные – вспыхивают только, когда светлячки прыгают вниз с высокой горки. А на горку этих нелетающих товарищей, понятное дело, нужно поднимать, например, мягко подбрасывать теннисной ракеткой. Этот аттракцион они любят и с удовольствием сваливаются с горки вниз, чтобы снова попасть на нашу "катапульту". А мы при этом наблюдаем маленькие вспышки, которые, если светлячков много, сливаются в постоянное свечение.
Я попытался изобразить это на картинке:
Здесь у светлячков, пока они поднимаются вверх, фонарики спрятаны – в самом деле, что зря энергию тратить. А зажигаются огоньки в начале прыжка вниз – от восторга, конечно. Ну а светят они в разные стороны, как попало.
Но однажды светлячкам стало скучно прыгать вниз неорганизованной толпой, и они попросили меня сделать маленькую хитрость – установить чуть пониже горки что-то вроде полочки, так, как на рисунках внизу. Спросите, зачем?
Дело в том, что так они могут договориться, чтобы, собравшись на полочке, прыгнуть вниз одновременно, всем сразу, как только один из них зажжёт свой фонарик.
Смекаете, что будет?
Правильно – вниз сразу и быстро свалится светящаяся стая, и мы увидим короткую вспышку, намного более яркую, чем свечение, которое наблюдается при их несогласованных прыжках. На картинках внизу видны два состояния: готовность к прыжку, и, собственно, полёт.
Смотрите, что получается: светлячки забираются на горку, а потом на полочку каждый сам по себе, а спрыгивают одновременно, все вдруг. При этом светят все в одну сторону, потому и вспышка ярче.
Здесь, конечно, может возникнуть новый вопрос – как же они договариваются? Но ответить на него легко, если вспомнить их основное свойство. Конечно же, при помощи света, световых сигналов. Как только начинает прыгать вниз и зажигает свой фонарик первый светлячок из компании на полке – остальные видят вспыхнувший свет и сигают следом.
Теперь, уважаемый читатель, можете удивиться следующей фразе:
Только что мы рассмотрели принцип работа лазера.
Как так?
А представьте себе, что светлячки – это атомы вещества. Мы ведь знаем, что атомы обычно находятся в состоянии равновесия с окружением (это наш нижний уровень), но если сообщить им энергию (катапульта) – могут перейти в возбуждённое состояние (подняться на горку), сваливаясь с которой будут излучать свет.
При этом, способы сообщить атомам энергию нам хорошо известны. Один из них – нагревание, например, электрическим током – так работают лампы накаливания с вольфрамовой спиралью. В газоразрядных лампах "ракеткой" для подбрасывания тоже служит электрический ток, вернее, электрическое поле, разгоняющее ионы. А если вы видели свечение деталей одежды на концертах под действием ультрафиолета, то знаете, что энергию для свечения атомам может сообщать и оптическое излучение.
Но как же сделать "полочку" для возбуждённых атомов?
Тут нам помогла сама природа. Оказывается, в некоторых веществах, в частности, в кристаллах, такие "полочки" или энергетические уровни уже существуют, и называются они метастабильными состояниями. Исторически первым кристаллом, где метастабильное состояние атомов позволило получить лазерное излучение, стал кристалл рубина, светлячками в котором работают атомы хрома, те самые, что придают ему окраску.
Итак, вот оно, отличие поведения атомов при лазерной генерации от обычного свечения: в лазере атомы получают энергию каждый отдельно, а отдают, "спрыгивая" с метастабильного состояния, одновременно, все вдруг.
Конечно, в реальности не всё так просто. Для получения генерации в лазере на кристалле рубина нужен источник оптического излучения высокой интенсивности – импульсная лампа, на профессиональном жаргоне "лампа накачки". Для того, чтобы она вспыхнула, нужен электрический источник энергии. Кроме того, не обойтись без оптического резонатора, нужного для того, чтобы синхронизовать прыжки атомов вниз. А ещё приходится согласовывать высоту подбрасывания с высотой горки (попасть в полосу поглощения света, иначе говоря – полосу возбуждения активных атомов).
Есть ещё одна интересная особенность: светлячки гораздо охотнее прыгают вниз, если там свободное пространство, а не толпа сородичей в очереди на катапульту. Поэтому наш аттракцион будет более эффектным и ярким, если сделать ещё одну полочку внизу, чуть выше основания, и при этом она должна быть скользкой, чтобы на ней никто не задерживался, а значит, всегда свободной.
Такая схема генерации называется четырёхуровневой, в отличие от трёхуровневой, с которой мы познакомились сразу, и по эффективности она значительно превосходит первую.
А теперь, чтобы читатель поверил в сказку о светлячках, я приведу одну из диаграмм-схем энергетических уровней лазеров, публикуемых в литературе, в данном случае тоже почти популярной - презентации для медиков:
Как видите, это практически полная аналогия с нашим весёлым аттракционом.
Думаю, что теперь другие тонкости, связанные с работой реальных лазеров, читатель, при наличии интереса, легко найдёт в Интернете.
А я продолжу рассказ о рубиновом лазере в следующей части.
Продолжение следует...
Автор: @sergeymironenko
Редакция и публикация: @lubuschka
26.07.2019
вдохновителя авторов
и мУчителя новичков
@ladyzarulem здесь
О Рубрике:
Любители полезных и модных штучек будут в курсе всех новостей! Больше гаджетов, хороших и разных! Нашли что-то интересное в сети? Заказали на Алишке? Поделитесь – мы такие любопытные.