Tanyakan Ethan # 35: Apakah laser memiliki batas daya?
Pembaca bertanya:Saya mengajukan pertanyaan ini kepada guru optik saya di universitas 5 tahun yang lalu, tetapi dia tidak menjawab saya. Kami kemudian mempelajari laser dan resonator optik. Saya bertanya-tanya berapa banyak foton yang dapat dipompa ke resonator? Apakah ada batasan kepadatannya? Apa yang terjadi jika Anda melebihi batas ini?
Mari kita mulai dari awal - dari atom.
Atom, seperti yang Anda ketahui, adalah inti bermuatan positif dan beberapa elektron di sekitarnya. Elektron dapat berada dalam sejumlah konfigurasi berbeda, hanya satu di antaranya yang paling optimal dan stabil: keadaan dengan energi terendah.
Jika atom bersemangat sesuai kebutuhan, konfigurasi elektroniknya akan berubah dan dapat naik ke tingkat dengan energi yang lebih tinggi, mis. menjadi bersemangat. Hal-hal lain dianggap sama, keadaan ini secara spontan akan merosot kembali ke stabil, baik secara langsung maupun bertahap. Dalam hal ini, foton (atau foton) dari energi yang ditentukan secara ketat akan dipancarkan.
Beginilah cara kerja atom tunggal. Tetapi pada dasarnya, materi terdiri dari banyak atom yang saling berhubungan. Selain itu, keragaman semua bentuk materi, kristal dan gas menakjubkan (meskipun terbatas).Namun, masing-masing dari mereka memiliki sejumlah elektron dan keadaan energi yang dapat mereka tempati. Jika Anda dapat menambahkan energi ke sistem dan mengeluarkan satu atau lebih elektron, Anda dapat membuatnya memancarkan pada frekuensi tertentu. Dan jika Anda menggairahkan sistem dengan cara terkendali tertentu, Anda dapat membuatnya memancarkan radiasi pada frekuensi, panjang gelombang, dan arah yang sama setiap kali. Dan kemudian kita mendapatkan laser.
LASER adalah akronim yang berarti "amplifikasi cahaya dengan stimulasi emisi radiasi" - "amplifikasi cahaya melalui emisi terstimulasi". Meskipun, pada kenyataannya, tidak ada perolehan yang terjadi. Elektron berosilasi antara keadaan tereksitasi dan tidak tereksitasi, atau di antara dua yang tereksitasi. Tetapi untuk beberapa alasan, singkatan Osilasi Cahaya oleh Stimulated Emission of Radiation (LOSER) tidak ingin digunakan.Tetapi emisi spontan hanya sangat penting.
Jika Anda mendapatkan dari banyak atom atau molekul bahwa mereka masuk ke keadaan tereksitasi yang sama, dan kemudian merangsang kembalinya mereka secara spontan ke keadaan dengan energi minimal, mereka akan memancarkan foton dengan energi yang sama. Transisi-transisi ini terjadi dengan sangat cepat (tetapi tidak dengan sangat cepat), sehingga secara teoritis ada batas seberapa cepat sebuah atom dapat melompat ke keadaan tereksitasi dan memancarkan foton. Sistem perlu waktu untuk reboot.Biasanya, gas, kristal, atau bahan molekuler lainnya digunakan untuk membuat laser di rongga. Tapi ini bukan satu-satunya cara!
Laser dapat dibuat menggunakan elektron bebas, semikonduktor, serat optik, dan bahkan positronium. Radiasi dapat bervariasi dari gelombang radio ultra-panjang hingga sinar-X pendek, dan secara teori bahkan hingga radiasi gamma. Proses serupa bahkan dapat terjadi secara alami di ruang angkasa . Biasanya mereka muncul di awan yang bergerak secara koheren pada gelombang gelombang mikro. Tetapi beberapa dari fenomena ini mungkin mencapai keadaan di mana mereka akan memancarkan sinar laser yang terlihat.
Dengan perkembangan teknologi, daya radiasi laser meningkat, dan hanya dibatasi oleh ruang lingkup praktis dari teknologi modern. Orang mungkin bertanya-tanya tentang adanya batasan mendasar pada jumlah foton yang dapat dihasilkan oleh laser, karena ada batasan pada jumlah elektron yang dapat diperas ke dalam bagian ruang tertentu.
Dalam mekanika kuantum, ada prinsip Pauli , yang mengatakan bahwa dua atau lebih fermion identik tidak dapat secara bersamaan berada dalam keadaan kuantum yang sama. Namun, prinsip ini hanya berlaku untuk partikel seperti elektron atau quark, di mana putarannya setengah bilangan bulat: ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2. Untuk partikel dengan putaran penuh, tidak ada batasan untuk berada dalam kondisi yang sama.Karena itu, "hal biasa" dan mengambil tempat tertentu di ruang angkasa. Tapi tidak semuanya mematuhi aturan ini.
Sebuah foton, sebuah partikel yang dipancarkan oleh laser yang berbeda, memiliki putaran ± 1, sehingga secara teoritis dimungkinkan untuk mendorong sejumlah foton ke ruang terbatas.Secara teoritis, ini sangat penting, karena jika Anda dapat menemukan teknologi yang tepat, tidak ada batasan pada kekuatan yang bisa Anda dapatkan!
Hampir semua laser dengan resonator beroperasi pada daya maksimum, tetapi ada batasan praktis pada bahan yang digunakan. Pada prinsipnya, jika Anda mengambil laser yang cukup kuat dan membuat resonator optik besar dari cermin dan membuat salah satu cermin dapat dipindah, maka Anda dapat memampatkan cahaya yang dipancarkan bahkan ke keadaan lubang hitam.
Jadi dalam praktiknya ada batasan. Namun secara teoritis, itu hanya dikaitkan dengan bahan fisik yang digunakan. Semakin baik dan semakin sempurna bahan yang kita temukan dan gunakan, semakin tinggi kepadatan energi yang bisa kita capai, tanpa batasan apa pun.Pembaruan: FisikawanChad Orzel, yang menulis blognya sendiri , percaya bahwa meskipun tidak ada batasan pada energi dari foton yang dihasilkan, di beberapa titik (kira-kira ketika foton mencapai 1 MeV), ketika foton berinteraksi dengan permukaan pantulan, Anda akan secara spontan memulai pasangan antimateri materi. Karenanya, pada energi tinggi, laser Anda akan berubah menjadi sauna yang penuh dengan materi dan antimateri, dan bukan hanya cahaya yang koheren. Jadi ini dapat berfungsi sebagai batasan daya laser. Maaf, tetapi tampaknya Anda tidak akan dapat membuat lubang hitam dengan cara ini. Source: https://habr.com/ru/post/id385929/
All Articles