Усиливая энергию лазера снова и снова, вы не получите бесконечное количество энергии. Есть фундаментальный предел, обусловленный физикой.
Ключевые выводы
- Лазер работает, стимулируя испускание излучения внутри полости, снова и снова, создавая столько фотонов, сколько необходимо, прежде чем испустить их.
- Возникает вопрос, можно ли использовать эту технику для накопления и производства практически неограниченного количества энергии, при желании, возможно, все сразу.
- Но оказывается, это совсем не так. Существует фундаментальный предел количества энергии в лазерах, установленный маловероятным виновником: правилами физики элементарных частиц.
В середине 20-го века не было действительно хорошего способа создать чисто монохроматический свет: все фотоны имели точно такую же длину волны. Конечно, вы можете разбить белый свет на составляющие его цвета, например, пропуская его через призму или цветной фильтр и выбирая только узкий диапазон длин волн, но это не будет по-настоящему монохроматическим. Однако тот факт, что атомы, молекулы, решетки и другие структуры допускают только определенный набор электронных переходов, открывает удивительную возможность: если бы вы могли стимулировать один и тот же переход снова и снова, вы могли бы получить действительно монохроматический свет.
С 1958 года нам удалось сделать именно это с изобретением лазера. Со временем лазеры стали более мощными, более распространенными и имеют огромное разнообразие длин волн. Когда фотоны с определенной длиной волны накапливаются в резонаторе лазера, излучение этой же частоты стимулируется снова и снова. Но вы не можете просто вечно создавать фотоны, чтобы получить сколь угодно большую плотность энергии в вашем лазере; как только вы переступите определенный порог, сами законы физики остановят вас. Вот почему существует окончательный предел энергии лазера, и мы никогда не сможем его превзойти.
Разнообразие энергетических уровней и правил отбора для электронных переходов в атоме железа. Существует только определенный набор длин волн, которые могут излучаться или поглощаться любым атомом, молекулой или кристаллической решеткой. Если один и тот же переход можно стимулировать снова и снова, можно создать лазер.
Давайте сначала перейдем к основам атомов, переходов и энергетических уровней. Проще говоря, атом - это положительно заряженное ядро с несколькими электронами, вращающимися вокруг него. Эти электроны обычно существуют в ряде конечных конфигураций, только одна из которых оптимально наиболее стабильна: основное состояние. Существует только конечный набор длин волн света, которые может поглотить электрон внутри атома, и если вы ударите по этому электрону фотоном с такой длиной волны, он подпрыгнет: перейдет в более высокую энергетическую конфигурацию или в возбужденное состояние.
Если бы можно было игнорировать все остальные условия, это возбужденное состояние самопроизвольно распалось бы в состояние с более низкой энергией - либо сразу в основное состояние, либо в цепочке - через конечное время, испуская при этом фотон с очень определенной энергией (или набором энергий).
Но если вы можете стимулировать атом в основном состоянии (или молекулярный или решеточный аналог, скажем, с валентным электроном) для возбуждения в определенное возбужденное состояние, вы часто можете уговорить его де- возбуждать (и испускать излучение) на одной конкретной частоте, очень последовательно. Большая идея лазера заключается в том, что вы накачиваете энергию, и почти каждый испускаемый фотон, который выходит из возбуждения, происходит на одной и той же длине волны.
«Накачивая» электроны в возбужденное состояние и стимулируя их фотоном нужной длины волны, вы можете вызвать испускание другого фотона точно такой же энергии и длины волны. В этом действии сначала создается свет для лазера.
Сама идея лазеров все еще относительно нова, несмотря на их широкое распространение. Сам лазер был впервые изобретен только в 1958 году. Первоначально аббревиатура расшифровывалась как Light Amplification by S стимуляция E миссия R излучение, лазеры - это немного неправильное название. По правде говоря, ничего не усиливается. Они работают, используя структуру обычной материи, которая имеет атомные ядра и различные энергетические уровни для электронов. В молекулах, кристаллах и других связанных структурах определенные расстояния между энергетическими уровнями электрона определяют, какие переходы разрешены.
Работа лазера заключается в том, что электроны колеблются между двумя допустимыми состояниями, заставляя их испускать фотоны с очень определенной энергией, когда они переходят из более высокого энергетического состояния в более низкое. Добавление энергии, которая «накачивает» электроны в желаемые возбужденные состояния, затем приводит к спонтанному снятию возбуждения, создавая все больше и больше фотонов желаемой монохроматической частоты. Эти колебания и вызывают излучение света. Мы называем их лазерами, возможно, потому, что никто из участников не счел хорошей идеей использовать аббревиатуру Light O scillation by S стимулированный E миссия Rизлучение.
Набор лазерных указок Q-line демонстрирует разнообразие цветов и компактный размер, которые сейчас являются обычным явлением для лазеров. «Накачивая» электроны в возбужденное состояние и стимулируя их фотоном нужной длины волны, вы можете вызвать испускание другого фотона точно такой же энергии и длины волны. Это действие заключается в том, как сначала создается свет для лазера: путем вынужденного излучения.
Часть «спонтанного излучения», однако, имеет первостепенное значение, и то, что делает лазер, за неимением лучшего слова, лазером. Если вы можете создать несколько атомов или молекул в одном и том же возбужденном состоянии и стимулировать их спонтанный переход в основное состояние, они будут испускать фотоны с одинаковой энергией.
Эти переходы чрезвычайно быстры (но не бесконечно быстры), поэтому существует теоретический предел того, насколько быстро вы можете заставить отдельный атом (или молекулу) перейти в возбужденное состояние и спонтанно излучать фотон; системе требуется время для сброса.
Обычно для создания лазера внутри резонаторного или отражающего резонатора используется какой-либо тип газа, молекулярного соединения или кристалла, но в последние годы были обнаружены другие методы стимуляции именно этого типа излучения. Свободные электроны также можно использовать для создания лазеров, как и полупроводники, оптические волокна и, возможно, даже позитроний: связанные состояния электронов и позитронов. Длина волны, с которой лазеры могут излучать свет, находится в диапазоне от чрезвычайно длинных радиоволн до невероятно коротких рентгеновских лучей, а также теоретически возможных гамма-лучей. Лазерный процесс происходит даже в космосе, как в микроволновом диапазоне, так и в диапазоне частот видимого света.
Это составное изображение Хаббла (синий/белый/темный) и ALMA (красный) показывает не только сталкивающуюся систему галактик Arp 220, но и двойное ядро, которое содержит яркое излучение как водного, так и гидроксильного мегамазеров..
По мере разработки новых методов и приемов количество энергии, производимой лазерами, со временем продолжало расти, а интенсивность ограничивалась только практическими возможностями современных технологий. В 2018 году Нобелевская премия по физике была присуждена за достижения в области лазерных технологий, причем половина премии была направлена именно на управление мощностью и частотой импульсов вашего лазера. Мы думаем, что лазерный свет излучается непрерывно, но это не всегда так. Вместо этого другой вариант - накопить тот лазерный свет, который вы производите, и излучать всю эту энергию одним коротким импульсом. Вы можете сделать это все за один раз или многократно, потенциально с относительно высокой частотой.
В 1985 году лауреаты Нобелевской премии Жерар Муру и Донна Стрикленд опубликовали совместную статью, в которой подробно описали, как именно они создали сверхкороткий высокоинтенсивный лазерный импульс повторяющимся образом. Используемый усилительный материал не пострадал. Базовая установка состояла из четырех простых в принципе, но монументальных на практике шагов:
- Во-первых, они создали эти относительно стандартные лазерные импульсы.
- Затем они растянули импульсы во времени, что уменьшило их пиковую мощность и сделало их менее разрушительными.
- Затем они усилили растянутые во времени импульсы пониженной мощности, которые материал, используемый для усиления, теперь мог выдержать.
- И, наконец, они сжали усиленные во времени импульсы.
При укорочении импульса больше света собирается вместе в одном и том же пространстве, что приводит к значительному увеличению интенсивности импульса.
Начав с маломощного лазерного импульса, вы можете растянуть его, уменьшив его мощность, затем усилить, не разрушая ваш усилитель, а затем снова сжать, создав более мощный импульс с более коротким периодом. пульса, чем это было бы возможно в противном случае. Сейчас мы живем в эпоху аттосекундной (10^-18 с) физики, если говорить о лазерах.
Новый метод, известный как усиление чирпированных импульсов, стал новым стандартом для высокоинтенсивных лазеров; это технология, используемая в миллионах операций по коррекции зрения, проводимых ежегодно. Новаторская работа Муру и Стрикленда стала основой докторской степени Стрикленда. диссертацию, и есть больше приложений для их работы в самых разных областях и отраслях.
Но могут ли эти достижения продолжаться сколь угодно далеко в будущем, без каких-либо ограничений?
Вы можете задаться вопросом, существует ли внутренний предел количества фотонов, которые могут существовать благодаря лазеру (или лазероподобному процессу), поскольку есть предел, скажем, количеству электронов, которые вы может втиснуться в заданную область пространства. В квантовой механике есть очень важный принцип - принцип запрета Паули - который утверждает, что никакие две квантовые частицы с абсолютно идентичными свойствами не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии.
Энергетические уровни и волновые функции электрона, которые соответствуют различным состояниям внутри атома водорода, хотя конфигурации для всех атомов очень похожи. Уровни энергии квантуются кратно постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона. Только два электрона, один со спином вверх и один со спином вниз, могут занимать каждый из этих энергетических уровней благодаря принципу запрета Паули, в то время как другие электроны должны занимать более высокие и более объемные орбитали.
Только я упустил очень важную оговорку: принцип запрета Паули применяется только к частицам, таким как электроны или кварки, чей спин изменяется с полуцелым приращением: ±1/2, ±3/2, ± 5/2 и т. д. Для таких частиц, как фотоны, которые обладают целыми спинами: 0, ±1, ±2 и т. д., нет абсолютно никакого ограничения на количество идентичных частиц, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние в одном и том же физическом месте! На фундаментальном уровне принцип запрета Паули объясняет, почему то, что мы считаем «нормальной материей», вообще занимает место. Но не все подчиняется этому правилу, включая фотоны.
Фотон, являющийся частицей, производимой лазерами всех разновидностей, имеет спин ±1, и, следовательно, вы теоретически можете упаковать произвольно большое количество фотонов в столь маленькое пространство, какое захотите.
Это теоретически чрезвычайно важно, потому что это означает, что если мы сможем разработать правильную технологию, то не будет предела величине плотности энергии, которую мы можем достичь с помощью фотонов. По крайней мере, нет предела, возникающего из-за принципа запрета Паули: мы можем упаковать бесконечное количество фотонов в сколь угодно малое пространство. Есть предел интенсивности, которой может достичь лазер: энергия на площади с течением времени. Это не фундаментальный предел, а скорее практическое ограничение, налагаемое материалами, используемыми в самой лазерной установке.
Принцип запрета Паули предотвращает сосуществование двух фермионов в одной и той же квантовой системе с одним и тем же квантовым состоянием. Однако это применимо только к фермионам, таким как кварки и лептоны. Это неприменимо к бозонам, и, следовательно, нет предела, скажем, количеству идентичных фотонов, которые могут сосуществовать в одном и том же квантовом состоянии. Вот почему содержащие фермионы остатки звезд, такие как белые карлики и нейтронные звезды, могут устоять перед гравитационным коллапсом, поскольку принцип запрета Паули ограничивает объем, который может занимать конечное число фермионов.
Итак, давайте представим, что мы пытаемся это сделать. Мы возьмем резонатор, установим зеркала на обоих концах и будем стимулировать испускаемое излучение, пока не достигнем максимальной практической интенсивности для этого лазера.
Затем мы сделаем одно из зеркал подвижным и сдвинем его внутрь, тем самым сжимая полость по мере удаления из нее нейтральных и возбужденных атомов (т. е. нефотонов). Это сжатие за счет уменьшения объема, в котором присутствуют эти фотоны, существенно увеличивает плотность энергии системы: плотность энергии внутри зеркального лазерного резонатора.
Если бы мы могли делать это вечно - уменьшая объем полости настолько, насколько мы осмелились, - мы бы обнаружили, что плотность энергии продолжает расти, но и энергия на фотон тоже будет расти., так как работа, выполняемая при втягивании зеркала внутрь (форма энергии), будет передана отдельным фотонам. Вы можете себе представить, что если вы продолжите втягивать это зеркало внутрь, повышая как общую плотность энергии фотонов, так и энергию на фотон в системе, то энергия будет расти, расти и расти. Сможете ли вы выполнять эту задачу без ограничений, увеличивая плотность энергии и энергию на фотон, пока не создадите черную дыру?
Внутри зеркального резонатора лазера нет предела полной плотности энергии фотонов, но есть предел измеренной интенсивности фотонов в лазере, который представлен равновесным состоянием. Если затем ввести одно зеркало, в то время как атомы эвакуируются, а фотоны остаются внутри, плотность энергии может увеличиться, как и энергия на фотон.
Ответ - нет, потому что там есть фундаментальный предел, с которым мы столкнемся первым: энергетический порог для образования пар частица-античастица. Как только энергия каждого отдельного фотона превысит 1,022 МэВ, есть шанс, что каждый раз, когда он взаимодействует с другой частицей (например, при ударе о стенки зеркала), он превратится из фотона в электрон-позитронную пару. Как только вы начнете производить электроны и позитроны, позитроны начнут аннигилировать со стенками резонатора и зеркалами, разорвав ваш лазер на части в зрелищном, но катастрофическом событии.
Это очень плохо, потому что вам нужно достичь энергий, которые намного, намного выше, чем это - примерно в секстиллион раз (1021) или около того - создать черную дыру. При высоких энергиях фотонов ваш лазерный свет начинает напоминать термальную ванну материи-антиматерии, а не просто когерентный свет. Этот предел, а также (при еще более высоких энергиях) тот факт, что отдельные фотоны будут разрушать границы резонатора, а не отражаться от них, установят окончательный предел того, насколько высокоэнергетические лазеры могут попасть внутрь резонатора.
В Национальном центре зажигания всенаправленные мощные лазеры сжимают и нагревают шарик материала до условий, достаточных для инициирования ядерного синтеза. NIF может производить более высокие температуры, чем даже центр Солнца, и в конце 2022 года точка безубыточности была впервые пройдена.
Это не означает, однако, что мы не можем спроектировать такой мощный лазерный взрыв, как хотелось бы, с помощью умной установки. Это может включать:
- использование большого количества мощных лазеров, сходящихся в одной точке,
- использование усиления чирпированных импульсов для достижения интенсивности в зетаваттах,
- и сокращение/сжатие импульса для уменьшения периода при одновременном усилении мощности в процессе,
или даже все вышеперечисленное.
Все, от лазерной хирургии глаза до термоядерных взрывов в National Ignition Facility, использует эту лазерную технологию, и многие из этих приложений уже используются. На практике да, есть предел мощности и интенсивности, которых мы могли бы достичь с помощью лазера. Но если бы мы могли разработать материал, достаточно прочный, чтобы выдержать термальную ванну материи и антиматерии, а также фотоны с самой высокой энергией, какую только можно вообразить, мы могли бы достичь плотности энергии без верхнего предела. Возможно, когда-нибудь это станет ключом к нашей способности впервые создать черную дыру в лаборатории!