Demandez à Ethan # 35: Les lasers ont-ils une limite de puissance?
Le lecteur demande:J'ai posé cette question à mon professeur d'optique à l'université il y a 5 ans, mais il ne m'a pas répondu. Nous avons ensuite étudié les lasers et un résonateur optique. Je me demandais combien de photons pouvaient être pompés dans le résonateur? Y a-t-il une restriction sur leur densité? Que se passe-t-il si vous dépassez cette limite?
Commençons par le début - de l'atome.
L'atome, comme vous le savez peut-être, est un noyau chargé positivement et plusieurs électrons autour de lui. Les électrons peuvent être dans un nombre limité de configurations différentes, dont une seule est la plus optimale et la plus stable: l'état avec l'énergie la plus faible.
Si l'atome est excité au besoin, sa configuration électronique changera et pourra atteindre un niveau avec une énergie plus élevée, c'est-à-dire dans un état excité. Toutes choses étant égales par ailleurs, cet état va spontanément dégénérer pour redevenir stable, soit immédiatement, soit par étapes. Dans ce cas, un photon (ou des photons) d'énergie strictement définie sera émis.
Voilà comment fonctionne un seul atome. Mais fondamentalement, la matière se compose de nombreux atomes interconnectés. De plus, la diversité de toutes les formes de matière, de cristaux et de gaz est étonnante (bien qu'elle soit finie).Mais encore, chacun d'eux a un certain nombre d'électrons et d'états d'énergie qu'ils peuvent occuper. Si vous pouvez ajouter de l'énergie au système et exciter un ou plusieurs électrons, vous pouvez le faire émettre à une certaine fréquence. Et si vous excitez le système d'une certaine manière contrôlée, vous pouvez lui faire émettre un rayonnement à la même fréquence, longueur d'onde et direction à chaque fois. Et puis nous obtenons un laser.
LASER est un acronyme signifiant "amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement" - "amplification de la lumière par émission stimulée". Bien qu'en fait, aucun gain ne se produise. Les électrons oscillent entre un état excité et non excité, ou entre deux états excités. Mais pour une raison quelconque, l'acronyme Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation (LOSER) ne voulait pas utiliser.Mais l'émission spontanée est tout simplement très importante.
Si vous obtenez de nombreux atomes ou molécules qu'ils entrent dans le même état excité, puis stimulent leur retour spontané à un état avec une énergie minimale, ils émettront des photons avec la même énergie. Ces transitions se produisent très rapidement (mais pas infiniment rapidement), donc théoriquement il y a une limite à la vitesse à laquelle un atome peut sauter dans un état excité et émettre un photon. Le système a besoin de temps pour redémarrer.En règle générale, un gaz, un cristal ou un autre matériau moléculaire est utilisé pour créer un laser dans la cavité. Mais ce n'est pas le seul moyen!
Un laser peut être fabriqué en utilisant des électrons libres, des semi-conducteurs, des fibres optiques et même éventuellement du positronium. Le rayonnement peut varier des ondes radio ultra longues aux rayons X courts, et en théorie même au rayonnement gamma. Des processus similaires peuvent même se produire naturellement dans l'espace . Habituellement, ils se produisent dans des nuages en mouvement cohérent sur des ondes micro-ondes. Mais certains de ces phénomènes pourraient bien atteindre un état dans lequel ils émettront des faisceaux laser visibles.
Avec le développement de la technologie, la puissance de rayonnement laser augmente et n'est limitée que par la portée pratique de la technologie moderne. On peut s'interroger sur l'existence d'une restriction fondamentale sur le nombre de photons qu'un laser peut produire, car il y a une limite sur le nombre d'électrons qui peuvent être pressés dans une section donnée de l'espace.
En mécanique quantique, il y a le principe de Pauli , qui dit que deux fermions identiques ou plus ne peuvent pas être simultanément dans le même état quantique. Cependant, ce principe ne s'applique qu'aux particules comme les électrons ou les quarks, dont le spin est demi-entier: ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2. Pour les particules avec un spin entier, il n'y a pas de telles restrictions pour être dans le même état.Par conséquent, "la matière ordinaire" et prend une certaine place dans l'espace. Mais tout n'obéit pas à cette règle.
Un photon, une particule émise par différents lasers, a un spin de ± 1, donc théoriquement il est possible de pousser n'importe quel nombre de photons dans un espace limité.En théorie, cela est très important, car si vous pouvez trouver la bonne technologie, il n'y a aucune restriction sur la puissance que vous pouvez obtenir!
Presque tous les lasers avec résonateurs fonctionnent à puissance maximale, mais il existe des restrictions pratiques sur les matériaux utilisés. En principe, si vous prenez un laser suffisamment puissant et créez un grand résonateur optique à partir de miroirs et rendez l'un des miroirs mobile, vous pouvez compresser la lumière émise même à l'état d'un trou noir.
Donc, en pratique, il y a une limitation. Mais théoriquement, il n'est associé qu'aux matériaux physiques utilisés. Les matériaux les meilleurs et les plus parfaits que nous trouvons et utilisons, les densités d'énergie plus élevées que nous pouvons atteindre, sans aucune restriction.Mise à jour: physicienChad Orzel, qui écrit son propre blog , estime que bien qu'il n'y ait aucune restriction sur l'énergie des photons résultants, à un moment donné (approximativement lorsque les photons atteignent 1 MeV), lorsqu'un photon interagit avec une surface réfléchissante, vous commencerez spontanément des paires matière-antimatière. Par conséquent, à des énergies élevées, votre laser se transformera en un sauna rempli de matière et d'antimatière, et pas seulement de lumière cohérente. Cela peut donc très bien servir de limitation à la puissance du laser. Désolé, mais apparemment, vous ne pourrez pas faire un trou noir de cette façon. Source: https://habr.com/ru/post/fr385929/
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