Как работают лазеры? Возможно ли сделать лазер Тони Старка?

В данной статье я постараюсь вкратце рассказать об основных принципах работы лазеров. Расскажу что такое рабочее тело, зачем нужен источник подкачки и резонатор. Зная основы мы сделаем небольшой обзор того, что имеется из лазеров на рынке и попытаемся понять, возможен ли лазер железного человека.

Кстати, у меня есть замечательная школа математики для программистов – Академия вектозавров. Первую, бесплатную, главу пройти обязательно всем! :)



Каждый посмотревший фильм «железный человек» наверняка задумывался о том, как бы круто было бы полетать в костюме железного человека. Я вот до сих пор пересматриваю сцены из фильма и не могу налюбоваться.

Ричард Браунинг из Великобритании реально заморочился и за несколько лет сделал костюм, позволяющий летать пару минут:



А ребята с канала cnet собрали настоящую пуленепробиваемую титановую броню:



Это всё, конечно, забавно и прикольно, но вот оружия этому костюму явно не хватает. Без оружия он становится бесполезным (не в рукопашную же ему драться).
Можно, конечно, дать ему автомат Калашникова, но в фильме то мы видели клёвый лазер, позволяющий резать титановую обшивку космолёта:



А давайте пофантазируем на тему возможности изготовления такого мощного лазера, а то вдруг нас обманули и эти сцены Фотошоп?

Основные принципы

Чтобы понять какие ограничения по мощности могут существовать для лазера, я очень простым языком разберу основные принципы их работы. После этого вы узнаете о компонентах, необходимых для сборки любого лазера. Когда станет понятно, что такое лазер и из чего он состоит вы узнаете какие самые мощные лазеры сейчас доступны и на что они способны.

Начнем с того, что разберёмся с основными принципами работы лазера. Практически любой лазер устроен одинаково и состоит из трёх главных компонентов
1) Рабочая среда
2) Источник энергии
3) Оптический резонатор (что это такое я расскажу немного позже)

В принципе это все, что нужно для создания лазера. Давайте разберёмся с каждым из этих компонентов. А начнём с того, как формируется лазерный пучок.

Представьте, что у нас имеется некоторая среда, наполненная, например, газом. В этой среде, как и полагается летают атомы, здесь ничего необычного. У каждого атома есть некоторая своя энергия. Некоторые из них имеют немного большую энергию, а некоторые – меньшую.

Понятно, что атомов с маленькой энергией будет больше, а с большой – меньше. Об этом мы знаем из закона распределения Больцмана, который гласит, что число атомов с заданной энергией экспоненциально падает при её увеличении:

$$
N = N_{0}e^{-E/kT}
$$
Для обозначения энергии атома рисуют два уровня на которых он может находится: нижний уровень (основной) и верхний (уровень высокой энергии). Если атом имеет маленькую энергию, то его рисуют внизу, а если у атома большая энергия, то и находится на картинке он будет сверху:

Атом с высокой энергией может сделать очень полезную штуку, которая и вкладывает во всё, что я рассказываю какой-то смысл: он может испустить квант света, то есть фотон. Ведь это то, что нам, по сути, и нужно.
Происходит это примерно так: атом с высокой энергией летает себе и вдруг решает испустить квант света. То есть он как бы тратит энергию на то, чтобы отдать свет. При этом он, как и полагается, переходит на нижний уровень:

Но это происходит случайно, а ускорить процесс может другой квант света. То есть пролетающий мимо квант света может потревожить атом на высоком энергетическом уровне. При этом произойдёт примерно то же самое: атом отдаст квант света и упадёт на нижний уровень:

То есть на атом налетал один фотон, а выделилось два. При этом эти фотоны неплохо так связаны между собой.
Я имею ввиду, что они будут иметь абсолютно равные частоты, да ещё и колебаться будут в одной фазе. А значит при сложении они будут усиливать друг друга:

Это, конечно круто, и так бы и пошла эта цепная реакция, но есть одно НО: дело в том, что фотоны могут как выделяться, так и поглощаться. Представьте теперь, что на атом с маленькой энергией налетает фотон. Атом может случайно забрать его себе, повысив свою энергию и все, мы потеряли квант света в пустую:

А это плохо, ведь мы то хотим, наоборот, получить много фотонов. Самое печальное то, что вероятности поглощения и выделения кванта света примерно равны.
Для того, чтобы не допускать поглощения нужен внешний источник энергии, который будет закачивать энергию в систему и не давать процессу остановиться.
В принципе все вроде понятно. Единственное, о чем я не сказал – это резонатор.
Объясню в чем дело. Для того, чтобы появилось много фотонов можно, конечно, сделать длинную трубу с газом, но можно поступить умнее и поставить два зеркала друг напротив друга так, чтобы свет много раз пере отражался и проходил по маленькому участку газа несколько раз:

То есть резонатор нужен просто для того, чтобы сделать лазер компактным и эффективно использовать газ. На выходе получается параллельный пучок фотонов. Параллельный он потому, что все фотоны движутся с одной частотой и в одной фазе. То есть одинаково относительно друг друга.
Теперь, когда мы разобрались в основных принципах, работы лазера становится понятно, что главным ограничением на мощность выходного пучка является структура рабочего тела, используемого для порождения фотонов.
Всё дело в том, что существует ограничение на скорость излучения фотона, ведь переход атома из возбуждённого состояния в обычное длится порядка 10 нсек (то есть конечная) и для обеспечения требуемой мощности пучка фотоны могут просто не успевать появляться.

Существующие мощные лазеры

Мощность лазерной установки Nova, расположенной в Ливерморской национальной лаборатории (США) измеряется в сотнях ТВт. Этого достаточно для того, чтобы расплавить любой металл, да и вообще в принципе любое, даже самое крепкое соединение не выдержит такой мощности.

Но нас такие установки не сильно интересуют, ведь они слишком большие, дорогие и могут работать только при огромных энергиях и короткое время.
Есть более компактные военные лазеры, которые достаточно мощные для того, чтобы за доли секунды плавить металл, но это тоже не подходит опять же из-за своей громоздкости и дороговизны:



На рынке бытовых лазеров самый мощный лазер из тех, что я нашел имеет мощность в 100 000 мВт. Ну это если китайцы не обманывают. Этого достаточно для того, чтобы расплавить кусок олова.
Теплота плавления железа примерно в 5 больше, чем у олова. Условно пяти таких лазерных указок хватит на то, чтобы начать плавить железо. А это уже очень неплохо. При этом, как не удивительно общая цена будет не очень большой. Один такой стоит порядка 100 $.
Может мне собрать такой и показать вам?

Проблемой объединения нескольких лазеров является то, что пучки всех лазеров нужно фокусировать в одном месте, а иначе толку от использования нескольких лазеров нет (вот пример неграмотной конструкции):



Еще одной проблемой является то, что лазерная пушка становится громоздкой и требующей тонкой настройки (фокусировка). На руку она уже не поместится.

Возможен ли лазер, прожигающий металл?

Очевидно, что лазеров, которые умеют резать металл, очень много и они используются повсеместно в промышленности и научных исследованиях:



Лазерные установки, способные плавить металлы становятся всё меньше и меньше т.к учёные постоянно занимаются разработкой и изучением новых и более подходящих элементов. (Как мы уже поняли ранее, одним из главных ограничений является структура рабочего тела)
Чем лучше и совершеннее материалы мы будем находить и использовать, тем больших плотностей энергии мы сможем достичь, без каких бы то ни было ограничений.

Даже сегодняшних технологий, в принципе, хватает для создания лазера Тони Старка (не такого маленького, но всё же). Все упирается в цену итогового устройства. Если нужен маленький размер и огромная мощность, прям как в фильме, то цена может быть неоправданно большой даже по сравнению с бронёй и jetpack’ом.

К тому же всё усугубляет то, что лазер такой будет очень опасный и в случае сбоя или попадания в него снаряда он может взорваться, как это всегда происходит в случаях высокой концентрации энергии в маленьком пространстве.

На этом у меня сегодня всё. Буду рад вашим комментариям и поддержке :)

Друзья! Я очень благодарен вам за то, что вы интересуетесь моими работами, ведь каждый пост на сайте даётся очень непросто. Я буду рад любому отклику и поддержке с вашей стороны.