Наверное, не найти человека, который бы не смотрел «Звёздные войны». Разве вам не хотелось бы подержать в руках легендарное оружие джедаев и при каждом взмахе слышать характерное «Жжжжжж»? Кстати, это можно сделать прямо сейчас: покупается «меч» из гибкого неона, а характерный звук можно и наложить из фильма…
Но если без шуток, то возможность изготовить лазерные (по классике — световые) мечи вызывает большие вопросы с точки зрения физики. А вот бластеры, которых тоже в фильме с избытком, звучат уже не так фантастично. Более того — в 2021 году китайцы анонсировали лазерное ружьё с дальностью поражения до 1 км. Неужели будущее наступило?
Не спешите. Давайте сначала посмотрим, как появился лазер, разберём его принцип действия и реальные примеры использования. А уже в завершение попробуем разобраться, когда же мы увидим бои джедаев со штурмовиками.
Как появился лазер
Научные исследования 20 века, пожалуй, слишком радикально изменили представления человечества и стёрли границы между фантастикой и реальностью. Представьте, вы проснулись в мире, в котором свет, оказывается, излучается некоторыми порциями, а совсем не непрерывно? Но ведь мы же смотрим на него — вот он, вроде же слепит глаза непрерывно. Спасибо старине Максу Планку, который в 1900 году ввёл понятие квантов, изучая распределение энергии излучения абсолютно чёрного тела. Хотя надо отметить, что Планк поначалу всячески пытался спасти классическую физику и не хотел относить это к любому электромагнитному излучению, которым свет и является.
Но тут идею подхватил другой революционер — Альберт Эйнштейн. На тот момент он уже выпустил несколько феноменальных научных работ:
специальную теорию относительности (1905 год): представьте, оказывается, масса, линейные размеры и даже время зависит от… скорости. А она еще и конечна! Старина Исаак Ньютон был бы в шоке.
описание фотоэффекта (тот же 1905 год), в котором автор обосновал, почему свет не только излучается, но и поглощается порциями. Словно бы стоит посветить фонариком на стену, и она впитает свет — мистика какая-то. За эту работу в 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию (а совсем не за СТО).
исследование природы Броуновского движения (опять 1905 год): Эйнштейн объяснил механику хаотичного движения молекул и установил связь с температурой, динамической вязкостью и другими величинами. К слову, до этого ученые в рамках молекулярно-кинетической теории (МКТ) не понимали природу этого явления.
общая теория относительности (1915-1916 года), в котором пояснил, что гравитация — не свойство объекта, а следствие искривления им пространства. Как если вы держите в руках лист бумаги и положили на него тяжелый шарик: поверхность листа изогнется. Если теперь положить на тот же лист другой шарик, то он будет стремиться скатиться к центру искривления. И снова привет Ньютону с его яблоком 🙂
В 1916 году Эйнштейн пошёл дальше и предсказал так называемое вынужденное излучение (ещё называется индуцированным). Допустим, у нас есть атом: он состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг, как спутники вокруг планет. Если направить на атом какое-то электромагнитное излучение (скажем, луч света), то он перейдёт в возбуждённое состояние. Электрон с одной орбиты перескочит на другую, и энергия системы изменится. Но так не бывает: есть же закон сохранения энергии. Куда же девается лишняя энергия? Да просто излучается наружу.
С точки зрения квантовой теории атом в возбуждённое состояние переходит под воздействием фотона: сгустка энергии света. И как ни странно излучает атом «лишнюю» энергию тоже в виде фотона. Естественно, процесс происходит непрерывно, и фотоны идут с определённой частотой. При этом вынужденное излучение обладает следующими свойствами:
Возникшая электромагнитная волна распространяется в том же направлении, что и первоначальная индуцирующая волна.
Частота вынужденного и первоначального излучений равны и совпадают по фазе — по-научному они когерентны.
В 1928 году физики Р. Ладенбург и Г. Копферман экспериментально подтвердили существование вынужденного излучения. Хотя на тот момент практического применения этого эффекта никто не нашёл.
Но фишка заключалась ещё в том, что количество излучённых фотонов зависит от количества возбуждённых атомов. В нормальном состоянии мы этого не наблюдаем, ведь иначе закон сохранения энергии не выполнялся бы. Но если бы можно было изменить подход и увеличить количество таких возбуждённых атомов, то в теории мы могли бы усилить излучение. Грубо говоря, посылать один фотон и получать два, тем самым усиливая излучение. Но как этого добиться?
В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается воплотить теорию вынужденного излучения на практике и создать такой прибор. В 1954 году он представляет первый в мире прибор, который получил название «мазер» – от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».
Идея заключалась в следующем:
получить некое вещество, в котором будут как молекулы в возбуждённом состоянии, так и в обычном;
отделить один тип молекул от другого — с точки зрения физики это называется инверсией населённости;
запустить молекулы в возбуждённом состоянии в резонатор: устройство, в котором под воздействием электромагнитного излучения атомы создадут мощное и когерентное излучение.
В качестве вещества Таунс выбрал аммиак. Если не вдаваться в подробности, то молекула аммиака обладает интересным строением. При переходе в возбуждённое состояние её свойства меняются: при приложении электрического поля молекула деформируется и меняется её дипольный момент. Проще говоря, возбуждённые молекулы будут двигаться более направленно, чем невозбужденные. Получается, что можно отсортировать нужные молекулы и собрать их в резонаторе. А чтобы перевести часть молекул в возбуждённое состояние, их достаточно просто нагреть!
В результате получилось вот такое устройство:
Через отверстие в маленькой печи с точно поддерживаемой температурой вылетает пучок молекул аммиака. Среди них есть как нужные нам (возбуждённые), так и находящиеся в нижнем энергетическом состоянии.
Пучок проходит через систему электродов, создающих неоднородное электрическое поле, которое разделяет молекулы. Возбуждённые молекулы продолжают двигаться, прижимаясь к оси системы, а невозбужденные молекулы отталкиваются от этой оси.
Этот пучок входит в объёмный резонатор, точно настроенный на частоту перехода аммиака (для справки — 23 830 МГц).
Вся система помещается в кожух, в котором поддерживается высокий вакуум. Это нужно для того, чтобы предотвратить столкновения молекул аммиака с молекулами воздуха и избежать потерь энергии.
Получилось здорово: выходной сигнал микроволнового излучения имел очень мало шумов и дополнительно усиливался. Проблема заключалась в том, что мощность была очень маленькой — при длине волны 1 см она составляла всего лишь около 10 нВт. По этой причине мазеры не нашли большого распространения, в сравнении с лазерами, однако успешно применялись в атомных часах. За это открытие Чарльз Таунс совместно с коллегами из СССР Николаем Басовым и Александром Прохоровым в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.
Теперь осталось применить этот же принцип для света. В 1950 году физик Адольф Кастлер предложил метод оптической накачки, за что удостоился Нобелевской премии по физике в 1966 году. В этом методе особым образом поляризованный свет направляется на группу атомов. Если основное состояние имеет два уровня, то атомы на одном уровне поглощают свет и переходят в возбуждённое состояние, тогда как атомы на другом подуровне этого не делают. Испуская излучение и возвращаясь в основное состояние, атомы занимают и поглощающие, и непоглощающие уровни. Получается, что свет как бы «накачивает» атомы и переводит их в возбуждённое состояние.
Для создания лазера оставалось совсем немного:
найти материал, в котором можно применить метод оптической накачки;
подобрать резонатор, в котором поток возбуждённых атомов мог бы усиливаться.
Наиболее перспективным кандидатом на роль активного вещества после долгих поисков стал рубин. Дело в том, что он имеет в своём строении активные частицы (так называемые генерирующие центры) — ионы хрома Cr3+. Если не вдаваться в подробности: они хорошо сохраняют возбужденное состояние и слабо взаимодействуют с элементами кристаллической решётки рубина. Эксперименты показали, что при освещении мощной лампой вещество проявляет свойство «накачки» и начинает излучать волну длиной 694,3 нм, сохраняя стабильность. А ещё рубин — твёрдый и устойчивый к высокой температуре материал.
Оставалось придумать конструкцию резонатора. Уже известный нам Чарльз Таунс предложил в 1958 году взять за основу для будущего лазера резонатор Фабри — Перо, придуманный ещё в 1899 году. Он представлял собой две частично посеребрённые стеклянные пластины, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга. По логике свет должен отражаться от одной пластины к другой и переводить как можно большее количество атомов в возбуждённое состояние.
Оставалось всё это реализовать в виде работающего прототипа. И первым человеком, который смог этого добиться, стал Теодор Майман, представивший 16 мая 1960 года первый лазер научной общественности (для справки: лазер — это тоже английская аббревиатура Light amplification by stimulated emission of radiation, или «Усиление света посредством индуцированного излучения»).
Конструктивно лазер представлял собой кристалл рубина в виде стержня c диаметром 1 и длиной 2 см, который в процессе работы лазера подвергался облучению излучением импульсной газоразрядной лампы. Резонатором служили серебряные зеркальные покрытия, нанесённые на торцы стержня. В ноябре того же года Питер П. Сорокин и Мирек Дж. Стивенсон из Исследовательского центра IBM Томаса Дж. Уотсона демонстрируют урановый лазер (использующий лазерные стержни, сделанные из кристаллов фторида кальция, легированного ураном). А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер (на смеси гелия и неона), созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом.
Но давайте ещё раз зафиксируем принцип действия лазера простыми словами:
Есть активное вещество — кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и тому подобное. Разумеется, речь идет о твердотельном лазере, потому что есть еще много других видов: газовые, полупроводниковые и так далее.
Кристалл в виде цилиндра помещают между двух параллельных зеркал — резонаторов.
На кристалл светит импульсная лампа, которая «накачивает» вещество. Энергетические центры переходят в состояние возбуждения и излучают фотоны.
Фотоны отражаются от одного зеркала к другому, продолжая «выбивать» дополнительные фотоны из переходящих в возбуждённое состояние атомов. В результате создается направленное когерентное излучение с постоянной длинной волны, которая зависит от материала.
Рабочее тело лазера | Длина волны |
Рубиновый лазер | 694,3 нм |
Алюмо-иттриевый лазер с легированным неодимом Nd:YAg | 1,063 мкм |
Титан-сапфировый лазер | 650–1100 нм |
Лазер на фториде кальция, легированном ураном U:CaF2 | 2,5 мкм |
Лазер на неодимовом стекле | ∼ 1,06 мкм |
Чтобы стало ещё нагляднее, посмотрите видео:
Где применяются лазеры
Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи учёных и инженеров из разных стран. И спустя 60 лет с момента его появления лазер практически повсюду: сканеры штрих-кодов в магазинах; CD, DVD и Blu-Ray диски; лазерные дальномеры; лазерные принтеры; голографические изображения и так далее.
Давайте посмотрим несколько примеров, где лазеры ещё применяются.
Промышленность
Лазерная резка — лазерные ЧПУ станки по заданной программе могут вырезать практически что угодно, словно бесконтактный лобзик. В процессе воздействия частицы металла плавятся, испаряются и выдуваются струёй газа, подаваемого под высоким давлением. Благодаря этому, получаются узкие резы, без риска повредить даже тонкую и хрупкую заготовку.
Лазерная сварка — технология используется при работе даже с таким прочным материалом, как титан. Преимущество тут в том, что лазерный луч воздействует на очень узкую область — это снижает риск деформирмации заготовки из-за перегрева. А за счёт того, что не используются электроды или присадочные проволоки, шов выглядит аккуратно и имеет прочность даже выше, чем у самих заготовок. Хотя, наверное, «мой знакомый Пётр Иванович варит получше, чем эти ваши новомодные лазеры».
Лазерная маркировка и гравировка — хотите получить вечное изображение на поверхности детали? Тогда забудьте про краску.
Нет механического и температурного воздействия на деталь;
можно работать с предметами сложной формы, в том числе выпуклыми или вогнутыми;
гравировка происходит с высокой скоростью по заданной программе (правда, часто приходится возиться с настройкой режима и мощности);
изображение практически вечное.
Ещё лазеры используются для таких важных в промышленности процессов, как отжиг, отпуск, закалка, легирование, оплавление и многих других.
Наука
Измерение расстояния в космосе. Речь идёт о так называемых лидарах (от английского Light Detection and Ranging, или «обнаружение и определение дальности с помощью света»). Например, во время полётов на Луну, на её поверхности установили несколько специальных уголковых отражателей. С Земли посылали лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Зная скорость света, можно рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.
Если есть лазер нужной мощности, то любой желающий тоже может получить отражённый луч, если очень точно прицелится.
Фотохимия. Некоторые типы лазеров могут излучать настолько короткие импульсы, что их можно использовать для запуска и анализа химических реакций. Передача мгновенных импульсов высокой мощности атомам определенного вещества помогает понять состав вещества, плотность распределения и так далее.
Лазерное охлаждение. Речь идёт о том, что лазер освещает атомы, передавая им определённую энергию. При правильно подобранной частоте излучения он кратковременно переходит в возбуждённое состояние и испускает фотон, но при этом теряя больше энергии, чем получает. Атом как бы замедляется и охлаждается до сверхнизких температур (порядка 9 К или -264 C). Это помогает учёным, например, проводить квантовые вычисления с огромной производительностью.
Термоядерный синтез. Да-да, тут нет ошибки. Сейчас активно идут эксперименты в этой области, где также задействуют лазеры (правда, пока не доведённые до ума). Его суть в том, что стеклянную ампулу с очень небольшим количеством смеси дейтерия с тритием, со всех сторон облучают мощными лазерными импульсами. Ампула испаряется, а реактивное давление паров сжимает её содержимое настолько, что в смеси «зажигается» термоядерная реакция. При этом высвобождается энергия, эквивалентная взрыву примерно 100 килограммов тротила. Она выделяется в форме нагретых до высокой температуры продуктов реакции и потока нейтронов.
Медицина
Хирургия. Да, лазеры пришли на смену старым добрым скальпелям. И тут есть несколько преимуществ:
полная стерильность, потому что любые микробы сразу погибают под воздействием высокой температуры;
маленькая площадь разреза, что снижает риск травмировать другие ткани или органы;
отсутствие крови, поскольку лазер сразу же прижигает капилляры и сосуды.
При этом можно точно настроить глубину разреза, регулируя мощность.
Офтальмология. Многие из нас её проходили. В основе лежит простой принцип: лазер испаряет часть роговицы и меняет её форму так, чтобы сфокусировать световые лучи на сетчатке. При близорукости они фиксируются перед сетчаткой, при дальнозоркости — за ней.
По поводу коррекции хочется вспомнить вот этот пост @Boomburum, который меня самого в своё время сподвиг её сделать.
Косметология. Минутка стереотипов: женщины обожают следить за своей кожей. Лазеры им в этом замечательно помогают. Тут всё работает так же, как с гравировкой: луч пробегает по коже и буквально испаряет верхний, износившийся слой. Взамен появляются более «молодые и шелковистые» клетки кожи, и сразу же сбрасывается лет 5-10. А ещё так можно убирать и более серьёзные проблемы: угревую сыпь, дерматит, псориаз или неудачные татуировки.
Ещё лазеры применяют в стоматологии, онкологии, кардиологии, урологии и много где ещё.
Связь
Ещё лазеры используются в связи, как альтернатива кабелям или радиоканалу. Речь идёт о так называемом FSO (free-space optics — оптика свободного пространства. В России это называются АОЛС — атмосферная оптическая линия связи).
В космосе. Для космической связи лазерный луч — хорошая альтернатива радиоканалу, особенно в условиях засорённости эфира. Многие учёные видят в нём новый этап программы SETI, когда с Земли посылается радиосигнал, который должны получить инопланетяне. В этом случае не нужно прослушивать широкий диапазон радиочастот (ведь непонятно, на какой именно частоте с нами могут выйти на связь).
Пример такой связи — автоматическая межпланетная станция MESSENGER успешно передала лазерный сигнал на Землю, на расстояния 24 млн км. А всеми любимый Илон Маск анонсировал, что в 2022 году все спутники Starlink будут дополнительно оборудоваться лазерной связью, для связи друг с другом.
На Земле. Оборудование АОЛС, на самом деле, уже давно есть на рынке, в том числе и в России. У этого метода действительно есть некоторые преимущества, в сравнении с радиоканалом:
не нужна регистрация канала в органах связи;
высокая защищённость — если злоумышленник захочет как-то перехватить сигнал, то ему потребуется незаметно установить полупрозрачное зеркальце на пути.
А вот главный недостаток — зависимость от погоды. Как только пойдёт дождь или опустится туман, то сигнал уже не будет надёжным. Поэтому применение лазеров в качестве средств связи на Земле вызывает некоторые вопросы.
Вооружение
Конечно, военные не могли пройти мимо такой технологии и до сих пор пытаются воплотить в жизнь мечту инженера Гарина из романа Толстого. Самым ярким примером стала программа СОИ — Стратегическая оборонная инициатива, которую многие знают под именем «Звёздные войны». Её объявил президент США Рональд Рейган 23 марта 1983 года.
В рамках этой программы предполагалось развернуть лазерное оружие на земле и в космосе, чтобы поражать межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) единственного противника США на тот момент — СССР. Для размещения на орбите предполагалось использовать лазеры с ядерной накачкой, излучающие в рентгеновском диапазоне, или химические лазеры мощностью до 20 мегаватт.
Программу «Звёздные войны» тем не менее не смогли реализовать и скоро прикрыли. Причём не только из-за недостатка финансирования, но и по причине распада СССР как главного противника. Но кое-какие результаты получили. В 1985 году лазер на фториде дейтерия с выходной мощностью 2,2 мегаватта разрушил закреплённую в 1 километре от лазера жидкостную баллистическую ракету.
В СССР также велись разработки боевых лазеров, чтобы дать ответ на СОИ. Например, была создана платформа «Скиф» с газодинамическим лазером мощностью 100 кВт, которую должен был вывести на орбиту космический аппарат «Полюс». Запуск комплекса состоялся 15 мая 1987 года, продлился 460 секунд и закончился тем, что аппарат не вышел на заданную орбиту и упал в Тихий океан. Повторные испытания провести не успели, поскольку СССР распался.
А ещё в СССР создавали лазерное оружие в рамках секретного проекта «Терра-3», который стартовал в 1962 году, ещё до всех «Звёздных войн». Для этого привлекли целый ряд научно-исследовательских институтов и даже провели успешные испытания: смогли уничтожить мишень размером с пятикопеечную монету на расстоянии в 1 метр. Однако дальше стало понятно, что создать лазер достаточной мощности, чтобы уничтожить тот же танк, не получится при текущем уровне развития. Поэтому с 1977 года программу планомерно свернули.
Недавно работы над лазерным оружием возобновились, в основном чтобы бороться с такими целями, как ракеты и беспилотники. Например, Россия разработала комплекс «Пересвет», который с 2020 года принят на вооружение в некоторых частях. А в США активно идут испытания лазерных комплексов наземного и корабельного базирования. В начале 2021 года компания Lockheed Martin сдала опытный боевой лазер корабельного базирования High Energy Laser with Integrated Optical-dazzler and Surveillance (HELIOS). Испытания должны закончиться в 2023-24 годах, после чего они поступят на вооружение.
И конечно, лазеры используются и для более «простых» военных задач:
Лазерный прицел, который можно увидеть чуть не в каждом боевике. За счёт узкого луча лазера очень облегчает прицеливание (правда, стрелка можно спалить);
Системы обнаружения снайперов, принцип которых основывается на отражении от какого-либо светочувствительного объекта (прицела или сетчатки глаза);
Системы наведения, когда с земли подсвечивается нужная область и служит ориентиром для боеголовок. Активно применялась армией США в Ираке и Афганистане.
и так далее.
Когда ждать оружие из «Звёздных войн»
Давайте вернёмся к «Звёздным войнам» (но только фильму, а не космической программе США). Лазерные (читайте — световые) мечи, с точки зрения законов физики, к сожалению, мы не увидим никогда. Это понятно. А вот с бластерами есть надежда: нужно только изобрести устройство, которое бы имело достаточную мощность излучения и при этом небольшие габариты, иначе его никто не поднимет. Но с этим есть две существенных проблемы (дальше идут вольные рассуждения автора):
Проблема 1 — КПД. Современные лазеры обладают достаточно низким КПД: для твердотельных меньше 1%. Следовательно, для «накачки» им потребуется очень много энергии, чтобы выходной луч имел какую-то значимую мощность.
Давайте посмотрим очень упрощённо. Например, пуля калибра 7,62 мм обладает дульной энергией 2100 Дж энергии. Импульс продолжительностью в 1 секунду, логично будет иметь мощность 2,1 кВт. Чтобы получить такую выходную энергию при КПД пусть даже 10% (если мы имеем дело с более совершенными методами, чем твердотельные лазеры), потребуется затратить 21 кВт энергии для «накачки». Представьте, сколько будет весить батарея, которая сможет обеспечить такую мощность даже на один выстрел?
Как решить? Искать революционные способы повысить КПД лазеров или изобрести такой вид батареи, который бы смог обеспечить подобную плотность энергии при весе до 20 кг (и то многовато).
Проблема 2 — охлаждение. И конечно, часть такой огромной энергии для «накачки» будет рассеиваться в тепло. А это потребует очень-очень мощной системы охлаждения.
Как решить? Частично эту проблему может решить использование лазеров с химической накачкой (например, кислородно-йодном или дейтерий-фторном лазерах), где отработанные химические компоненты выбрасываются из системы после импульса, унося тепло. Однако тогда штурмовику придётся возить за собой, кроме батареи, ещё и огромный баллон с химическими реагентами.
Возможно, я забыл учесть ещё какие-то факторы, но этих двух вполне хватит.
Вернёмся к новости, что китайцы разработали лазерное ружьё. Якобы оно имеет обычный литий-ионный аккумулятор, способный производить до 1000 выстрелов по 2 секунды каждый. А эффективность оружия такая, что оно способно обуглить кожу на расстоянии 800 м. Но исходя из наших рассуждений, единственное, на что способно это ружьё, — это ослепить противника или вызвать недомогание у мухи.
Поэтому при существующем уровне технологий с лазерными винтовками пока что придётся подождать, как и со «Звездой смерти». Но не беда — кажется, что у лазера найдётся ещё очень много более мирных применений.
Делитесь в комментариях, какие ещё классные примеры применения лазеров вы знаете.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
