Французские ученые из Университета Ниццы – Софии Антиполис утверждают, что им удалось получить лазер на основе специально подготовленного холодного газа. В работе использовались охлажденные до сверхнизких (около 50 микрокельвин) температур атомы рубидия, заключенные в магнитную ловушку.
Это было бы вполне рядовой работой, если бы не одно «но». Для получения лазера ученым не потребовалось создавать оптический резонатор, обычно представляющий собой пару параллельных зеркал, между которыми свет много-много раз бегает туда-обратно, каждый раз становясь все сильнее. Оптический резонатор – обязательный элемент обычных лазеров, но существует относительно новая штука – так называемые случайные лазеры – для которых эти самые резонаторы не нужны. И вот ученым из Франции впервые удалось реализовать такой лазер в газе.
Тянет на серьезный научный прорыв. Одна из интересных и пока не до конца изученных проблем современной астрофизики – это проблема так называемых природных лазеров – источников интенсивного излучения с ярко выраженной частотой, которые спонтанно возникают в естественных условиях атмосфер далеких звезд и планет.
Это было бы вполне рядовой работой, если бы не одно «но». Для получения лазера ученым не потребовалось создавать оптический резонатор, обычно представляющий собой пару параллельных зеркал, между которыми свет много-много раз бегает туда-обратно, каждый раз становясь все сильнее. Оптический резонатор – обязательный элемент обычных лазеров, но существует относительно новая штука – так называемые случайные лазеры – для которых эти самые резонаторы не нужны. И вот ученым из Франции впервые удалось реализовать такой лазер в газе.
Тянет на серьезный научный прорыв. Одна из интересных и пока не до конца изученных проблем современной астрофизики – это проблема так называемых природных лазеров – источников интенсивного излучения с ярко выраженной частотой, которые спонтанно возникают в естественных условиях атмосфер далеких звезд и планет.
Чтобы понять, что так удивляет астрофизиков, вспомним, чем отличается свет обычной лампочки от излучения лазерной указки. В то время как обычная лампочка излучает во все стороны белый свет – то есть содержит все цвета радуги, лазерная указка светит в заданном направлении, и ее излучение имеет вполне конкретный цвет – или, выражаясь научным языком, частоту. Кроме того, если лампочке требуется мощность порядка десятков ватт, чтобы заметно освещать пространство вокруг себя, то для лазерной указки характерны мощности порядка нескольких милливатт – то есть в десятки тысяч раз меньше.
Почему так происходит? Приведем понятную аналогию. Представьте, что вы каждый день ходите на Красную площадь. Каждый день вы видите, что по ней снуют туда-сюда толпы туристов, стоит шум и гам. Но вот наступает 9 мая. Вы, как обычно, приходите на площадь и видите совсем другую картину: по брусчатке стройными рядами маршируют военные, их чеканный шаг совсем не похож на гам толпы и звучит заметно громче. В физике такое поведение называется когерентностью – когда множество источников звучат в унисон. Вот так и в лазере. Если в лампочке каждый атом вещества «звучит» (то есть излучает) сам по себе, то в лазере они излучают когерентно, то есть в унисон – на одной и той же частоте и в одну и ту же сторону. Поэтому и получается излучение таким же сильным при меньшей потребляемой мощности.
Но с обычными лазерами все понятно – их специально готовят так, чтобы в них наблюдалось когерентное излучение. Так же, как военные заранее обучаются маршировать в ногу. Но откуда лазеры могут возникнуть в космосе?
Почему так происходит? Приведем понятную аналогию. Представьте, что вы каждый день ходите на Красную площадь. Каждый день вы видите, что по ней снуют туда-сюда толпы туристов, стоит шум и гам. Но вот наступает 9 мая. Вы, как обычно, приходите на площадь и видите совсем другую картину: по брусчатке стройными рядами маршируют военные, их чеканный шаг совсем не похож на гам толпы и звучит заметно громче. В физике такое поведение называется когерентностью – когда множество источников звучат в унисон. Вот так и в лазере. Если в лампочке каждый атом вещества «звучит» (то есть излучает) сам по себе, то в лазере они излучают когерентно, то есть в унисон – на одной и той же частоте и в одну и ту же сторону. Поэтому и получается излучение таким же сильным при меньшей потребляемой мощности.
Но с обычными лазерами все понятно – их специально готовят так, чтобы в них наблюдалось когерентное излучение. Так же, как военные заранее обучаются маршировать в ногу. Но откуда лазеры могут возникнуть в космосе?
Представьте, что вы приходите на Красную площадь, и там, как обычно, бродят туристы, но теперь они все шагают в ногу и говорят стройным хором. Выглядит невероятно. |
Оказывается, и это было теоретически предсказано еще в 1967 году пионером советской лазерной физики Владиленом Степановичем Летоховым, лазер возможен и в так называемых случайных (или, вернее, в случайно-неоднородных) средах.
В случайно-неоднородных средах, однако, свет испытывает небольшие отклонения – то, что принято называть рассеянием. И вот если таких отклонений много, то получается, что свет «бродит» в среде очень долго, постепенно усиливаясь, как и в обычном лазере, где долгое пребывание света в усиливающей среде достигается за счет использования резонатора. Такие беззеркальные лазеры получили название «случайных» (random lasers), и, по гипотезе Летохова, именно их и наблюдают астрономы в окрестностях далеких звезд.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, необходимо было, однако, для начала получить случайный лазер в земных условиях. Это оказалось непростой задачей. Ее решили только в 1986 году – и опять советские физики в Институте радиотехники и электроники АН СССР в группе В. М. Маркушева. В качестве лазерной среды Маркушев использовал специальные порошки. Но все-таки порошки по своим качествам довольно сильно отличаются от космического газа, в котором предположительно и возникают естественные случайные лазеры. И вот в газе до недавнего времени получить случайный лазер не удавалось никому.
В случайно-неоднородных средах, однако, свет испытывает небольшие отклонения – то, что принято называть рассеянием. И вот если таких отклонений много, то получается, что свет «бродит» в среде очень долго, постепенно усиливаясь, как и в обычном лазере, где долгое пребывание света в усиливающей среде достигается за счет использования резонатора. Такие беззеркальные лазеры получили название «случайных» (random lasers), и, по гипотезе Летохова, именно их и наблюдают астрономы в окрестностях далеких звезд.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, необходимо было, однако, для начала получить случайный лазер в земных условиях. Это оказалось непростой задачей. Ее решили только в 1986 году – и опять советские физики в Институте радиотехники и электроники АН СССР в группе В. М. Маркушева. В качестве лазерной среды Маркушев использовал специальные порошки. Но все-таки порошки по своим качествам довольно сильно отличаются от космического газа, в котором предположительно и возникают естественные случайные лазеры. И вот в газе до недавнего времени получить случайный лазер не удавалось никому.
Получилось у французов, и теперь их работа должна дать толчок в исследовании подобных систем. Главное же, что у ученых появились возможности для создания новых искусственных источников света с уникальными свойствами. А это претендует на небольшую технологическую революцию. |
Дело в том, что создание и настройка оптического резонатора в обычном лазере – процесс зачастую непростой, требующий больших временных затрат и потому приводящий к удорожанию всей системы. Так, например, для создания популярных сейчас диодных лазеров хорошего качества в силу их малого размера требуется применение сверхточных методов создания резонаторов. Случайные лазеры лишены подобных недостатков просто по причине того, что в них резонатор отсутствует. Это делает их изготовление более дешевым и технологически простым.
Кроме того, из них можно получать излучение самых разных цветов, в то время как в обычных лазерах цвет обычно жестко задан используемой средой. Отсутствие резонатора обычно означает и то, что случайный лазер светит ни в каком-то одном направлении, а сразу в большой угол – в пределе во все стороны. Это свойство вкупе с изменяемым цветом делает случайные лазеры идеальным кандидатом для источника света в дисплеях.
А еще необычное для лазерных сред свойство случайных лазеров в том, что их можно создавать в виде суспензий, которые потом годятся для покрытия поверхности произвольной формы. Подобным образом можно создавать иллюминацию, например, прямо на дорогах или на автомобилях, кораблях и самолетах. Запатентована даже идея использовать такие лазеры для систем распознавания «свой-чужой».
Важно, что свойства случайного лазера сильно зависят от температуры. Зависимость так сильна, что относительно небольшое изменение температуры может перевести лазер из неработающего состояния в режим генерации. Эта особенность позволит в перспективе использовать случайные лазеры в качестве чувствительных термодатчиков, в том числе и в «диких» условиях, когда возможен только визуальный контроль датчика с большого расстояния. Или же такие лазеры можно использовать для покрытия поверхности стекла, чтобы менять его цвет и соответственно пропускные способности в зависимости от времени года.
Случайные лазеры начали интенсивно изучать совсем недавно – каких-то 10–20 лет – для науки период совсем небольшой. И конечно, вопросов все еще больше, чем ответов. Так, например, только недавно была решена проблема получения излучения одного заданного цвета. Обычно же случайные лазеры даже если и светят только одним цветом, то этот цвет случаен и его не всегда легко изменить.
Кроме того, из них можно получать излучение самых разных цветов, в то время как в обычных лазерах цвет обычно жестко задан используемой средой. Отсутствие резонатора обычно означает и то, что случайный лазер светит ни в каком-то одном направлении, а сразу в большой угол – в пределе во все стороны. Это свойство вкупе с изменяемым цветом делает случайные лазеры идеальным кандидатом для источника света в дисплеях.
А еще необычное для лазерных сред свойство случайных лазеров в том, что их можно создавать в виде суспензий, которые потом годятся для покрытия поверхности произвольной формы. Подобным образом можно создавать иллюминацию, например, прямо на дорогах или на автомобилях, кораблях и самолетах. Запатентована даже идея использовать такие лазеры для систем распознавания «свой-чужой».
Важно, что свойства случайного лазера сильно зависят от температуры. Зависимость так сильна, что относительно небольшое изменение температуры может перевести лазер из неработающего состояния в режим генерации. Эта особенность позволит в перспективе использовать случайные лазеры в качестве чувствительных термодатчиков, в том числе и в «диких» условиях, когда возможен только визуальный контроль датчика с большого расстояния. Или же такие лазеры можно использовать для покрытия поверхности стекла, чтобы менять его цвет и соответственно пропускные способности в зависимости от времени года.
Случайные лазеры начали интенсивно изучать совсем недавно – каких-то 10–20 лет – для науки период совсем небольшой. И конечно, вопросов все еще больше, чем ответов. Так, например, только недавно была решена проблема получения излучения одного заданного цвета. Обычно же случайные лазеры даже если и светят только одним цветом, то этот цвет случаен и его не всегда легко изменить.
Но запомнить этот термин точно стоит: случайные лазеры рано или поздно окажутся нашими совсем не случайными, каждодневными бытовыми спутниками.
