«Наука онлайн»: драгоценные элементы, голограммы и мечи джедаев

«Наука онлайн»: драгоценные элементы, голограммы и мечи джедаев

10 апреля сотрудники Информационного центра по атомной энергии (ИЦАЭ) Владимира провели очередную трансляцию в рамках проекта «Наука онлайн» – серии интервью с местными учёными, где эксперты отвечают на вопросы участников, заданные в группе ИЦАЭ «ВКонтакте».

Четвёртым гостем специального выпуска «Науки онлайн» стал Антон Осипов, научный сотрудник Института проблем лазерных и информационных технологий РАН, начинавший свою научную деятельность во Владимирском государственном университете им. А.Г. и Н.Г. Столетовых в качестве инженера-исследователя.

«Расшифровав название, можно понять принцип работы лазеров. «Laser» – аббревиатура-акроним от light amplification by stimulated emission of radiation, что дословно переводится на русский язык как «усиление света посредством вынужденной генерации»», – начал с пояснения эксперт.

В качестве примера он рассмотрел классический лазер на рубине, созданный Теодором Мейманом ещё в 1960-м году. «Лазерщиков можно назвать честолюбцами – у них все активные элементы из драгоценных материалов, например, рубина, сапфира, александрита или хризоберилла», – пошутил Антон.

Физик добавил, что для получения образца генерирующего лазера необходимы, как минимум, три составляющие: лазерная накачка, лазерная активная среда и резонатор. Лазерная накачка нужна для запуска генерации. В рубиновом лазере роль накачки выполняет ксеноновая лампа, освещающая активный элемент классическим вспышками, благодаря чему атомы хрома начинают приходить в возбуждённое состояние.

«Рубин был выбран неспроста – он оптимален как с позиции теплопроводности, так и с позиции прозрачности для более широкого спектра, благодаря чему вся накачка идёт в атомы хрома. Электроны в процессе «вылетают» на соседнюю, более дальнюю от ядра атома орбиталь, и, так как это состояние нестабильно, затем спонтанно возвращаются. И каждое возвращение такого электрона называется релаксацией. В процессе релаксации каждый из атомов выделяет фотон света», – рассказал Антон.

Для получения лазерного луча нужно поместить активный элемент в резонатор, представляющий собой два плоских параллельных зеркала, расположенных по классической схеме Фабри-Перо, которая позволяет фотонам отражаться и проходить многократно через активный элемент.

«Раньше была цель создать самый мощный лазер и возводились аппараты мощностью порядка 100 кВт, с апертурой (диаметр пучка) около метра. Но основная цель на сегодня – создавать специальное оборудование, приносящее пользу на практике в разных отраслях», – считает Антон.

Лазерные технологии широко применяются на технологических этапах производства: в процессе резки, сварки, наплавки, легирования и закалки. Также часто лазеры используются в лидарах – лазерных дальномерах, используемых для замера натяжных потолков, окон. В тренде и лазерное спекание порошков и создание готовых объектов, которые потом могут быть использованы в ответственных деталях машиностроения.

Также эксперт обратил внимание, что лазеры широко используются в медицине: от разных операций, например, эндоскопического удаления камней в почках, до косметических процедур.

«Для хирургии нужна одна длина волны, хорошо поглощаемая поверхностным слоем, а для лазерной эпиляции – другая.  В последнем случае подбирается длина волны, не затрагивающая поверхности кожи и воздействующая только на волосяные фолликулы. По такому же принципу сводятся татуировки. Однако делать татуировки посредством лазера не рекомендуется – высока вероятность шрамирования», – пояснил эксперт.

Также Антон Осипов раскрыл принцип проведения одной из самых популярных лазерных операций – коррекции зрения: «При удалении около роговицы малого эпителиального слоя реализуется такая схема, как подвод фокусировки через хрусталик на сетчатку глаза, которая позволяет нам нормально видеть».

Эксперт отметил, что лазерные технологии позволяют быстро и качественно калибровать изображение при наблюдении небесных объектов через большие телескопы: «Существует лазерный излучатель на расстояние порядка 90 км. Если направить непрерывный сигнал в атмосферу – создастся плазменное облако диаметром в 1 метр благодаря большому количеству в ней натрия. Это позволит быстро настроить телескоп именно в том направлении, куда мы планируем смотреть дальше, буквально за 30 секунд и в идеальном разрешении. Конечно, у телескопа «Хаббл», к примеру, более выгодная позиция – он не зависит от состояния атмосферы».

Антон убеждён, что для того, чтобы появились полноценные голограммы, как в фильмах «Бегущий по лезвию 2049», «Облачный атлас» и в космической киноэпопее «Звёздные войны», существующих лазерных технологий недостаточно. В настоящий момент можно лишь создать их оптическую иллюзию, например, с набором зеркал. Благодаря такой иллюзии стали возможны концерты выдуманных персонажей, а также звёзд музыкальной индустрии, давно покинувших этот мир. А в Китае придумали использовать фемтосекундное лазерное излучение, позволяющее не только видеть, но и осязать голографическое изображение.

Также эксперт отметил невозможность существования мечей джедаев в том виде, как это показано на большом экране: «Лазерный луч либо неограничен, либо невидим. Помимо этого, чтобы такой меч был хоть сколько-нибудь опасен для человека, необходим огромный источник энергии, а два таких меча не будут взаимодействовать между собой, тем более с красивыми визуальными эффектами. А если предположить, что материалом для таких мечей служат не лазеры, а плазма – они были бы слишком горячими и нестабильными».