Лазерный мир

С момента своего появления лазеры совершили революцию в современной науке и технике, позволив передавать данные большого объёма на большие расстояния, хранить их, используя модификацию вещества с использованием лазерного луча, исследовать структуру материалов и предоставив многие другие возможности. Известно, что лазер является оптическим явлением. А теоретически, возможен ли некий звуковой лазер? Именно об этом мы и поговорим в этой статье.

Почти более 10 лет назад появилось устройство, получившее название «сазер» (англ. saser, сокр. от Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation, также называется звуковым, фононным или акустическим лазером), изобретателями которого стали английский профессор Энтони Кент и Борис Главин.

Нанометровая длина волны излучения типичного сазера позволяет проводить качественные исследования внутренней структуры материалов, так как звуковая волна глубоко проникает в физические объекты. Кроме того, если сравнивать с обычными оптическими лазерами, то можно сказать, что сазеры обладают гораздо меньшей длиной волны, что позволяет получать гораздо более чёткие картины. Вторым положительным качеством является возможность фокусировки с более высокой концентрацией энергии (из-за наличия короткой длины волны) в точку гораздо меньшего размера, с более высокой концентрацией энергии.

Потенциально изобретение сазеров может привести к созданию микропроцессоров, работающих на очень высоких частотах, существенно превышающих имеющиеся на данный момент.

В отличие от оптических устройств, вроде лазера, который оперирует понятием фотонов (частиц электромагнитного излучения), сазер оперирует понятием «фонона», — единого неделимого элемента вибрационной природы.

Образование фононов происходит следующим образом: для генерации используется специальная сетка, представляющая собой своеобразный бутерброд из арсенида галлия и арсенида алюминия. В эту сетку подаются затравочные фононы, то есть элементарные частицы, которые многократно переотражаются от структуры этой сетки, попутно лавинообразно генерируя всё новые и новые фононы. Для запуска генерации используется внешняя накачка лазерным лучом.

Таким образом, на выходе этой сетки образуется когерентный фононный луч, который обладает частотой колебаний вплоть до терагерца (частота типового сазера находится в пределах от нескольких мегагерц до терагерца).

Для создания сазеров необязательно использовать описанные выше полупроводниковые решётки, например, может быть использован способ генерирования когерентного звукового пучка в жидкости, наполненной газовыми пузырьками.

Суть этого способа заключается в том, что используется замкнутая ёмкость, заполненная жидкостью, в которой равномерно распределены дисперсные частицы. Специальная электрическая система генерирует электромагнитное поле, которое электризует пузырьки в жидкости. Импульсы электризации вызывают изменение объёмов каждого пузырька, что в свою очередь при определённом периоде следования импульсов вызывает излучение звуковой волны каждой частицей.

Дальнейшая настройка позволяет создать условия для возникновения стоячей волны, и при этом происходит усиление выходного полезного излучения, а сами пузырьки в жидкости в этот момент группируются согласно распределению акустических волн в ней.

Еще одним достаточно интересным вариантом создания звуковых колебаний на произвольном расстоянии является использование классического лазера, с помощью которого создаётся так называемый «световой пробой», также его называют «оптическим пробоем», «лазерной искрой».

Если вкратце, то оптический пробой представляет собой такое состояние газа, в которое он переходит под воздействием светового излучения лазера:

• Если лазер достаточно мощный (сила его излучения лежит в пределах от 109 до 1011 ватт на квадратный сантиметр), то он вызывает появление в воздухе вспышки света, которая представляет собой резкий переход газа в ионизированное состояние. В первый раз подобное явление было замечено ещё в 1963 году при экспериментах с рубиновым лазером.
• Если лазерное излучение является недостаточно мощным (сила его лежит в пределах до 107 ватт на квадратный сантиметр), то горение искры происходит с дозвуковой скоростью и называется «медленным горением».

Таким образом, лазерный световой пробой по сути своей является образованием в газе или жидкости плазмы, которая сначала расширяется, а потом резко схлопывается или, другими словами, коллапсирует, результатом чего является резкий звуковой импульс.

Подобный импульс может быть образован с помощью абляции с поверхности твёрдого материала, на которую наведен лазерный луч.

То есть, если лазерный луч модулирован звуком, то образующаяся в воздухе искра, либо испаряющийся с поверхности материал могут излучать звук достаточно громкий и мощный. Кроме того, перемещая лазерный луч с точкой фокусировки в пространстве, можно перемещать и источник звука (то есть место горения лазерной искры в пространстве будет изменять своё положение).

Плюсом такого способа извлечения звука является отсутствие потребности в аналого-цифровом преобразователе, так как цифровые последовательности импульсов напрямую преобразуются в звук.

Полное содержание статьи на https://habr.com/ru/company/first/blog/662563/