Pregúntele a Ethan # 35: ¿Los láseres tienen un límite de potencia?
El lector pregunta:Le hice esta pregunta a mi profesor de óptica en la universidad hace 5 años, pero no me respondió. Luego estudiamos láseres y un resonador óptico. Me preguntaba cuántos fotones pueden bombearse al resonador. ¿Hay alguna restricción en su densidad? ¿Qué sucede si excedes este límite?
Comencemos desde el principio, desde el átomo.
El átomo, como ya sabrá, es un núcleo con carga positiva y varios electrones a su alrededor. Los electrones pueden estar en un número limitado de configuraciones diferentes, solo una de las cuales es la más óptima y estable: el estado con la energía más baja.
Si el átomo se excita según sea necesario, su configuración electrónica cambiará y puede llegar a un nivel con una energía más alta, es decir. en un estado excitado En igualdad de condiciones, este estado degenerará espontáneamente de nuevo a estable, ya sea de forma inmediata o gradual. En este caso, se emitirá un fotón (o fotones) de energía estrictamente definida.
Así es como funciona un solo átomo. Pero básicamente, la materia consiste en muchos átomos interconectados. Además, la diversidad de todas las formas de materia, cristales y gases es sorprendente (aunque es finita).Pero aún así, cada uno de ellos tiene una cierta cantidad de electrones y estados de energía que pueden ocupar. Si puede agregar energía al sistema y excitar uno o más electrones, puede hacer que se emita a una frecuencia determinada. Y si excita el sistema de cierta manera controlada, puede hacer que emita radiación a la misma frecuencia, longitud de onda y dirección cada vez. Y luego obtenemos un láser.
LASER es un acrónimo que significa "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación" - "amplificación de luz por emisión estimulada". Aunque, de hecho, no se produce ganancia. Los electrones oscilan entre un estado excitado y no excitado, o entre dos excitados. Pero por alguna razón, el acrónimo Oscilación de luz por emisión estimulada de radiación (PERDEDOR) no quería usar.Pero la emisión espontánea es muy importante.
Si obtiene de muchos átomos o moléculas que entran en el mismo estado excitado, y luego estimulan su retorno espontáneo a un estado con energía mínima, emitirán fotones con la misma energía. Estas transiciones ocurren muy rápido (pero no infinitamente rápido), por lo que teóricamente hay un límite para la rapidez con que un átomo puede saltar a un estado excitado y emitir un fotón. El sistema necesita tiempo para reiniciarse.Por lo general, se usa un gas, cristal u otro material molecular para crear un láser en la cavidad. ¡Pero esta no es la única forma!
Se puede fabricar un láser utilizando electrones libres, semiconductores, fibras ópticas e incluso posiblemente positronio.. La radiación puede variar desde ondas de radio ultralargas a rayos X cortos y, en teoría, incluso a radiación gamma. Procesos similares incluso pueden ocurrir naturalmente en el espacio . Por lo general, ocurren en nubes que se mueven coherentemente en ondas de microondas. Pero algunos de estos fenómenos pueden alcanzar un estado en el que emitirán rayos láser visibles.
Con el desarrollo de la tecnología, la potencia de la radiación láser aumenta y está limitada solo por el alcance práctico de la tecnología moderna. Uno puede preguntarse acerca de la existencia de una restricción fundamental en la cantidad de fotones que puede producir un láser, ya que existe un límite en la cantidad de electrones que pueden exprimirse en una sección dada del espacio.
En mecánica cuántica, existe el principio de Pauli , que dice que dos o más fermiones idénticos no pueden estar simultáneamente en el mismo estado cuántico. Sin embargo, este principio se aplica solo a partículas como electrones o quarks, en las cuales el espín es medio entero: ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2. Para partículas con un giro completo, no existen tales restricciones para estar en el mismo estado.Por lo tanto, "materia ordinaria" y ocupa un cierto lugar en el espacio. Pero no todo obedece esta regla.
Un fotón, una partícula emitida por diferentes láseres, tiene un giro de ± 1, por lo que teóricamente es posible empujar cualquier cantidad de fotones en un espacio limitado.Teóricamente, esto es muy importante, porque si puedes encontrar la tecnología adecuada, ¡no hay restricciones en cuanto al poder que puedes obtener!
Casi todos los láseres con resonadores funcionan a la máxima potencia, pero existen restricciones prácticas sobre los materiales utilizados. En principio, si toma un láser suficientemente potente y crea un gran resonador óptico a partir de los espejos y hace que uno de los espejos sea móvil, puede comprimir la luz emitida incluso hasta el estado de un agujero negro.
Entonces en la práctica hay una limitación. Pero teóricamente, se asocia solo con los materiales físicos utilizados. Mientras mejores y más perfectos materiales encontremos y usemos, mayores densidades de energía podremos lograr, sin ninguna restricción.Actualización: físicoChad Orzel, quien escribe su propio blog , cree que aunque no hay restricciones en la energía de los fotones resultantes, en algún momento (aproximadamente cuando los fotones alcanzan 1 MeV), cuando un fotón interactúa con una superficie reflectante, comenzará espontáneamente pares de material-antimateria. Por lo tanto, a altas energías, su láser se convertirá en una sauna llena de materia y antimateria, y no solo de luz coherente. Por lo tanto, esto puede servir como una limitación en la potencia del láser. Lo sentimos, pero aparentemente no podrás hacer un agujero negro de esta manera. Source: https://habr.com/ru/post/es385929/
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