В 1987 году в стенах Королевского института (The Royal Institution) химики Джон Мейриг Томас и Дэвид Филлипс представили пятую лекцию из цикла рождественских чтений, посвященную практическому применению лазеров. Если в момент своего изобретения Теодором Майманом в 1960 году лазер называли «решением, которое ищет проблему», то к концу 1980-х он стал неотъемлемой частью быта, медицины и промышленности.
🏠 Лазеры в нашем доме и офисе 0:39
В 1980-х годах лазеры перестали быть исключительно лабораторными приборами и проникли в повседневную жизнь. Самым массовым примером стал проигрыватель компакт-дисков . Внутри него скрывается миниатюрный полупроводниковый лазер, размер которого едва превышает крупицу соли . Этот лазер считывает цифровую информацию в бинарном коде с поверхности диска, позволяя воссоздавать звук исключительного качества .
Лазерные технологии также радикально изменили работу офисов:
- История лазерной печати: По легенде, которую приводит Дэвид Филлипс, Теодор Майман установил первый рубиновый лазер за спиной своей секретарши, чтобы она могла нажатием кнопки стирать опечатки в документах, «прожигая» их .
- Принцип работы принтера: Современный лазерный принтер использует диодный лазер для формирования электростатического изображения на барабане, на который затем наносится тонер и закрепляется под воздействием тепла .
- Качество печати: Филлипс демонстрирует это, распечатывая именной сертификат для юной помощницы Сары прямо во время лекции .
🛒 Революция на кассе супермаркета 5:55
Одним из самых заметных применений лазера для обывателя стало сканирование штрихкодов в магазинах . В этих системах обычно используется гелий-неоновый лазер красного цвета. Луч сканирует последовательность линий разной толщины, переводя их в цифры, которые компьютер мгновенно сопоставляет с базой данных товаров .
Чтобы доказать эффективность технологии, лекторы устроили соревнование между двумя кассирами . Результаты показали следующие преимущества лазерных систем:
- Скорость: Лазерное считывание происходит значительно быстрее ручного ввода цен .
- Детализация: В отличие от обычных кассовых аппаратов того времени, которые писали просто «бакалея», лазерный чек содержит точное название каждого продукта .
- Автоматизация: Магазин получает возможность автоматически отслеживать остатки на складе и формировать заказы на новые поставки .
🏗️ Лазер на стройплощадке и в атмосфере 10:24
Инженеры-строители используют лазеры для высокоточных измерений. Вместо традиционных оптических приборов, требующих работы двух человек (один смотрит в трубу, другой держит рейку), современные лазерные нивелиры позволяют работать в одиночку . Ротационный инфракрасный лазер создает невидимую горизонтальную плоскость по всей площадке, а специальный приемник на рейке издает звуковой сигнал при попадании в луч .
Лазеры также позволяют изучать объекты, до которых невозможно дотянуться, например, облака или дым из труб :
- Эффект Тиндаля: Свет рассеивается на мелких частицах. Именно из-за этого небо кажется голубым, а закат — красным (синий спектр рассеивается сильнее) .
- LIDAR (Лидар): Система «светового обнаружения и дальнометрии». Посылая лазерный импульс и замеряя время его возвращения, ученые могут определять плотность и состав облаков на высоте сотен метров .
- Экологический мониторинг: С помощью метода дифференциального поглощения (DIAL) исследователи отслеживают выбросы диоксида серы из труб электростанций на расстоянии многих километров . Это критически важно для борьбы с кислотными дождями .
🔬 Химический анализ и криминалистика 22:26
Лазеры произвели революцию в спектроскопии — науке об определении состава веществ по их взаимодействию со светом. Дэвид Филлипс демонстрирует, что метод флуоресценции (свечения вещества под лазером) гораздо чувствительнее обычного поглощения света .
Впечатляющие факты о чувствительности:
- Предел обнаружения: Ученые способны увидеть флуоресценцию даже после миллионного разбавления вещества, когда человеческий глаз уже не видит никакого цвета в растворе .
- Криминалистика: Флуоресцентный анализ позволяет патологоанатомам находить следы ядов или лекарств в тканях организма . Также лазеры используются для выявления невидимых отпечатков пальцев на сложных поверхностях .
- Сверхнизкие температуры: Чтобы разделить сигналы очень похожих молекул (например, изомеров ксилола), их охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю (-272,6°C) . Для этого газ пропускают через крошечное отверстие вместе с гелием на сверхзвуковой скорости .
⚛️ Ядерная энергия будущего 37:25
Лазеры играют ключевую роль в атомной энергетике. Одной из важнейших задач является обогащение урана. Природный уран состоит в основном из изотопа U-238, но для реакторов нужен радиоактивный U-235 .
- Разделение изотопов: Поскольку атомы разных изотопов имеют чуть разную массу, они резонируют на разных частотах. Лазер настраивают так, чтобы он возбуждал только U-235, что позволяет «вылавливать» нужные атомы .
- Термоядерный синтез: В Ливерморской национальной лаборатории (Калифорния) массив мощнейших лазеров направляет импульсы на мишень из изотопов водорода . Это создает температуру более 100 миллионов градусов и колоссальное давление, запуская реакцию синтеза, подобную процессам внутри Солнца . По мнению Филлипса, это может стать основным источником энергии в XXI веке .
📸 Голография: 3D без очков 40:44
Голография — это метод записи не только интенсивности, но и фазы световой волны. Для создания голограммы лазерный луч разделяется на два: один идет прямо на фотопластинку, а другой отражается от объекта . При их встрече возникает интерференционная картина .
Применение голографии:
- Промышленный контроль: Инженеры могут удаленно осматривать ТВЭЛы (топливные стержни) в ядерных реакторах, создавая их трехмерные копии и изучая износ, не заходя в опасную зону .
- Ритейл: В будущем зеркала в сканерах штрихкодов могут быть заменены плоскими голографическими дисками .
- Искусство: На лекции демонстрируются объемные изображения Пегаса и даже «кричащего человека» .
⚔️ Лазерное оружие и «Звездные войны» 48:31
В конце 1980-х активно обсуждалась Стратегическая оборонная инициатива (СОИ) президента США Рональда Рейгана. Дэвид Филлипс выражает скепсис относительно военного использования лазеров как оружия прямого поражения в космосе .
Основные аргументы против эффективности космических лазеров:
- Сложность наведения: Системы слежения и наведения на баллистические ракеты находятся за пределами возможностей современных (на 1987 год) компьютеров .
- Простота противодействия: Филлипс проводит эксперимент, показывающий, что черный «вражеский снаряд» легко прожигается лазером, но достаточно просто отполировать поверхность ракеты, чтобы она отразила луч и осталась невредимой .
- Экономика: По словам Филлипса, нападающая сторона может использовать очень дешевые способы защиты, в то время как обороняющейся стороне придется вкладывать колоссальные средства в увеличение мощности лазеров .
Лекция завершается демонстрацией использования лазера для передачи звука (световой телефон) и напоминанием о том, что эта технология может использоваться и для шпионажа — дистанционного прослушивания вибраций оконных стекол .
