Лазер
Как только попаданец обзаводится ручными акулами, он сразу начинает подумывать о изготовлении лазера. Давайте посмотрим, получится ли это у него.
Лазер это генератор света на основе индуцированного излучения. Эффект индуцированного излучения был предсказан еще Эйнштейном в 1917 году, за четыре десятка лет до создания лазеров, и заключается он в следующем — если рядом с возбужденным атомом проходит фотон с энергией равной энергии необходимой для возбуждения, то атом излучает абсолютно такой же фотон. Благодаря тому что излучение индуцированно, энергия может выделяться очень быстро и лазер может иметь огромную мгновенную мощность, благодаря когерентности излучения его легко фокусировать. Все эти свойства крайне интересны технологам и нас окружает огромное количество лазеров — от лазерных указок и прицелов, до оптоволоконных передатчиков и лазерных дисководов, от любительских лазерных граверов, до промышленных лазерных станков. Боевые лазеры, квантовая связь, телескопы на адаптивной оптике, лазеры инициирующие термоядерную реакцию, несть им числа.
Это чудовищно наукоемкая отрасль промышленности, так что смешно даже думать что знания среднего попаданца смогут принести заметную пользу. Но может быть у него получится сделать хотя бы простейший лазер? От предсказания Эйнштейна до создания лазера прошло почти сорок лет. Объясняется ли этот перерыв какими-то туманными достижениями технологии на которые любят кивать в любой дискуссии о попаданцах или его можно объяснить открытием относительно простых принципов?
В общем случае лазер состоит из трех частей: активная среда — вещество которое в возбужденном состоянии будет излучать фотоны, система накачки — устройство которое передает энергию среде, переводя ее в возбужденное состояние, и оптический резонатор — пара зеркал, которые заставляют луч многократно проходить через активную среду.
Прежде всего неплохо бы избавится от резонатора. Качество поверхности зеркал резонатора, полупрозрачность одного из них, установка зеркал в параллельном положении — мы определенно не хотим со всем этим связываться. К счастью, резонатор необязателен, по крайней мере для некоторых активных сред. Если индуцированное излучение в среде растет достаточно быстро — например удваивается каждый сантиметр, то для лазера достаточно столбика среды в десяток сантиметров и мы можем обойтись без резонатора.
И какая же из подходящих сред самая доступная? Нам ведь не хочется выращивать синтетические рубины или синтезировать легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид…
Оказывается, Господь Бог в своей бесконечной мудрости наделил подходящими свойствами основной компонент нашей атмосферы — азот, он более чем доступен и индуцированное излучение в нем удваивает мощность каждую пару сантиметров. Шах и мат, атеисты! С другой стороны Люцифер означает «светоносный»…
Атомный реактор возбуждают фотки замедляющих стержней, но что же возбуждает азот? Вполне достаточно обычного высоковольтного разряда. Есть только одна маленькая проблема. При атмосферном давлении атомы ударяются так часто, что возбужденное состояние атома азота сбрасывается за наносекунды. Так что нам всего навсего надо сделать устройство успевающее выдавать разряды за миллиардные доли секунды…
Идеальный конденсатор способен выдать сколь угодно короткий импульс, но реальный конденсатор обладает индуктивностью. При протекании по проводнику тока образуется магнитное поле, сила которого пропорциональна силе тока, на образование магнитного поля надо затратить энергию — она отбирается от самого тока. Так что чем меньше индуктивность, тем быстрее идет разряд. Представим себе два параллельных проводника, по которым ток течет в противоположных направлениях. Проводники создают противоположное магнитное поле. Если бы они были бесконечно близки, то их поля полностью нейтрализовали друг друг. На деле они находятся на некотором расстоянии, так что нейтрализация не идеальна — тем они ближе тем она лучше. На образование небольшого магнитного поля надо затратить меньше энергии — значит индуктивность системы меньше. Конденсатор при разрядке можно представить как множество таких проволочек, сливающихся в пластины. Чем ближе пластины — тем меньше индуктивность. Для нашего наносекундного разряда достаточно зазора порядка десятой миллиметра. Если сделать воздушный зазор, то он будет пробит уже при напряжении в сотни вольт, на порядок меньше чем нам надо, так что нужна более надежная изоляция. Попаданец может использовать слюду или вощеную папиросную бумагу, ну а мы можем использовать разрезанный офисный файлик.
За счет того что разряд длится наносекунды мы получаем еще один бонус. Обычный высоковольтный разряд образует искру. При разряде один из участков обладает чуть большей проводимостью, значит по нему течет больший ток, он нагревает воздух сильнее, это еще больше увеличивает его проводимость — положительная обратная связь. В результате ток разряда концентрируется в небольшой искре. Если мы поместим рядом две полоски металла, то обычный разряд искрой ионизирует лишь небольшую долю пространства между ними. Быстрый же разряд не успеет собраться в искру и возбудит весь столбик воздуха между ними.
Теперь большинство молекул азота в этом столбике возбуждены. Из-за взаимных ударов они быстро теряют избыток энергии, высвобождая его в виде ультрафиолетовых фотонов с длиной волны 337.1 нанометров. Те фотоны которые летят вдоль столбика вызывают лавину индуцированного излучения — фотон индуцирует излучение своих копий близлежащими молекулами, новые фотоны, в свою очередь, индуцируют другие молекулы. Из столбика азота вырывается импульс лазерного излучения.
Скорость происходящих процессов поражает воображение. От начала разряда до поглощения мишенью лазерного импульса проходит десяток наносекунд. За это время в комнате практически ничего не происходит — 10 наносекунд относительно секунды это примерно то же что секунда относительно трех лет…
Часто лазерный импульс представляют как множество абсолютно одинаковых фотонов. Как можно догадаться из предыдущего описания, фотоны не движутся абсолютно одинаково — лавину вызывают несколько фотонов, направленных более или менее вдоль линии столбика возбужденного газа. А если вспомнить о том что любой фотон обладает свойствами волны, то становится понятно что даже если лавину вызовет один единственный фотон, то луч все равно будет расходиться. И частота фотонов также незначительно отличается — примерно на десятую нанометра. Это вызвано тем что молекула представляет собой сложную систему вибрирующих относительно друг друга электронов и ядер, при возбуждении энергия запасается и разряжается разными комбинациями этих вибраций.
Так как именно устроен простейший лазер? Посмотрим на схему. Сначала высоковольтный источник (1), скажем электрофорная машина(пример), заряжает конденсатор (2). Конденсатор, как мы уже говорили, имеет очень маленький зазор, и одна из его пластин разрезана пополам. На половинках лежат электроды (3), соединенные спиралькой индуктивности (4). Идут миллисекунды, по мере зарядки напряжение на конденсаторе растет, пока оно не становится достаточно большим для срабатывания разрядника (5) — пары острых электродов, разделенных воздушным промежутком в несколько миллиметров.
После пробоя разрядника правая половина конденсатора разряжается за какие-то пару наносекунд, но высокая индуктивность спирали (4) не позволяет пропустить наш заряд так быстро. Напряжение между правой и левой половинками растет и нетерпеливый заряд с левой половинки начинает идти прямо через воздух в том месте, где расстояние между электродами (3) минимально. Этот разряд возбуждает молекулы азота и уже через наносекунду-другую столбик газа испускает лазерный импульс.
Пара практических секретов для наладки. Место разряда надо приподнять над пластиной конденсатора, для этого под один из электродов подкладывают провод. Нормального объяснения почему это надо не знают даже профессора занимающиеся лазерами… Расстояние между электродами лучше регулировать при помощи деревянной палочки, потому что высокое напряжение и конденсатор. И запаситесь файликами, их понадобится много…
На второй иллюстрации вы можете видеть все устройство(видеоинструкция). Готово! Из г%%%а и палок фольги и проводов за полчаса мы собрали устройство за создание которого была выдана Нобелевская премия 1964 года! Если быть точным, то Таунс, Басов и Прохоров в 1954-ом использовали более сложную схему — мазер(микроволновый лазер) на аммиаке, в 1960-ом был создан классический рубиновый лазер, а наша схема(TEA nitrogen laser — Transverse Electrical Excitation at Atmospheric pressure) была придумана лишь в конце шестидесятых. Хороший пример того как дополнительные знания позволяют найти более простые пути.
Итак, попаданец определенно сможет произвести впечатление на ученых девятнадцатого века или начала двадцатого(в более ранние периоды простой электрический разряд впечатлит хроноаборигенов больше чем когерентность лазерного пучка). Сможем ли мы найти более практичное применение?
Лазерный микрофон — хорошая штука. Правда у нас импульсный лазер, так что частоту импульсов придется поднять хотя бы до килогерца. Добавим что лазер для этого не обязателен, по слухам Лев Термен в шарашке в 1947 создал аналог на обычном инфракрасном излучателе.
Связь? Нам понадобится оптическая система для получения узкого луча, но обычное стекло плохо пропускает ультрафиолет и для ультрафиолета требуется намного более высокое качество оптических поверхностей.
Контрольный инструмент в строительстве? В современных небоскребах специально оставляют технологические отверстия для того чтобы здание можно было просвечивать сверху донизу, но масштабы строительства попаданца будут куда скромнее.
Скорее всего самым практичным применением будет распускание слухов о супероружии для дезинформации противника. Такой вариант неплохо обыгран в цикле Величко «Кавказский принц«.
В любом случае сама возможность создания лазера на коленке вдохновляет.
Источник: Попаданцев.Нет