Чем лазерный свет отличается от лампы
Сравним лазерную указку и фонарик. Указка слабее по мощности, но её луч — тонкая яркая ниточка, а фонарик размазывает свет во все стороны. Дело не в яркости, а в порядке.
Свет лампы — это хаос: волны разной длины (всех цветов), вылетают в разные стороны и вразнобой по фазе. Свет лазера — полная противоположность:
- одного цвета (одна длина волны, монохроматичность);
- в одну сторону (узкий направленный луч);
- в ногу — все волны шагают синхронно, гребень к гребню (когерентность).
Это как разница между гудящей толпой и марширующим строем. Из этого «строя» и рождаются все способности лазера.
Вынужденное излучение: идея Эйнштейна
Обычно атом излучает свет сам по себе: возбуждённый электрон спрыгивает на нижний уровень и выбрасывает фотон в случайный момент и в случайную сторону. Это спонтанное излучение — так светит лампа.
Но в 1917 году Эйнштейн предсказал и другое. Если мимо уже возбуждённого атома пролетает фотон «нужной» энергии, он заставляет атом излучить прямо сейчас — и новый фотон рождается точной копией пролетавшего: та же длина волны, то же направление, та же фаза. Был один фотон — стало два одинаковых. Это вынужденное излучение. Само слово ЛАЗЕР — аббревиатура: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «усиление света вынужденным излучением».
Как из этого собрать прибор
Чтобы один фотон превратился в лавину одинаковых, нужны три вещи.
- Рабочее тело — газ, кристалл или полупроводник, атомы которого можно возбудить (например, неон, рубин, полупроводниковый переход).
- Накачка — энергия (вспышка лампы, ток, другой лазер), которая загоняет атомы в возбуждённое состояние, причём так, чтобы возбуждённых стало больше, чем спокойных. Это называют инверсией населённости — без неё лавины не выйдет.
- Резонатор — два зеркала по краям. Фотон бегает между ними туда-сюда, по дороге вынуждая всё новые атомы излучать копии, и поток нарастает. Одно зеркало делают чуть-чуть прозрачным — через него готовый луч и выходит.
Получается самоподдерживающийся «строй» света. Дальше луч можно фокусировать в точку, разгонять до огромной мощности или нарезать на сверхкороткие вспышки (см. Импульсный лазер).
От теории к штрихкоду
Первый лазер построил Теодор Майман в 1960 году — на стерженьке рубина. Тогда его в шутку называли «решением, которое ищет задачу»: красиво, а зачем — непонятно. Сегодня лазеры повсюду: указка и сканер штрихкодов, проигрыватель дисков и принтер, дальномер и хирургия глаза, резка металла и весь оптоволоконный интернет, который держится на лазерных вспышках в стекле.
И почти все наши оптические опыты — толщина волоса лазером, квантовый ластик, длина волны решёткой — работают именно потому, что лазерный свет такой «дисциплинированный». Идея, рождённая на бумаге в 1917-м, сорок лет ждала своего прибора — и теперь лежит в основе половины современной техники.
Читать дальше
→ Импульсный лазер: мощность из времени: что будет, если этот «строй» света выдавать сверхкороткими вспышками → Толщина волоса лазером: опыт, который держится на когерентности лазерного луча → Длина волны дешёвой решёткой: измерить цвет лазера с точностью до нанометров