Najmocniejszy laser na świecie? Trudno wskazać, które urządzenie zasługuje na ten tytuł
Jaki jest najmocniejszy laser na świecie? Odpowiedź na to pytanie nie jest tak prosta, jak może się wydawać. Zacznijmy od tego, czy chodzi nam o taki laser, który ma przeciąć gruby arkusz stali, „ustrzelić” Księżyc, zoperować wzrok czy pozbyć się zbędnego pieprzyka?
Spis treści:
Lasery są dziś czymś bardzo powszechnym, choć nie każdy rozumie czym tak naprawdę są i w jaki sposób działają. W największym możliwym skrócie można powiedzieć, że są to urządzenia generujące promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego, ultrafioletowego lub podczerwonego, bazując na zjawisku emisji wymuszonej. Sama nazwa „laser” to akronim od angielskiego Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli "wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania".
Promieniowanie laserowe cechuje się spójnością, często jest spolaryzowane i tworzy wiązkę o minimalnej rozbieżności. Laser może emitować promieniowanie o bardzo wąskiej szerokości linii emisyjnej, co przekłada się na dużą moc w wybranym, ograniczonym zakresie widma.
Lasery a Albert Einstein
Pierwsza wiązka światła laserowego została wyemitowana w 1960 roku. Jednak początki prac nad laserem sięgają roku 1917, kiedy Albert Einstein zasugerował możliwość pobudzania atomów do emisji światła. Sprawdzenie tej teorii zajęło wiele lat.
W 1954 roku Charles Townes, James Gordon i Herbert Zeiger skonstruowali maser, czyli urządzenie emitujące kontrolowaną wiązkę mikrofal. To odkrycie zainspirowało naukowców do zbudowania lasera. W 1960 roku Theodore Maiman zbudował pierwszy laser, używając do tego rubinowego pręta i lampy błyskowej. W związku z tym, że prace nad laserem rozwijały się równolegle w kilku miejscach na świecie, niektóre źródła w nieco inny sposób ustawiają harmonogram pracy nad urządzeniem.
W kolejnych latach rozwijano różne typy laserów, m.in. gazowy i neodymowy. Natomiast pierwszy polski laser zbudowano w 1963 roku w Wojskowej Akademii Technicznej.
Jak działa laser?
Zasada działania lasera polega na wymuszaniu emisji promieniowania z materiału zwanego ośrodkiem czynnym. Proces ten zachodzi dzięki dostarczeniu energii przez układ pompujący, co prowadzi do mnożenia fotonów w wyniku absorpcji i późniejszej emisji spontanicznej. Kluczową rolę odgrywa także rezonator optyczny, który o umożliwia emisję promieniowania laserowego.
W związku z tym, każdy laser składa się z:
- ośrodka czynnego,
- układu pompującego,
- rezonatora optycznego.
Podział laserów
Lasery można sklasyfikować według różnych kryteriów. Pod względem trybu pracy wyróżnia się:
- lasery ciągłe, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu,
- lasery impulsowe, generujące impulsy światła.
W zależności od zakresu widma promieniowania:
- lasery emitujące w podczerwieni,
- lasery działające w zakresie światła widzialnego,
- lasery emitujące promieniowanie ultrafioletowe.
W zależności od ośrodka czynnego:
- lasery gazowe,
- lasery na ciele stałym,
- lasery cieczowe,
- lasery półprzewodnikowe,
- lasery na wolnych elektronach.
Mamy też lasery przemysłowe, naukowe, do zastosowań medycznych i kosmetycznych, laserowe mierniki, LiDAR-y i wiele innych.
Tryby pracy laserów
W dodatku każde z powyższych zastosowań wymaga innego trybu pracy lasera, a co za tym idzie po prostu innego lasera. O ile przy cięciu stali jest potrzebna tzw. emisja ciągła, to podczas pomiaru odległości do Księżyca czy satelitów, laser musi operować impulsami o określonej długości. Można to przyrównać stałego i równomiernego wypływu wody z kranu i strzelania z działka wodnego.
Podobnie będzie przy zabiegach medycznych i kosmetycznych. Jest to wynikiem dostosowania procesu do potrzeb. I to powoduje pewne problemy. Szczególnie, gdy chcemy ocenić który ze znanych nam laserów jest najmocniejszy.
Najmocniejszy laser na świecie
Co pewien czas w mediach pojawiają się nagłówki krzyczące wielkimi literami, że jakieś urządzenie to najmocniejszy laser na świecie. Było tak choćby w przypadku ELI, czyli Extreme Light Infrastructure, sponsorowanego przez Komisję Europejską. Celem projektu jest zapewnienie badaczom dostępności do ultraszybkich i wysokiej mocy laserów naukowych. Ma to umożliwić najnowocześniejsze badania w dziedzinie nauk fizycznych, chemicznych, materiałowych i medycznych, a także przełomowe innowacje technologiczne.
Media obiegły informacje, że ELI osiąga moc szczytową rzędu 10 petawatów (PW), czyli 10 milionów miliardów watów. A co za tym idzie, okrzyknięto go najmocniejszym laserem świata. Ale taka moc nie jest ciągła, ponieważ laser działa w trybie impulsowym, generując niezwykle krótkie impulsy trwające zaledwie femtosekundy (jedna femtosekunda to jedna biliardowa sekundy). Dzięki temu można uzyskać ogromną moc chwilową. To czyni ten laser najpotężniejszym na świecie, ale tylko pod względem mocy szczytowej.
Wiąże się to po prostu z czasem emisji wiązki o danej energii. A więc długością impulsu, do którego została przekazana dana energia. Ta sama energia niezbędna do przecięcia stalowych arkuszy podczas jednej sekundy, upakowana w bardzo krótki impuls o długości nano- (10 do potęgi -9 = 0,000000001), piko- (10-12) lub femtosekundowej (10-15) sekundowej pozwala na wędrówkę promienia laserowego do Księżyca i z powrotem w celu jego detekcji.
Właśnie dlatego super laser ELI, używający ekstremalnie krótkich impulsów, może chwalić się energią szczytową rzędu 10 petawatów. Ale nawet to nie jest w stanie sprawić, że będzie on obiektywnie najmocniejszy.