Может ли толпа петь хором?
Одной из интересных и пока не до конца изученных проблем современной астрофизики является проблема существования так называемых природных лазеров — спонтанно возникающих в естественных условиях атмосфер звёзд и планет источников интенсивного излучения с ярко выраженной частотой.
Чтобы понять, что так удивляет астрофизиков, вспомним, чем отличается свет обычной лампочки от излучения лазерной указки.
В то время как обычная лампочка излучает во все стороны белый свет — то есть содержит все цвета радуги, лазерная указка светит в заданном направлении, и её излучение имеет вполне конкретный цвет — или, выражаясь научным языком, частоту.
Кроме того, если лампочке требуется мощность порядка десятков ватт, чтобы заметно освещать пространство вокруг себя, то для лазерной указки характерны мощности порядка нескольких милливатт — то есть в десятки тысяч раз меньше.
Почему так происходит? Воспользуюсь аналогией. Представьте, что вы каждый день ходите на Красную площадь. Каждый день вы видите, что по ней снуют туда-сюда толпы туристов, стоит шум и гам. Но вот, наступает 9 мая. Вы, как обычно, приходите на площадь, и видите совсем другую картину: по брусчатке стройными рядами маршируют военные, их чеканный шаг совсем не похож на гам толпы, и звучит заметно громче. В физике такое поведение называется когерентностью — когда множество источников звучат «в унисон».
Вот так и в лазере. Если в лампочке каждый атом вещества «звучит» (то есть излучает) сам по себе, то в лазере они излучают когерентно, то есть «в унисон» — на одной и той же частоте и в одну и ту же сторону. Поэтому и получается излучение таким же сильным при меньшей потребляемой мощности.
Но с обычными лазерами всё понятно — их специально готовят так, чтобы в них наблюдалось когерентное излучение. Так же, как военные заранее обучаются маршировать в ногу. Но откуда лазеры могут возникнуть в космосе? Представьте, что вы приходите на Красную площадь, и там, как обычно, бродят туристы, но теперь они все шагают в ногу и говорят стройным хором. Выглядит невероятным.
Оказывается, и это было теоретически предсказано ещё в 1967 году пионером советской лазерной физики Владиленом Степановичем Летоховым, лазер возможен и в так называемых случайных (или вернее в случайно-неоднородных) средах.
Основой любого стандартного лазера является оптический резонатор — это обычно два параллельных зеркала, между которыми свет много-много раз бегает туда-обратно, каждый раз становясь всё сильнее. В естественных условиях такие зеркала, конечно, возникнуть не могут.
В случайно-неоднородных средах, однако, свет испытывает небольшие отклонения — то, что принято называть рассеянием. И вот если таких отклонений много, то получается, что свет «бродит» в среде очень долго, постепенно усиливаясь, как и в обычном лазере.
Такие беззеркальные лазеры получили название «случайных» (random lasers), и по гипотезе Летохова именно их и наблюдают астрономы в окрестностях далёких звёзд.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, необходимо было, однако, для начала получить случайный лазер в земных условиях. Это оказалось непростой задачей. Её решили только в 1986 году — и опять советские физики в Институте радиотехники и электроники АН СССР в группе В. М. Маркушева.
В качестве лазерной среды Маркушев использовал специальные порошки. С тех пор случайные лазеры были созданы на основе и других сред. Но всё-таки порошки по своим качествам довольно сильно отличаются от космического газа, в котором предположительно и возникают естественные случайные лазеры. И вот в газе до недавнего времени получить случайный лазер не удавалось никому.
И вот, в начале января этого года в архиве Корнелльского университета появился препринт научной работы, выполненной французскими учёными из Университета Ниццы — Софии Антиполис. В этой работе утверждается, что её авторам удалось получить случайный лазер на основе специально подготовленного холодного газа.
В работе использовались охлаждённые до сверхнизких (около 50 микрокельвин) температур атомы рубидия, заключённые в магнитную ловушку. Оказалось, что эта среда обладает замечательным свойством — вдоль одного из направлений частота, на которой происходит лазерная генерация, совпадает с частотой наиболее эффективного рассеяния, что и требуется для создания случайного лазера.
Эта работа должна дать толчок в исследовании подобных систем. Их изучение не только поможет учёным лучше понять принципы работы лазеров в естественных для космоса условиях, но и наверняка откроет возможности для создания новых искусственных источников света с уникальными свойствами.
Действительно, случайные лазеры могут совершить в будущем небольшую технологическую революцию.
Дело в том, что создание и настройка в обычном лазере оптического резонатора процесс зачастую непростой, требующий больших временных затрат и потому приводящий к удорожанию всей системы.
Кроме того, если в результате небольшого толчка или под влиянием перепада температур одно из зеркал даже немного сдвинется, лазер перестанет хорошо работать, и потребуется заново проводить настройку оптического резонатора.
Случайные лазеры лишены этих недостатков просто в силу того, что в них резонатор отсутствует. Помимо этого, их преимуществом является возможность получать излучение самых разных цветов, в то время как в обычных лазерах цвет обычно жёстко задан используемой средой.
Конечно, и случайные лазеры имеют свои проблемы. Так, например, только недавно была решена проблема получения излучения одного заданного цвета. Обычно же случайные лазеры, даже если и светят только одним цветом, этот цвет случаен, и его не всегда легко изменить.
Случайные лазеры начали интенсивно изучать совсем недавно — каких-то 10-20 лет назад. Это молодое и бурно развивающееся направление современной физики. И не вызывает сомнений, что в ближайшие годы от него следует ждать как новых интересных результатов, так и не менее интересных и важных технологических прорывов.
Эта статья была написана для проекта slon.ru и после редактирования опубликована под названием «Случайные лазеры осветят нам путь».
Источник: Physicists Demonstrate First Laser Made From a Cloud of Gas // The Physics arXiv Blog
