Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, чем лазер отличается от обычного фонарика? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно совершить небольшой исторический экскурс и разобраться в том, что такое свет. Именно этим мы сейчас и займемся.
Что такое свет?
16 мая по инициативе ООН отмечается Международный день света. Эта дата выбрана не случайно. В 1960 году именно в этот день Теодор Мейман впервые продемонстрировал работу твердотельного лазера. Можно было бы спросить: а почему для этого не выбрать день изобретения электрической лампы или фонарика на ее основе? Ответ упирается во встречный вопрос: а чем вообще фонарик отличается от лазера? Можно ли назвать лазер фонариком? И что вообще такое свет? Итак, начнем с последнего.
Природа света интересовала людей с незапамятных времен. Еще древнегреческий философ Эмпедокл в V веке до н. э. оперировал понятиями лучей и источников, из которых они исходят. Два века спустя Евклид математически описал законы отражения света, а еще позже Птолемей исследовал явления его преломления.
Но никто не мог объяснить, из чего состоят лучи Солнца или звезд, которые мы видим. Только в 77 году до н. э. древнеримский автор Лукреций высказал предположение, что свет представляет собой поток частиц, взаимодействующих с нашими глазами. Однако другие античные авторы не спешили с ним соглашаться.
Мнение это стало популярным только в следующее тысячелетие, причем первыми начали его разделять индийские и арабские, а не европейские ученые.
Как бы там ни было, к XVII веку теория о свете как потоке каких-то очень мелких частиц (корпускул) уже господствовала и в европейской науке. Были даже проведены первые эксперименты, подтверждавшие это. Но затем Франческо Гримальди открыл явления интерференции и дифракции света, и это означало, что свет является волной — колебанием, распространяющимся в среде, заполняющей все пространство и называвшейся тогда эфиром. В течение следующих трех столетий были проведены многочисленные эксперименты: одни из них однозначно подтверждали, что свет является частицей, тогда как другие не менее убедительно доказывали, что он — волна.
Корпускулярно-волновой дуализм
Спор о природе света был одним из самых масштабных в мировой истории. Она окончилась только в начале ХХ века. Сначала исследования внутреннего строения атома привели к возникновению представления о том, что электрон время от времени ведет себя не только как частица, но и как волна.
Затем Альберт Эйнштейн на основе этих теорий объяснил фотоэффект — явление, при котором свет, попадая на определенные материалы, вызывает появление электрического тока в подключенной к ним замкнутой цепи. Именно на этом явлении сегодня основана работа солнечных панелей и датчиков движения на фотоэлементах.
Итак, Эйнштейн объяснил фотоэффект следующим образом: электрон может вращаться вокруг ядра атома не по произвольным орбитам, а только по определенным, причем разница между ними соответствует четко определенным порциям энергии — квантам. Именно такой квант энергии поглощает электрон при столкновении с частицей света. Если после этого он переходит в достаточно возбужденное состояние, то начинает перемещаться от атома к атому. Так возникает электрический ток.
Интересно, что в оригинальных статьях Эйнштейна, написанных в 1905–1917 годах, отсутствует современное название частицы — фотон. Его предложил в 1926 году Гилберт Льюис. У самого же Эйнштейна речь идет именно о кванте света.
И само понимание частицы света как кванта решило давний спор о его природе. На самом деле фотону, как и всем другим элементарным частицам, присущий корпускулярно-волновой дуализм. То есть они могут иметь импульс и траекторию движения, как шар, и одновременно частоту и амплитуду, как волна в океане.
При этом энергия фотона зависит от его частоты, но не от амплитуды. Тем более не от массы, которой у него просто нет. Именно благодаря последнему факту в вакууме фотоны всегда двигаются с максимально возможной в нашей Вселенной скоростью: 299 792 458 м/с. Ее мы и называем скоростью света.
Видимый свет
Особенность фотона заключается еще и в том, что он сам по себе не имеет заряда, однако при этом является носителем электромагнитного взаимодействия. Собственно, видимый свет — это лишь небольшой участок электромагнитного спектра, простирающегося от радиоволн до гамма-излучения.
Неудивительно, что фотон обозначают так же, как и самый жесткий вид радиации — греческой буквой γ. В конце концов, это одни и те же частицы, только с разными энергиями. К примеру, как инфракрасный и ультрафиолетовый свет.
Даже Солнце излучает фотоны в очень широком спектре. Просто самую опасную его часть «отсекают» магнитное поле и озоновый слой нашей планеты. А из того, что остается, мы воспринимаем как свет только фотоны с длинами волн от 400 до 780 нм. То есть даже то, что мы видим, на самом деле представляет собой совокупность частиц различной частоты, поскольку эта характеристика обратно пропорциональна длине волны.
В этом можно легко убедиться, наблюдая, как свет разлагается на спектр. В природе этот процесс происходит достаточно часто, и наиболее распространенным его проявлением является то, что возникает благодаря многочисленным каплям воды, висящим высоко в небе. Его мы называем радугой.
Разложение света в спектр происходит также в разных емкостях с водой. Однако обычно это делается целенаправленно посредством призм. Весь фокус состоит в том, чтобы благодаря отражению и преломлению заставить частицы, которые до этого двигались вместе, выходить под разным углом. Их мы и воспринимаем как разные цвета.
Наше цветовое зрение в отношении окружающих нас предметов работает аналогичным образом. Когда предмет поглощает все фотоны видимой части спектра, за исключением небольшой полосы, в которой они отражаются, мы воспринимаем это как определенный цвет.
С цветным светом, получаемым с помощью прозрачной среды, как, например, в случае витражей, все похоже, только немного не так. Там материал также поглощает большую часть видимого спектра, но оставшуюся часть не только отражает, но и пропускает через себя.
Источники света
Как только люди разобрались с тем, что такое свет, они задумались о более совершенных способах его получения. Исторически наиболее распространенным было его получение благодаря нагретому телу или газообразным продуктам экзотермической реакции. Тепло — это также проявление электромагнитного взаимодействия, переносчиками которого является фотон.
В случае с открытым пламенем это не так очевидно, ведь для этого нужно понять, что сначала реакция горения приводит к сгущению раскаленного газа (пламени), а уже оно излучает фотоны. Поскольку обмен энергией между электронами и ядрами атомов в нем происходит хаотично, частицы света там имеют разные частоты и энергии.
Любое достаточно нагретое тело излучает фотоны. Вот только не каждый фотон имеет частоту, попадающую в диапазон видимого света. Иллюстрацией этого являются инфракрасные камеры-тепловизоры. Их «магическая» способность видеть в темноте — это всего лишь улавливание низкочастотных фотонов и преобразование полученного изображения в видимый формат.
Другой случай — нагрев металла до состояния свечения. Обычно при этом наблюдается именно красный цвет. Причина в том, что чем сильнее нагревается тело, тем больше возрастает частота излучаемых фотонов. И первый цвет видимого диапазона, который они встречают на своем пути, — именно красный. Для того чтобы получить другие цвета, нужно разогреть материал до температуры, при которой большинство металлов плавится или вступает в реакцию с газами атмосферы.
Но люди нашли способ обойти это ограничение еще до того, как Энштейн обосновал квантовую природу света. Решением стала вольфрамовая нить, которая является частью электрической цепи и протянута в стеклянной вакуумной колбе. Это устройство получило название лампы накаливания, и еще недавно именно она была самым распространенным способом освещения домов.
Самое интересное в этом способе то, что из-за его несовершенства спектр фотонов, возникающих при прохождении электрического тока через нить накала, немного смещен в красную область по сравнению с солнечным светом. Но мы настолько привыкли к этой его особенности, что называем такой свет «теплым ламповым».
Однако сейчас мы используем осветительные приборы, работающие на более энергоэффективных светодиодах. Ведь лампа накаливания потому так и называется, что большую часть своей энергии она по-прежнему излучает в инфракрасном спектре, что не способствует освещению помещений.
Секрет энергоэффективности светодиодов состоит в том, что фотоны в них излучаются не из-за возбужденного состояния атомов, а вследствие перехода электронов между полупроводниками разных типов. При этом характер перехода определяется составом этих веществ. Энергия полученных фотонов всегда та же, и, как следствие, свет получается одного цвета.
Парадокс в том, что «белым солнечным», например, при включении фонарика, оно быть не может. Ибо, как уже упоминалось, солнечный свет сам по себе является совокупностью разных длин волн.
Поэтому на самом деле ни один светодиод не является по-настоящему белым. Обычно это либо синий светодиод, покрытый желтым люминофором, который сам светится желтым, и вместе они создают нужный цвет, либо комбинация трех отдельных светодиодов — красного, синего и зеленого, которые в сочетании дают тот же эффект.
Так при чем здесь лазер?
Возникает вопрос: возможно ли вообще создать источник света, который генерировал бы максимально чистые электромагнитные колебания произвольной частоты. Ответ на него — лазер, а точнее — принцип вынужденного излучения фотонов, который лежит в его основе.
Все описанные до сих пор источники света выпускали фотоны пассивно, как побочный продукт каких-либо других процессов. Но еще сам Эйнштейн еще в 1916 году предположил, что можно заставить электроны массово излучать фотоны просто за счет того, что они переходят с одной орбиты на другую.
Чтобы этот процесс протекал стабильно, важно, чтобы большинство атомов в определенном объеме находились в возбужденном состоянии. Кроме того, необходимо окружить среду, где происходит процесс, зеркальной поверхностью, которая будет отражать фотоны. Благодаря этому их количество в генераторе будет постоянно умножаться, после чего достаточно оставить для них единственное узкое отверстие, которое и создаст луч интенсивного излучения.
Особенностью такой системы является то, что, как и в случае со светодиодами, все излучаемые фотоны имеют одинаковую частоту. Однако между ними существует существенная разница. Спонтанное излучение в полупроводниках происходит без согласования по фазе и направлению. Зато в лазерном луче все электромагнитные колебания идеально накладываются друг на друга. Это свойство называется когерентностью, и именно оно является главным отличием лазера от всех других источников света.
Помните, с чего начиналось исследование света? Из лучей. Но лучи от всех источников света с расстоянием постепенно расходятся во все стороны и на определенном расстоянии превращаются в большое пятно. А вот с лазерами благодаря когерентности это происходит намного-намного медленнее.
Именно поэтому их и используют в качестве указок. И идея лучевого оружия тоже основана на этом, а также на том факте, что накачкой среды можно создать действительно много фотонов. А большая плотность фотонов на единицу площади сечения луча — это огромная энергия, передаваемая материалу.
По сути, именно лазер является самым совершенным источником света, созданным людьми. Неудивительно, что именно дату первой его демонстрации Оон выбрала как день света. Ведь полную власть над этим загадочным явлением, о природе которого человечество спорило веками, мы получили именно тогда.
