Всё, что нужно знать о лазере
Кадр из ситкома «Теория большого взрыва» (создатели Чак Лорри и Билл Прэди)
koptchick пишет кандидатскую работу по физике, и фактически на пальцах объясняет, что такое лазер и откуда он берётся.
koptchick:
Волею судьбы учусь я на физика. Вот, в преддверии защиты кандидатской я стал испытывать неодолимое желание к тому, чтобы вынести в массы одну из идей, что мне предстоит излагать перед учёным советом, а именно, явление случайной лазерной генерации или, по-простому, случайный лазер, который то светит, то не светит.
Изложить это постараюсь в нескольких постах как можно более популярно и менее занудно, начав, притом, весьма издалека. Уж насколько это всё у меня получится, не знаю.
Слово «атом» пришло к нам из древнегреческого языка. Именно античные мыслители в лице Левкиппа, Демокрита и Эпикура в V-IV вв. до н.э. додумались ввести понятие о мельчайших и неделимых частицах материи из которых, как из кирпичиков, состоит наш мир и возникает всё его многообразие. В дальнейшем понятие о неделимых атомах было подхвачено средневековыми схоластами, от них перекочевало в философию Нового времени, прижилось в физике XIX-XX веков, и существует в естественных науках по сей день, правда, с одной немаловажной оговоркой - мельчайшими и неделимыми атомы для современных учёных быть перестали.
С элементарностью им пришлось расстаться на рубеже XIX-XX веков, когда Э.Резерфорд, обобщив многочисленные результаты экспериментов, установил, что атомы имеют непростую внутреннюю структуру, а именно, состоят из массивного ядра и кружащих вокруг него легких электронов. Отчасти это напоминает Солнечную систему, роль «тяжёлого ядра» в которой играет Солнце, а «электронов» - планеты, даже самая массивная из которых (Юпитер) оказывается примерно в тысячу раз легче нашего светила.
Как водится, блестящие выводы учёного породили больше вопросов, чем ответов. Так, одной из главнейших проблем для науки того времени стала невозможность объяснить, как подобная структура (электроны-ядро) может просуществовать дольше мельчайших долей секунды (а мы прекрасно видим, что она преспокойно существует даже не только секунды, а целые столения и миллиарды лет!).
Между тем, вставшее перед учёными противоречие лежало на поверхности. И впрямь, одним из выводов исследований Резерфорда стало то, что атомное ядро имеет положительный электрический заряд («+» каждый же электрон заряжен отрицательно («-»). Но (!), как всем нам хорошо известно, противоположности притягиваются. Особенно справедливым данное утверждение оказывается, когда речь идёт об электрических зарядах. Будучи прекрасно осведомлёнными на этот счёт, Резерфорд и его современники оказались перед вопросом: если атомное ядро притягивает к себе электроны, то почему же они, покружив вокруг да около, на него, в конце концов, не падают?
Недоумение научной общественности по данному поводу подогревалось ещё и тем, что, существовавшая (и прекрасно зарекомендовавшая себя) на тот момент теория Максвелла, которая как раз-таки описывала поведение электрически заряженных объектов (таких как ядро и электроны), предсказывала, что кружить электрону около ядра пришлось бы недолго совсем - лишь наносекунды, т.е. в течение промежутка времени, в миллиард раз меньшего нескольких секунд.
Чтобы решить данное противоречие, учёным начала XX века пришлось фактически создать новую науку, которая теперь известна нам как квантовая физика. Обсудить в блоге автора
koptchick:
Проблема существования атома (о которой речь шла в предыдущем посте) была связана с тем, что он, увы, - есть предмет очень маленький или, как говорят, является объектом микромира. Действительно, типичный размер атома составляет один ангстрем (есть такая крохотная единица измерения длины) или, что то же самое, десятую часть модного нынче нанотехнологийметра. Так вот представьте себе, что целых десять миллионов ангстремов уложится на мельчайшем делении стандартной линейки.
К началу XX века же учёным просто не приходилось ещё вплотную сталкиваться со столь малыми объектами, и исчерпывающе объяснять их поведение никто пока не умел. Но на выручку научной общественности пришли великомудрые создатели квантовой физики: М.Планк, А.Эйнштейн, Н.Бор, Э.Шрёдингер, В.Гейзенберг и многие другие. Новая теория как раз и была призвана расширить прежнюю, классическую физику, описав микромир и, в частности, объяснив существование атомов.
Одна из основных и наиболее смелых гипотез, легших в основу зарождающейся теории, была выдвинута М.Планком в 1900 году и в последствии нашла себе множество как теоретических так и экспериментальных обоснований. Есть существенное отличие между тем, какой смысл вкладывал в него сам автор и тем, как понимают этот постулат современные учёные, но, чтобы не останавливаться чересчур подробно на деталях, я постараюсь изложить его содержание не в историческом, а нынешнем виде. Суть такова: энергия различных физических систем квантуется.
Что бы это могло значить? Постараюсь объяснить с помощью весьма грубой, однако, надеюсь, достаточно наглядной аналогии. Представим себе шарик, катящийся вниз по гладкой наклонной доске. С самого начала своего движения он обладает энергией, которая называется потенциальной и расходуется им на разгон. Так, по достижении им основания (пусть доска нижним краем опирается на землю), резерв потенциальной энергии оказывается исчерпан, а скорость шарика - возросшей до максимума. Главное для нас здесь - то, что процесс перехода потенциальной энергии в кинетическую (ту, величина которой растёт вместе со скоростью - ведь со школьной скамьи все мы помним, что энергия сохраняется!) протекает плавно вместе с движением шарика по доске.
Теперь поместим на ту же доску «микроскопический» шарик, который во много раз меньше первого. Настолько меньше, что поверхность доски для него уже не будет гладкой. Из-за шероховатостей, которые есть на поверхности доски, шарик будет двигаться вниз уже не по прямой траектории, а по чему-то вроде лестницы, практически всё время находясь на каком-либо очередном изломе поверхности, как на ступеньке. Поэтому его потенциальная энергия также будет изменяться не плавно, как в первом случае, а резко, и величина её в различные моменты времени будет зависеть от высоты ступенек.
Так и микроскопический электрон в атоме не может, подобно катящемуся по гладкой доске шарику, упасть на ядро, плавно теряя свою потенциальную энергию. Его энергия, как во втором примере, может изменяться только скачками, называемыми квантами милосердия энергии (существование этих самых квантов и постулировал Планк). При этом оказывается, что, чем ниже опускается по своей «лестнице» электрон, тем выше будет следующая ступенька и, соответственно, больше энергии он будет терять, опускаясь ниже. Таким образом, «упав» на одну из таких энергетических ступенек (их называют энергетическими уровнями), электрон, наконец, остановит своё «падение». Про такой атом говорят, что он находится в основном энергетическом состоянии.
Понятно, что между катящимся по шершавой доске шариком и электроном в атоме разница, мягко говоря, большая. Но такой уж образ пришёл мне на ум для сравнения. Внимание же я акцентирую только на паре различий. Первое: естественно, мы можем представить себе шарик в момент падения, когда он находится как бы между двух ступенек. Электрон же между двумя энергетическими уровнями находиться не может, то есть для него переход со ступеньки на ступеньку происходит скачком - моментально! Второе: по мере движения «вниз по лестнице» атом, в отличие от ускоряющегося шарика, теряет свою энергию.
Обсудить в блоге автора
koptchick:
Итак, в прошлый раз мы остановились на том, что выяснили, каким образом атомы сохраняют свою стабильность и почему отрицательно-заряженные электроны не падают на положительное ядро. Однако, остался неясным момент, принципиальный для понимания работы лазера: что происходит с энергией атома, когда он, как по ступеням лестницы, совершает скачки между своими состояниями? Здесь также отмечу, что ранее, обсуждая «падающий на ядро электрон», мы говорили лишь о том, что по этой лестнице он может только опускаться вниз, однако, в принципе, при наличии избытка поступающей снаружи энергии, возможно и его движение в противоположном направлении.
Ответ на этот вопрос найдём из простейшего наблюдения, с которым мы постоянно сталкиватемся в обыденной жизни. Представим себе объект, например, кусочек металла, само собою, состоящий из огромного числа атомов. Начнём нагревать его, тем самым, сообщая веществу энергию извне и заставляя атомы подниматься по своим «лестницам» на как можно более высоко стоящие ступеньки. Ясно, что, если этот процесс зайдёт слишком далеко, то объект наш разрушится (расплавится металл), однако, как бы пытаясь избежать этого, само вещество запустит обратный ход, то есть начнёт отдавать избыток своей энергии окружающей среде. С микроскопической точки зрения это будет означать, что атомы станут стремиться сойти по «ступенькам» вниз, приблизившись к основному энергетическому состоянию; но, вместе с тем, всем нам из повседневной практики известно, что раскалённые предметы начинают светится (это и происходит в обычной лампочке накаливания). То есть именно излучением кванта света (известного как фотон) сопровождается каждый скачок атома из более высокого энергетического состояния в нижележащее.
Теперь мы с вами наконец-то подбираемся к конечной цели моего рассказа - объяснению эффекта случайного лазерного излучения (random laser/lasing). Но, прежде чем переходить к лазеру случайному, надо разобраться с обычным. Наверное, одним из первых образов, что приходит нам на ум, когда мы слышим слово «лазер» - это космические баталии, разноцветные ослепительно-яркие лучи, прожигающие насквозь металл и камни и проч. И, что характерно, отчасти, это соответствует изначальному смыслу слова «лазер», которое является результатом переноса в русский язык английской аббревиатуры Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, - что можно перевести как: усиление света за счёт вынужденного излучения.
Отбрасывая пока непонятное словосочетание «вынужденное излучение», мы понимаем, что лазер, в основе своей, - это прибор, который «усиливает свет» - то есть делает его более мощным, ярким, концентрированным и т.д. Тут я, впрочем, должен оговориться, что одним лишь этим круг применения современных лазеров далеко не ограничивается, да и усилителем его можно называть лишь условно - более точно было бы использовать слово «преобразователь». Да-да, заметьте, свет можно преобразовать, именно, свет свету рознь: излучение от лампочки обладает совсем иными свойствами, нежели, свет лазеров, и дело даже не в том, что они различаются цветом, мощностью, собранностью в луч... Но давайте теперь разбираться, как же это усиление (преобразование) работает.
Итак, если мы хотим усилить свет, то, для начала, нам необходимо, чтобы хоть какое-то его количество у нас уже было в распоряжении, т.е. сперва нам нужен источник фотонов. Для этого возьмём горящую лампочку или что-то вроде неё (на самом деле, лазер в «зачаточном» состоянии очень мало отличается от лампочки - но только в «зачаточном»!). Первая проблема, с которой мы сталкиваемся состоит в том, что свет (да и вообще всё, что угодно) нельзя взять, да усилить (преобразовать) в один миг. Чтобы сделать это, необходимо научиться как-то манипулировать им, а, в первую очередь, удерживать на месте (хотя бы у себя дома на кухне в лаборатории - там, где мы собираемся проводить усиление). А вот это задача очень непростая, т.к. свет - штука весьма быстрая (самая быстрая в нашей Вселенной, чего уж скрывать, 300 000 км/с - это вам не шутки).
Но учёные придумали на удивление изящное решение проблемы. Достаточным оказалось поставить друг напротив друга пару зеркал, поместив между ними светящую лампочку. Свет, который она излучает строго перпендикулярно их плоскостям окажется попросту заперт между двух отражающих поверхностей и, в идеальном случае, будет «гулять взад вперёд», никуда не улетая, ровно столько, сколько нам это потребуется. Само собою, мы потеряем огромное количество фотонов - большая их часть мгновенно разлетится в разные стороны, никак не усилившись - однако именно это, в конце концов, обеспечит нам узость лазерного луча.
Обсудить в блоге автора
koptchick:
В прошлый раз я рассказал вам о том, как с помощью двух зеркал учёным удаётся «поймать» свет, собрав его, притом, в узкий пучок. Напоминаю, нужно нам это для того, чтобы создать лазер - устройство, усиливающее/преобразующее свет. Кстати, эта самая пара зеркал - есть простейший пример оптического прибора, называемого резонатором. Собственно, резонатор - есть ключевой элемент лазера, без которого он работать никак не сможет, если только он не является случайным лазером, но об этом чуть позднее...
Ещё пара слов о резонаторе и свете. Всякий, кто хорошо учился в школе, наверное, помнит, что свет - это электромагнитная волна. То есть что-то вроде длинной, колеблющейся во времени и рассекающей пространство с огромной скоростью, синусоиды с «горбами» такой-то высоты (амплитуды) и с определённой частотой их следования друг за другом (собственно, частотой волны). Однако же весьма наивно думать, что лампочка, которая горит в комнате у каждого, излучает такие вот прекрасные серпантинки в чистом виде, отражающиеся от стен и попадающие нам на сетчатку. Всё прозаичней.
Вспомним, что раскалённая нить лампочки состоит из атомов. Из разных атомов. Да, вы скажете, что нить в лампочке вольфрамовая - значит, из атомов вольфрама она и состоит. Но я отвечу на это, что, помимо химического элемента №74 грязи там уж точно хватает. Да и в любом случае, как мы помним из предыдущих постов, «разогретые» атомы, прежде чем излучить фотон (квант или порцию света), будут сидеть на разных ступеньках своих лестниц (а у разных атомов и лестницы разные!) и, чтобы «остыть», станут стремиться спрыгнуть пониже. Вспомним также, что высоты различных ступенек отличаются друг от друга, а то, на сколько ступенек вниз ему разом спрыгнуть, каждый атом «решает» сам, и, по большому счёту, совершенно случайно. Отсюда мы делаем вывод: каждый атом (а их в лампочке миллиарды миллиардов) за один скачок вниз будет сбрасывать с себя излишек энергии величины, во многом, произвольной. Один скачок рождает один квант света, поэтому выходит, что энергия его и частота (эти величины связаны друг с другом напрямую) случайны.
Последнее обстоятельство, кстати, объясняет и то, что лампочка светит белым цветом. Ведь именно от частоты световой волны зависит цвет, который мы видим. Меньшей частоте (большему расстоянию между горбами) соответствует красный цвет, большей частоте - фиолетовый. А опыт с призмой показывает, что белый цвет содержит в себе целый спектр радуги, который, как выходит, и излучается всем множеством атомов, составляющих нашу раскалённую нить.
Представьте теперь, что огромное количество атомов, находящихся друг от друга по-соседству, излучает такие вот произвольные, никак не согласованные между собой ни по частотам, ни по направлениям волны-фотоны. Ясно, что каждая такая волна успеет преодолеть очень небольшой участок пространства (он, кстати, называется объёмом когерентности), пока к ней не подлетит и не «подмешает» своего колебания другая волна от соседнего атома. В результате такого наложения множества волн друг на друга (оно называется интерференцией) оказывается, что, в целом, свет от лампочки представляет из себя не изящно извивающуюся электромагнитную волну, а самую настоящую кашу из огромного количества крохотных объёмчиков когерентности, среди которых едва можно различить отдельные, разлетающиеся в различных направлениях, фотоны.
Пусть теперь, всю вышеописанную кашу мы засадили в резонатор. Посмотрим, как всего только два зеркала смогут преобразовать этот хаос. Заметим, что в каше обязательно найдётся пара совершенно одинаковых, но движущиеся в противоположных направлениях, волн, таких что «горбов» их между двух наших зеркал укладывается ровно целое число (то есть на каждое из зеркал эти волны должны падать либо минимумами, либо максимумами, либо нулями своих синусоид). Согласитесь, что тогда, отражённые от зеркал и «столкнувшиеся», они скомпенсируют обоюдное движение по всему, разделяющему зеркала, пространству.
Говорят, что при этом в резонаторе образуется стоячая волна, которая во времени, и впрямь, никак не изменяется. Все же остальные волны в каше, оказавшись в ловушке, так или иначе либо погаснут, хаотически складываясь (интерферируя) друг с другом, либо покинут резонатор из-за различных неидеальностей зеркал. Обратите внимание, благодаря двум зеркалам, из всей изначальной «фотонной каши», что нам излучала лампочка, остаётся лишь одна стоячая волна, а её объём когерентности из мизерного начинает приближаться ко вполне ощутимым размерам резонатора. Остаётся только усилить в нём свет, иначе говоря, заполнить этот объём фотонами.
Поможет нам в этом, как ни странно, стадное чувство. Да-да оно существует, не только в обществе, но и в квантовой физике, только в ней оно называется, по-научному, вынужденным (или стимулированным) излучением. Суть его в следующем. Излучаемый атомом фотон, если он «видит» поблизости от себя какой-нибудь другой квант света, предпочитает стать его точной копией - как по направлению движения, так и по частоте. И чем больше таких одинаковых квантов, тем выше вероятность того, что новый излучённый фотон станет «одним из толпы». Более корректным же этот эффект было бы связывать со взаимно согласованным воздействием на атом пролетающих мимо клонов, которые «»вынуждают«» его излучить ещё один фотон-копию.
Благодаря резонатору, некоторое число таких клонов из стоячей волны у нас уже есть, поэтому, дополнительно вынуждая атомы лампочки, излучать себе подобных, мы будем накапливать их количество. Если лампочка изначально мощная, то процесс этот начинает развиваться лавинообразно и, вуаля, мы получаем работающий лазер: светящий одним лучом, с одной частотой (цветом) и высокой мощностью (количеством фотонов в «стаде», но не в «каше») - то есть отнюдь не лампочку.
Что ж, с обычным лазером разобрались. На очереди, наконец, случайный. Теперь же, дорогой мой читатель, задам контрольный вопрос на засыпку: что-нибудь из того, что я понаписал тут хоть кому-то ясно, а?
Обсудить в блоге автора