0:00 в современном мире вряд ли можно найти человека который не слышал бы о лазерах или даже хотя бы раз в жизни не пользовался этими удивительными устройствами хотя бы в качестве начинки для лазерного принтера или в устройствах для считывания штрихкода в супермаркете секрет столь большой популярности лазеров в их способности создавать крайне концентрированные пучки световой энергии прекрасно локализованные как в пространстве так и во времени Благодаря этой способности лазеры оказываются крайне мощными и одновременно гибкими инстру ми воздействия на окружающий мир с их помощью можно обрабатывать материалы с недостижимой ранее точностью и аккуратностью проводить сложнейшие хирургические операции не затрагивающие соседние ткани и органы передавать информацию и энергию почти без потерь на громадные расстояния А основанные на той
0:47 же лазерной технологии оптические пинцеты позволяют учёным управляться с отдельными молекулами или даже частями крупных молекул таких как ДНК но Каким образом с помощью лазеров добиваются столь плотной упаковки отдельных фотонов в концентрированный И притом крайне однородный световой поток происходит это благодаря явлению так называемого вынужденного светового излучения собственно само название лазер является акроним от английского словосочетание Light amplification by simulated emission of radiation усиление Света посредством вынужденного излучения для начала скажем пару слов о том Каким образом и при каких условиях атом вообще может излучать свет как известно любой атом представляет собой достаточно
1:34 сложную квантово-механическая монго ядра и отрицательно заряженных электронов связанных с этим ядром силами электрического притяжения часто электроны изображают вращающимися вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца однако Это с детства привычная иллюстрация неправильна в самой своей сути технически там в атоме ничего ни вокруг чего не вращается Да и вообще с точки зрения квантовой физики будет не совсем правильно говорить о том что Электрон как-то движется относительно ядра более корректно будет говорить что Электрон находится где-то внутри области пространства специфической формы и размера которую ещё называют электронным облаком или орбиталь при этом формы и размеры орбиталей зависят от энергии атома вообще и его электронов в
2:19 частности определённым дискретным образом иными словами Электрон в атоме может иметь лишь определённое значение энергии каждому из которых будет соответствовать орбиталь формы эти значения энергии атома ещё называют энергетическими уровнями в подавляющем большинстве случаев электроны в атоме пребывают на минимально возможном энергетическом уровне говорят что атом находится в основном состоянии Однако если мы сообщим атому энергию в точности равную разнице в энергиях между основным состоянием и каким-то более высоким энергетическим уровнем то атом поглотит эту энергию которая Сообщи электрону тот перейдёт на более высокую Орбита или более высокий энергетический уровень говорят что атом оказался в возбуждённом
3:05 состоянии возбуждённое состояние нестабильно и через несколько миллионных долей секунды Электрон Возвращается на прежний уровень а атом отдаёт поглощён ную энергию обратно в окружающую среду ровно в том же количестве в котором он её поглотил необходимое для перевода атомов возбуждённое состояние энергия может быть подведена к нему различными способами например это может быть просто ти вая энергия то есть кинетическая энергия движения атома в веществе которая выделяется при неупругом соударении атома с другими атомами на определённых скоростях А вот высвобождение энергии происходит как правило в виде излучения фотона электромагнитного излучения энергия этого фотона как мы уже говорили выше определяется разницей между значениями энергии возбуждённого и основного
3:52 состояний которое зависит от вида атомов то есть от химического состава вещества Ну а энергия фотона в свою очередь непосредственно связана с частотой и длиной соответствующей электромагнитной волны по старой доброй планковское формуле Откуда можно сделать вывод цвет или более строго говоря длина волны излучения которое производят атомы при переходе из возбуждённого в основное состояние однозначно определяется структурой их электронных уровней то есть видом атома верно и обратное Если выстрелить в находящейся в основном состоянии атом фотоном со вполне определённой энергией то атом поглотит этот Фотон и перейдёт в возбуждённое состояние это явление открытое ещё в XIX веке киргородок
4:41 анализ в рамках которой химический состав веществ можно определить даже не контактируя с этими веществами непосредственно а Изучая Спектр их пламени или то как пары этих веществ поглощают свет различных длин волн Ну а ещё раньше задолго до рго и появления сов физики Как таковой это же явление использовали при создании фейерверков создатели которых научились получать цветное пламя путём добавления в огонь различных веществ к примеру добавление к горючей среде солей натрия окрашивает пламя в жёлтый цвет соединение меди придают пламени зелёную окраску цезий заставляет огонь краснеть и так далее явление спонтанного излучения широко используется в осветительных приборах например в газоразрядных лампах где
5:27 Атомы и молекулы переводятся в возбуждённое состоя электромагнитным полем а затем сбрасывают возбуждение излучая свет или невидимое глазу электромагнитные волны в других частях Спектра такое излучение может быть достаточно ярким Однако той плотности энергии и её направленности которая характерна для лазерных лучей таким образом не добиться ведь каждый конкретный атом переходит в возбуждённое а затем и обратно в основное состояние сам по себе не Советуясь с соседями Да и излучаются электромагнитные волны в случайных направлениях Однако оказалось что помимо спонтанного излучения существует родственный Но при этом весьма отличающийся по внешним проявлениям процесс то самое вынужденное излучение к которому Мы обязаны работой
6:12 лазеров оно возникает тогда когда в уже находящийся в возбуждённом состоянии атом врезается ещё один Фотон такой же энергии которая нужна для перехода из основного возбуждённое состояние и Вот в такой ситуации происходит нечто весьма интересное атом не то то не поглощает влетевший в него Фотон но и немедленно высвобождает запасенную энергию порождая Фотон который оказывается совершенно идентичным тому который вот сейчас в него влетел по всем своим характеристикам включая энергию импульс то есть частоту и направление распространения Ну а теперь представим себе что таких возбуждённых атомов в веществе множество получается что наш изначальный Фотон пролетая через составленное из таких возбуждённых атомов вещество вызывает что вроде
7:00 цепной реакции практически мгновенного высвобождения запасённой в атомах энергии экой фотонное или если угодно фотонного взрыва за краткий промежуток времени первичный Фотон многократно копируется атомами вещества А значит энергия светового пучка столь же многократно увеличивается то есть происходит то самое усиление Света посредством вынужденного излучения вместо одного-единственного фотона мы имеем целый Рой совершенно одинаковых квантов света летящих в одном и том же направлении и всё что для этого нужно - это среда состоящая из большого количества атомов в возбуждённом состоянии но в том-то и дело что получить такую среду оказывается не так-то и просто да мы знаем массу
7:45 способов перевода атомов в возбуждённое состояние Однако как мы уже говорили выше атомы отказываются находиться в этом состоянии долго и добросовестно ждать пока мимо них пролетит Фотон инициатор вместо этого они склонны сбрасывать поглощён ную энергию через ничтожно малые промежутки времени посредством спонтанного излучения и снова возвращаться в основное состояни в результате в каждый момент времени лишь небольшое количество атомов будут находиться в возбуждённом состоянии тогда как основная их масса будет пребывать в основном состоянии Ну а врезавшись такой основной атом наш Фотон инициатор не только не удвоится но и вообще исчезнет поглотив этим атомом усилением интенсивности накачки энергии в систему проблему не решить всё чего мы добьёмся таким образом - Это увеличим
8:33 количество актов спонтанного поглощения и высвобождения энергии в единицу времени то есть лучшее что мы сможем получить - это очень яркую газоразрядной лавины фотонов и усиления света при прохождении его через вещество то есть лазерного эффекта наблюдаться не будет для того чтобы обмануть природу и всё-таки добиться требуемого результата идут на хитрость поверга Гая накачки вещества со специфической структурой энергетических уровней где между основным состоянием с энергией е0 и возбуждённым состоянием с энергией Е1 существует ещё и некоторое промежуточное состояние с энергией Е2 больше чем у основного состояния но меньше чем у состояния Е1 материал подбирают так
9:19 чтобы время жизни в состоянии Е2 было как можно большим иногда оно оказывается в тысячи и даже сотни тысяч раз большим чем время жизни атома в состоянии е один поэтому уровень Е2 ещё называют метастабильное состоянием в процессе накачки через среду её ещё называют рабочим телом лазера пропускают фотоны с энергией равной Е1 - e0 поглощая её атомы вещества переходят в состояние Е1 после чего спустя небольшое время спонтанно переходят в состояние Е2 теряя часть полученной энергии желательно Как можно меньшую важно отметить что атомы в состоянии Е2 уже не реагируют на фотоны накачки с энергией E1 - e0 так как для них эта энергия больше не соответствует Никакому внутреннему энергетическому
10:05 переходу такие фотоны поглощаются лишь атомами в основном состоянии е0 ещё через некоторое время атомы самопроизвольно переходят из состояния Е2 в состоянии е0 Однако Так как время жизни в состоянии Е2 существенно выше чем в состоянии Е1 то скорость этого процесса будет соответственно ниже и в веществе подвергаемого накачке будет происходить постепенно пление атомов в состоянии Е2 если мы Всё рассчитали правильно то со временем таких атомов окажется даже больше чем атомов в состоянии е0 физики говорят что удалось добиться инверсной населённости энергетических уровней Если же мы теперь запустим в среду с инверсной населённость энергетических уровней Фотон с энергией Е2 - e0 то находящееся
10:52 в состоянии Е2 атомы коих там большинство будут массово высвобождать накопленную энергию что и будет приводить к усилению светового потока при его прохождении через вещество тому самому лазерному эффекту Точнее по факту даже запускать никакие фотоны никуда не надо инициирующие фотоны появятся в веществе сами собой за счёт спонтанных переходов с Е2 на е0 А когда в среде будет достигнуто состояние инверсной населённости то есть образуется достаточное количество атомов в метастабильное образуется фотонная лавина то есть всё что на нам нужно это рабочее тело из вещества обладающего соответствующей картой энергетических уровней и Достаточно мощный источник энергии для осуществления накачки например обычная
11:40 Ну достаточно мощная газоразрядная лампа или светодиод производящие фотоны с энергией Е1 - e0 как только насос для накачки энергии создаст в рабочем теле инверс ную населённость процесс клонирования фотонов запустится сам собой и наш лазер заработает Осталось решить лишь последнюю проблему в качестве инициирующих фотонов мы используем фотоны случайно возникающие в результате спонтанных переходов с уровня Е2 на уровень Е1 очевидно что эти фотоны будут излучаться в случайных направлениях и вместо одного пучка клонированных фотонов мы получим большое количество стае фотонов близнецов распространяющихся в разных направлениях но это не то ради чего мы всё это затевали нам не нужно множество стае Нам нужен один мощный Рой фотонов настоящая
12:28 армия кло выход один нужно внедрить в нашу систему некий аналог естественного отбора который будет следить за тем чтобы клонировали лишь те фотоны которые будут распространяться в нужном нам направлении добиваются этого посредством создания так называемого оптического резонатора в простейшем случае он будет представлять собой два зеркала установленных по краям нашего рабочего тела одно из этих зеркал будет полностью непрозрачным другое полупрозрачным отражающим часть фотонов и пропускаю другую часть фотоны распространяющиеся в веществе в направлении отличном от прямой перпендикулярной плоскостям зеркал быстро удаляются из системы и больше не будут участвовать в клонировании вместо них клонировать будут лишь фотоны летящие перпендикулярно обоим зеркалам часть
13:15 таких клонированных фотонов пролетит через полупрозрачное зеркало А они-то и образуют наш лазерный луч тогда как другая часть останется внутри рабочего тела так сказать на расплод летая туда-сюда между зеркалами они будут вызывать вынужденное излучение в среде с инверсной населённость пополняя наш исходящий световой пучок всё новыми и новыми порциями энергии то есть обеспечивая работу лазера схема которую мы описали выше достаточно точно описывает устройство самых первых лазеров в которых в качестве рабочего тела использовались искусственные рубины то есть кристаллы оксида алюминия легированного Хрома такие лазеры давали тёмно-красный цвет рабочая длина волны их была равна 694 нмт лазеры в которых рабочим телом является твёрдый Кристалл
14:01 широко встречаются и сегодня помимо рубинов применяют также сапфиры Или например неодимовое стекло широкое применение нашли лазеры в которых в качестве рабочего тела применяются газы например Аргон ксенон гелий азот углекислый газ и другие в таких лазерах накачка чаще всего осуществляется не посредством облучения рабочего тела фотонами а путём создания внутри него мощных электрических полей применяются также жидкостные лазеры например так называемые лазеры на органических красителях позволяющие легко оперировать частотой генерируемого излучения такие лазеры которые способны точечно воздействовать на те или иные вещества например отдельные белки нашли широкое применение в медицине наконец наиболее простым в изготовлении и дешёвым
14:46 вариантом являются так называемые полупроводниковые лазеры например лазерные диоды большая часть миниатюрных лазеров которые можно приобрести в интернете относятся именно к ним Ну и Если вам понравилось это видео то не забудьте подписаться на канал Кроме того Вы можете помочь нашему проекту став его спонсором здесь на тубе или на страничке в бусте ссылку на которую я оставлю в описании
