Pergunte a Ethan # 35: Os lasers têm um limite de potência?
O leitor pergunta:Fiz essa pergunta ao meu professor de ótica na universidade há 5 anos, mas ele não me respondeu. Em seguida, estudamos lasers e um ressonador óptico. Eu queria saber quantos fótons podem ser bombeados para o ressonador? Existe uma restrição em sua densidade? O que acontece se você exceder esse limite?
Vamos começar do começo - do átomo.
O átomo, como você deve saber, é um núcleo carregado positivamente e vários elétrons ao seu redor. Os elétrons podem estar em um número limitado de configurações diferentes, apenas uma das quais é a mais ideal e estável: o estado com a menor energia.
Se o átomo for excitado conforme necessário, sua configuração eletrônica mudará e poderá atingir um nível com uma energia mais alta, ou seja, em um estado excitado. Sendo outras coisas iguais, esse estado degenerará espontaneamente de volta ao estábulo, imediatamente ou de maneira gradual. Nesse caso, um fóton (ou fótons) de energia estritamente definida será emitido.
É assim que um único átomo funciona. Mas, basicamente, a matéria consiste em muitos átomos interconectados. Além disso, a diversidade de todas as formas de matéria, cristais e gases é surpreendente (embora seja finita).Mas, ainda assim, cada um deles possui um certo número de elétrons e estados de energia que podem ocupar. Se você pode adicionar energia ao sistema e excitar um ou mais elétrons, pode fazê-lo emitir a uma certa frequência. E se você excitar o sistema de uma certa maneira controlada, pode fazê-lo emitir radiação na mesma frequência, comprimento de onda e direção a cada vez. E então temos um laser.
LASER é um acrônimo que significa "amplificação de luz por emissão estimulada de radiação" - "amplificação de luz por emissão estimulada". Embora, de fato, nenhum ganho ocorra. Os elétrons oscilam entre um estado excitado e não excitado ou entre dois estados excitados. Mas, por alguma razão, o acrônimo Oscilação da luz por emissão estimulada de radiação (LOSER) não queria usar.Mas a emissão espontânea é apenas muito importante.
Se você obtiver de muitos átomos ou moléculas que eles entram no mesmo estado excitado e estimular o retorno espontâneo a um estado com energia mínima, eles emitirão fótons com a mesma energia. Essas transições ocorrem muito rapidamente (mas não infinitamente rapidamente); portanto, teoricamente, há um limite para a rapidez com que um átomo pode saltar para um estado excitado e emitir um fóton. O sistema precisa de tempo para reiniciar.Normalmente, um gás, cristal ou outro material molecular é usado para criar um laser na cavidade. Mas este não é o único caminho!
Um laser pode ser feito usando elétrons livres, semicondutores, fibras ópticas e até possivelmente positrônio. A radiação pode variar de ondas de rádio ultra longas a raios-X curtos e, em teoria, até radiação gama. Processos semelhantes podem até ocorrer naturalmente no espaço . Geralmente eles ocorrem em nuvens em movimento coerente nas ondas de microondas. Mas alguns desses fenômenos podem muito bem alcançar um estado em que eles emitirão raios laser visíveis.
Com o desenvolvimento da tecnologia, o poder da radiação laser aumenta e é limitado apenas pelo escopo prático da tecnologia moderna. Alguém pode se perguntar sobre a existência de uma restrição fundamental ao número de fótons que um laser pode produzir, uma vez que existe um limite no número de elétrons que podem ser espremidos em uma determinada seção do espaço.
Na mecânica quântica, existe o princípio de Pauli , que diz que dois ou mais férmions idênticos não podem estar simultaneamente no mesmo estado quântico. No entanto, esse princípio se aplica apenas a partículas como elétrons ou quarks, nas quais o spin é meio inteiro: ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2. Para partículas com um giro inteiro, não existem restrições quanto a estar no mesmo estado.Portanto, "matéria comum" e ocupa um certo lugar no espaço. Mas nem tudo obedece a essa regra.
Um fóton, uma partícula emitida por diferentes lasers, tem um giro de ± 1; portanto, teoricamente é possível empurrar qualquer número de fótons para um espaço limitado.Teoricamente, isso é muito importante, porque se você conseguir a tecnologia certa, não há restrições quanto ao poder que pode obter!
Quase todos os lasers com ressonadores operam com potência máxima, mas existem restrições práticas nos materiais utilizados. Em princípio, se você pegar um laser suficientemente poderoso e criar um ressonador óptico grande a partir de espelhos e tornar um dos espelhos móveis, poderá comprimir a luz emitida até o estado de um buraco negro.
Portanto, na prática, há uma limitação. Mas, teoricamente, está associado apenas aos materiais físicos utilizados. Quanto melhores e mais perfeitos materiais encontrarmos e usarmos, maiores densidades de energia conseguiremos, sem restrições.Atualização: FísicoChad Orzel, que escreve seu próprio blog , acredita que, embora não haja restrições à energia dos fótons resultantes, em algum momento (aproximadamente quando os fótons atingem 1 MeV), quando um fóton interage com uma superfície refletora, você inicia espontaneamente pares de material e antimatéria. Portanto, com altas energias, seu laser se transformará em uma sauna cheia de matéria e antimatéria, e não apenas luz coerente. Portanto, isso pode servir como uma limitação da potência do laser. Desculpe, mas aparentemente você não poderá fazer um buraco negro dessa maneira. Source: https://habr.com/ru/post/pt385929/
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