Jak to działa? Cz. 6: laser

Laser to urządzenie emitujące wzmocnioną wiązkę światła. Dziś „laser” funkcjonuje po prostu jako słowo, ale określenie pierwotnie było akronimem. „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” oznacza "wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania”.

Na laser składają się dwa zwierciadła, pomiędzy którymi znajduje się tzw. ośrodek aktywny. Jest nim gaz albo minerał, który można wykorzystać do wzmocnienia światła w specyficznych warunkach. Mamy jeszcze układ pompujący, który „pompuje” elektrony do ośrodka.

Włączamy więc laser. „Tłoczoną” energię absorbują znajdujące się w ośrodku atomy. W rezultacie dostają energetycznego kopa. Ich elektrony wskakują na wyższy poziom energetyczny, po czym powracają do pierwotnego stanu. Pochłonięta energia wraca na zewnątrz w postaci fotonu, czyli cząstki światła.

Foton podróżuje po ośrodku. Kiedy napotka atom już w stanie wzbudzonym, czyli taki, w którym elektrony już znajdują się na wyższym poziomie energetycznym, znów daje mu kopa i sprawia, że powstaje kolejny foton. Z pierwszym nic się przy tym dzieje – kontynuuje swoją wędrówkę w ośrodku aktywnym.

Widzicie, co się stało? Był jeden foton, mamy dwa. Światło zostało wzmocnione. Tym samym możemy mówić o „light amplification”, czyli cząstce „la” nazwy „laser”. A jako że taki sposób wzmacniania to tzw. stymulowana emisja promieniowania, mamy i „stimulated emission of radiation”, czyli „ser”. Laser.

Ale to jeszcze nie koniec. Pamiętajmy, że na laser składają się dwa zwierciadła, umieszczone po obu stronach ośrodka aktywnego. Jedno z luster całkowicie odbija światło. Drugie – tylko częściowo. Dzięki zwierciadłom fotony odbijają się i krążą w ośrodku aktywnym, produkując coraz więcej i więcej nowych fotonów. Część z nich wydostaje się na zewnątrz przez jedno ze zwierciadeł, formując mocno skupiony promień. Potem dzieje się to:

Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym. Światło widzialne to promieniowanie z określonego przedziału długości fali. Laser emituje promieniowanie elektromagnetyczne, ale nie zawsze w widzialnym zakresie.

Jeżeli wiązka jest widoczna, nie jest ona biała, lecz czerwona albo zielona. Dzieje się tak, ponieważ światło białe zawiera fale elektromagnetyczne o wszystkich częstotliwościach mieszczących się w spektrum widzialnym, natomiast laser emituje falę o określonej wartości.

Różne materiały wykorzystane w ośrodku aktywnym powodują powstawanie fali o różnych długościach. Od nich zależy więc to, czy widzimy laser, czy nie, oraz to, jaki wiązka ma kolor, jeżeli jest widzialna.

Sądząc po kolorze wiązki, szturmowcy z Gwiezdnych wojen mają karabiny z rubinowymi ośrodkami aktywnymi. Miecz Luke'a to zapewne laser argonowy – jeśli oczywiście przyjmiemy, że te łamiące prawa fizyki gadżety to naprawdę lasery.

Promień lasera zasadniczo nie ma temperatury. To wiązka fotonów. Rozgrzewa się powierzchnia, która przejmuje ich energię.

Jeżeli laser ma wystarczającą moc, a wiązka pada na przedmiot odpowiednio długo, materiał rozgrzeje się do tego stopnia, że zacznie się topić albo płonąć. A jako że promień ma niezwykle małą średnicę, jest bardzo precyzyjny – dlatego nadaje się do wykorzystania w przemyśle czy medycynie.

Autorzy science-fiction od lat uważają, że laser może być zabójczą bronią – i powoli okazuje się, że mają rację. Nie będą to jednak futurystyczne karabiny.

Laserowe działa mają służyć do strącania dronów, rakiet i innych pocisków, a także do uszkadzania systemów komputerowych pojazdów. To wielka nadzieja dla budżetu U.S. Army: wystrzał z lasera wiąże się z wydatkiem w wysokości dolara, podczas gdy wystrzelenie pocisku przeciwrakietowego kosztuje 40 tys. (!) dolarów.

Z broni tego rodzaju już się korzysta. Amerykański okręt USS Ponce jest wyposażony w przeciwrakietowy AN/SEQ-3 Laser Weapon System. Amerykanie chcą także stworzyć laser, który mógłby być wykorzystywany przez piechotę, w ruchu, do obrony przed pociskami poddźwiękowymi oraz pojazdami. Czy im się uda? W końcu pewnie tak. Lasery mają stać się elementem wyposażenia armii już w kolejnej dekadzie.

Mało kto wie, że laser – wynalazek, wydawałoby się, powszechny, wszechobecny i pozbawiony ojca – stał się przedmiotem jednego z największych sporów patentowych w historii Stanów Zjednoczonych.

Gordon Gould, który opracował podstawy technologii, wymienił się doświadczeniami ze swoim niegdysiejszym profesorem Charlesem Townesem, który od pewnego czasu pracował nad podobnym urządzeniem dla firmy Bell. Gould, obawiając się kradzieży pomysłu, złożył wniosek o patent, ale okazało się, że kilka miesięcy wcześniej korporacja zrobiła to samo.

Gould pozwał firmę i rozpoczął batalię sądową trwającą prawie 30 lat. Zakończyła się szczęśliwie: przyznaniem mu praw patentowych do niemal 50 wynalazków związanych z technologią lasera, między innymi do różnych rodzajów układów pompujących.