В Китае создали лазерную ручку, которая пишет в воздухе. Как она работает?

Лазеры часто появляются в научно-фантастических фильмах и книгах. Благодаря такого рода историям мы ассоциируем подобные устройства с футуристическими войнами и космическими кораблями. Но удивительные технологии играют ключевую роль и в нашей повседневной жизни. Так, китайские ученые разработали лазер, который можно использовать, чтобы оставлять видимые символы в воздухе. Разбираемся, что такое лазер и чем его луч отличается от луча фонарика.

По словам Цао Сяндуна, главного научного сотрудника лаборатории, с помощью лазера можно рисовать в воздухе без бумаги и чернил. Он работает путем фокусировки высокоинтенсивных импульсов для создания плазмы или ионизированного газа, который излучает энергию в виде света. Другими словами, короткие импульсы превращают молекулы в свет и создают любой желаемый узор.

Ученые использовали 3D-сканер, чтобы расположить пиксельные точки так, чтобы они образовывали символы. Осветить воздух не так-то просто. Для этого плотность энергии лазеров обычно должна достигать 100 тераватт (триллион ватт) на квадратный сантиметр.

Из-за малой длительности импульсов мощность лазерной ручки может достигать миллиона мегаватт. Однако из-за того, что средняя входная мощность составляет всего несколько десятков ватт, лазер можно безопасно использовать в быту.

Представители лаборатории планируют применять новое устройство в различных передовых технологиях — квантовых вычислениях и процессе визуализации работы мозга.

Лазеры задействованы в удивительном ассортименте продуктов и технологий. Их можно найти всюду: от проигрывателей компакт-дисков до стоматологических боров, удаления татуировок, замены волос и хирургии глаза. «Лазер» — это аббревиатура от light amplification by stimulated emission of radiation («усиление света посредством вынужденного излучения»), которая очень кратко описывает принцип его работы.

Во Вселенной существует около 100 различных видов атомов. Все, что мы видим, состоит из них в неограниченном количестве комбинаций, которые формируют чашку, кусок металла или шипение газировки. Атомы постоянно находятся в движении: вибрируют, двигаются и вращаются. Уровень их возбуждения зависит от количества энергии, которая поглощается с помощью тепла, света или электричества. Электроны могут перемещаться с орбиты с более низкой энергией на орбиту с более высокой.

Это очень упрощенный взгляд на вещи, но он отражает основную идею о том, как работают атомы с точки зрения лазеров.

Как только электрон переходит на орбиту с более высокой энергией, он в конечном итоге хочет вернуться в основное состояние. Когда это происходит, он высвобождает энергию в виде фотона — частицы света. В такие моменты вы, например, смотрите телевизор: изображение на экране состоит из атомов люминофора, возбуждаемых высокоскоростными электронами, которые испускают свет разных цветов. Иначе говоря, лазер — это устройство, которое управляет тем, как возбужденные атомы испускают фотоны. Для эффективной работы необходимо иметь большое количество атомов в возбужденном состоянии.

Испускаемый свет лазера — монохроматический. Он содержит определенную длину волны, которая определяется количеством энергии, высвобождаемой при падении электрона на более низкую орбиту.

Свет организован: каждый фотон движется вместе с другими. Именно поэтому лазерное излучение очень плотное, сильное и концентрированное. Фонарик же испускает лучи во многих направлениях, отчего они становятся слабыми и рассеянными.

Чтобы реализовать эти свойства, требуется вынужденное излучение. В обычном фонарике этого не происходит, так как все его атомы испускают фотоны случайным образом, а при вынужденном излучении процесс строго организован. Фотон, испускаемый любым атомом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состояниями. Если этот фотон встретится с другим атомом, имеющим электрон в таком же возбужденном состоянии, может произойти вынужденное излучение, и таким образом получится лазерный свет.

━━━━━

Анастасия Дегтярева