Що таке світло і чим лазер відрізняється від ліхтарика

Чи замислювалися ви колись над тим, чим лазер відрізняється від звичайного ліхтарика? Відповідь на це запитання потребує невеликого історичного екскурсу і заглиблення в поняття, що таке світло. Цим ми наразі й займемося.

Що таке світло?

16 травня з ініціативи ООН відзначається Міжнародний день світла. Дата ця не випадкова.  У 1960 році саме в цей день Теодор Мейман вперше продемонстрував роботу твердотільного лазера. Можна було б спитати, а чому для цього не обрати день винайдення електричної лампи чи ліхтарика на її основі? Відповідь впирається у зустрічне: а чим взагалі ліхтарик відрізняється від лазера? Чи можна назвати лазер ліхтариком? І що взагалі таке світло? Отже, почнімо з останнього.

Природа світла цікавила людей із давніх-давен. Ще давньогрецький філософ Емпедокл у V столітті до н. е. оперував поняттями променів і джерел, з яких вони виходять. За два століття по тому Евклід математично описав закони відбиття світла, а ще пізніше Птолемей дослідив явища його заломлення.

Але ніхто не міг пояснити, з чого складаються промені від Сонця чи зір, які ми бачимо. Тільки у 77 році до н. е. давньоримський автор Лукрецій припустив, що світло є потоком частинок, які взаємодіють із нашими очима. Проте інші античні автори не поспішали з ним погоджуватися.

Думка ця стала популярною тільки наступного тисячоліття, причому першими почали її розділяти  індійські й арабські, а не європейські науковці.

Хай там як, а до XVII століття теорія про світло як потік якихось дуже маленьких частинок (корпусул) вже панувала і в європейській науці. Були вже навіть проведені перші експерименти, які підтверджували це. Але потім Франческо Гримальді відкрив явища інтерференції та дифракції світла, і це означало, що світло є хвилею — коливанням, яке поширюється в середовищі, що заповнює весь простір і яке тоді називали ефіром. Протягом наступних трьох століть провели численні експерименти: одні з них однозначно підтверджували, що світло є частинкою, тоді як інші не менш переконливо доводили, що воно — хвиля.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Суперечка про природу світла була однією з наймасштабніших у світовій історії. Вона закінчилася тільки на початку ХХ століття. Спочатку дослідження внутрішньої будови атома призвели до  виникнення уявлення про те, що електрон час від часу поводить себе не тільки як частинка, але і як хвиля. 

Потім Альберт Ейнштейн на основі цих теорій пояснив фотоефект — явище, за якого світло, потрапляючи на певні матеріали, спричиняє виникнення електричного струму в приєднаному до них замкненому колі. Саме на цьому явищі сьогодні ґрунтується робота сонячних панелей і датчиків руху на фотоелементах.

Так ось, Ейнштейн пояснив фотоефект таким чином: електрон може обертатися навколо ядра атома не по довільних орбітах, а лише по певних, а різниця між ними відповідає чітко визначеним порціям енергії — квантам. Саме такий квант енергії електрон поглинає під час зіткнення з частинкою світла. Якщо після цього він переходить у достатньо збуджений стан, то починає переміщуватися від атома до атома. Так виникає електричний струм.

Цікаво, що в оригінальних статях Ейнштейна,1905–1917 років відсутня сучасна назва частинки — фотон. Її запропонував у 1926 році Гілберт Льюїс. У самого ж Ейнштейна йдеться саме про квант світла.

І саме розуміння частинки світла як кванта вирішило давню суперечку про його природу. Насправді фотону, як і всім іншим елементарним частинкам, притаманний корпускулярно-хвильовий дуалізм. Тобто вони можуть мати імпульс і траєкторію руху, як куля, і водночас частоту та амплітуду, як хвиля в океані.

При цьому енергія фотона залежить від його частоти, але не від амплітуди. І не від маси, якої у нього просто немає. Саме завдяки останньому факту у вакуумі фотони завжди рухаються з максимально можливою у нашому Всесвіті швидкістю: 299 792 458 м/с. Її ми й називаємо швидкістю світла.

Видиме світло

Особливість фотона полягає ще й у тому, що він сам по собі не має заряду, однак при цьому є переносником електромагнітної взаємодії. Власне, видиме світло — це лише невелика ділянка електромагнітного спектра, який простягнувся від радіохвиль до гамма-випромінювання.

Не дивно, що фотон позначають так само, як і найжорсткіший вид радіації — грецькою літерою γ. Зрештою, це ті самі частинки, тільки з різними енергіями. Як-от інфрачервоне та ультрафіолетове світло.

Навіть Сонце випромінює фотони у дуже широкому спектрі. Просто найнебезпечнішу його частину «відсікають» магнітне поле та озоновий шар нашої планети. А з того, що залишається, ми сприймаємо як світло тільки фотони з довжинами хвиль від 400 до 780 нм. Тобто навіть те, що ми бачимо, насправді є сукупністю частинок різної частоти, бо ця характеристика є оберненою до довжини хвилі.

У цьому можна легко переконатися, спостерігаючи, як світло розкладається на спектр. У природі цей процес відбувається достатньо часто і найрозповсюдженішим його проявом є той, що виникає завдяки численним краплям води, що висять високо в небі. Його ми називаємо веселкою.

Розкладання світла у спектр відбувається також у різних ємностях із водою. Однак зазвичай це робиться цілеспрямовано за допомогою призм. Весь фокус полягає в тому, щоб завдяки відбиванню і заломленню змусити частинки, які до того рухалися разом, виходити під різним кутом. Їх ми й сприймаємо як різні кольори.

Наш кольоровий зір відносно предметів, що нас оточують, працює схожим чином. Коли предмет поглинає всі фотони видимої ділянки спектра, крім невеликої смуги, в якій вони відбиваються, ми бачимо це все як певний колір. 

З кольоровим  світлом, яке отримують за допомогою прозорого середовища, як, наприклад, у випадку вітражів, усе схоже, тільки трошки не так. Там матеріал також поглинає більшу частину видимого спектра, але решту не лише відбиває, а й пропускає крізь себе.

Джерела світла

Як тільки люди розібралися з тим, що таке світло, вони замислилися над більш досконалими способами його отримання. Історично найпоширенішим було його отримання завдяки нагрітому тілу чи газоподібним продуктам екзотермічної реакції. Тепло — це також прояв електромагнітної взаємодії, переносниками якої є фотон.

У випадку з відкритим полум’ям це не так очевидно, адже для цього треба зрозуміти, що спочатку реакція горіння породжує згущення розжареного газу (полум’я), а вже воно випромінює фотони. Оскільки обмін енергією між електронами та ядрами атомів у ньому відбувається хаотично, частинки світла там мають різні частоти й енергії.

Будь-яке достатньо нагріте тіло випромінює фотони. Ось тільки не кожен фотон має частоту, що потрапляє в діапазон видимого світла. Ілюстрацією цього є інфрачервоні камери-тепловізори. Їхня «магічна» здатність бачити у темряві — це  всього лише вловлювання низькочастотних фотонів і  переведення отриманого зображення у видимий формат.

Інший випадок — розжарювання металу до стану світіння. Зазвичай при цьому спостерігається саме червоний колір. Причина в тому, що чим сильніше нагрівається тіло, тим більше зростає частота випромінюваних фотонів. І перший колір видимого діапазону, який вони зустрічають на своєму шляху, — саме червоний. Для того щоб отримати інші, треба розігріти матеріал для температури, за якої більшість металів плавиться чи вступає в реакцію з газами атмосфери.

Але люди знайшли спосіб обійти це обмеження ще до того, як Ейнштейн обґрунтував квантову природу світла. Рішенням стала вольфрамова нитка, що є частиною електричного кола й розміщена у скляній вакуумній колбі. Цей пристрій отримав назву лампи розжарювання, і ще недавно саме вона була найпоширенішим способом освітлення осель. 

Найцікавіше у цьому способі те, що через його недосконалість спектр фотонів, які народжуються при пропусканні через нитку розжарювання електричного струму, трохи зміщений у червоний бік у порівнянні із сонячним світлом. Але ми настільки звикли до цієї його особливості, що називаємо таке світло «теплим ламповим».

Проте зараз ми користуємося освітлювальними приладами, які працюють на більш енергоефективних світлодіодах. Бо лампа розжарювання тому так і називається, що вона більшу частину своєї енергії все ще випромінює в інфрачервоному спектрі, що освітленню приміщень не сприяє.

Секрет енергоефективності світлодіодів полягає в тому, що фотони в них випромінюються не через збуджений стан атомів, а внаслідок переходу електронів між напівпровідниками різних типів. При цьому характер переходу визначається складом цих речовин. Енергія отриманих фотонів завжди та сама і, як наслідок, світло виходить одного кольору.

Парадокс у тому, що «білим сонячним», наприклад, при увімкненні ліхтарика, воно бути не  може. Бо, як вже згадувалося, сонячне світло саме по собі є сукупністю різних довжин хвиль.

Тому насправді жоден світлодіод не є по-справжньому білим. Зазвичай це або синій світлодіод, вкритий жовтим люмінофором, який сам світиться жовтим, і разом вони створюють потрібний колір, або ж комбінація трьох окремих світлодіодів — червоного, синього та зеленого, які в поєднанні дають той самий ефект.

То до чого тут лазер?

Виникає питання, а чи можливо взагалі створити джерело світла, яке породжувало б максимально чисті електромагнітні коливання довільної частоти. Відповідь на нього — лазер, а точніше — принцип вимушеного випромінювання фотонів, який лежить у його основі.

Усі описані досі джерела світла  випускали фотони пасивно, як побічний продукт якихось інших процесів. Але ще сам Ейнштейн ще у 1916 році припустив, що можна примусити електрони масово випромінювати фотони просто за рахунок того, що вони переходять з однієї орбіти на іншу.

Щоб це відбувалося стабільно, важливо, аби більшість атомів у певному об’ємі перебували у збудженому стані. Крім того, необхідно огорнути середовище, в якому відбувається процес, дзеркальною поверхнею, що відбиватиме фотони. Завдяки цьому їхня кількість у генераторі буде постійно множитися, після чого достатньо залишити для них єдиний вузький отвір, який і створить промінь інтенсивного випромінювання.

Особливістю такої системи є те, що, як і у випадку зі світлодіодами, всі випромінені фотони мають однакову частоту. Проте між ними існує суттєва різниця. Спонтанне випромінювання у напівпровідниках відбувається без узгодження за фазою та напрямком. Натомість у лазерному промені всі електромагнітні коливання ідеально накладаються одне на одне. Ця властивість називається когерентністю, і саме вона є головною відмінністю лазера від усіх інших джерел світла.

Пам’ятаєте, із чого починалося вивчення світла? З променів. Але промені від всіх джерел світла з відстанню поступово розходяться вусібіч і на певній відстані перетворюються на велику пляму. А ось із лазерами завдяки когерентності це відбувається набагато-набагато повільніше.

Саме тому їх і використовують як указки. І ідея променевої зброї теж заснована на цьому, а також на тому факті, що накачуванням середовища можна створити дійсно багато фотонів. А велика щільність фотонів на одиницю площі перерізу променя — це величезна енергія, яка передана матеріалу.

По суті, саме лазер є найдосконалішим джерелом світла, створеним людьми. Не дивно, що саме дату першої його демонстрації ООН обрала як день світла. Адже повну владу над цим загадковим  явищем, про природу якого людство сперечалося століттями, ми отримали саме тоді.