Казалось бы, как связаны кассовые аппараты, бесконечная офисная мукулатура, наведение боевых ракет и, например, концерты электронной музыки? Ведь все эти области настолько далеки друг от друга, что кажется, что у них нет ничего общего. Однако это не совсем так. Во всех этих областях применяются лазеры. Сканеры штрих-кодов, лазерные принтеры, системы лазерного наведения и световые шоу на концертах — это только малая часть областей, где они нашли свое применение. Области их применения огромны — от медицины и промышленности до детских игрушек и сельскохозяйственной техники. Устроимся поудобнее, сегодня мы рассмотрим, как работают лазеры, какая прекрасная физика за ними спрятана и как лазерные технологии стали незаменимы в нашем мире. А заодно посмотрим, каким образом лазерные принтеры способны печатать по 30-40 страниц в минуту и как квантовые эффекты помогают вам печатать документы.

Вообще, если говорить правильно, лазер — это просто акроним, который плотно вошел в нашу жизнь. Если разобрать, то получается «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». Или если перевести, то усиление света посредством вынужденного излучения. И начало мы в истории создания лазеров можно считать 1916 годом, когда Альберт Эйнштейн в своей теоретической работе предсказал возможность некоторых атомов проявлять этот эффект вынужденного излучения. Это явление является физическим фундаментом, на основе которого работают все лазеры. И оно прекрасно по своей сути. Сейчас будет немного теории, но мы все объясним.

Эйнштейн предсказал, что могут существовать такие квантовые системы, как атомы и молекулы, которые могут переходить в особое возбужденное состояние под воздействием фотонов света. Они его как бы поглощают. Дальше этот возбужденный атом может пойти двумя разными путями. Первый — это когда атом самостоятельно возвращается в спокойное состояние через некоторое время. Время это, кстати, обычно очень короткое, всего несколько десятков наносекунд. И при этом переходе атом испускает фотон с определенной длиной волны. Но есть и второй путь, который является самым интересным. И это когда в этот возбужденный атом попадает еще один фотон. При этом он как бы выбивает второй фотон из возбужденного атома, и они летят уже вместе. И самое интересное, что они не просто два фотона. Они абсолютно одинаковы, у них совпадают все параметры. Новый созданный фотон имеет такую же энергию, фазу, поляризацию и направление распространения, что и исходный фотон, который при этом не поглощается. И это называется когерентностью. И эти фотоны летят дальше уже вместе, пока они не встретят еще один возбужденный атом и так далее. В этом случае это что-то наподобие лавинного эффекта, когда летит множество фотонов, которые продолжают создавать все больше и больше таких же фотонов, и все они летят в одном и том же направлении. При этом такой эффект возбуждения могут проявлять совсем не все материалы, но в целом их довольно много. Это могут быть как кристаллы с полупроводниками, так и жидкости, и даже некоторые газы, например, углекислый газ. Отсюда и знаменитый углекислотный лазер. И все эти материалы испускают фотоны с определенными параметрами. Отсюда и такое большое разнообразие различных лазеров. Они могут отличаться по мощности, длине волны (цвету) и быть постоянными или импульсными.

Но тут вы можете заметить, что фотоны, хоть и получаются направленными, изначально они могут лететь в любую сторону. Почему же тогда лазеры светят так сильно и не рассеиваются? Если изначально все светит во все стороны. И тут на помощь приходят зеркала. Фактически нашу лавину из одинаковых фотонов заключают в бесконечный цикл отражений, от одной стенки цилиндра к другой. И это работает как усилитель излучения. Лавина фотонов летит от одного края цилиндра к другому, генерируя все больше и больше таких же фотонов. То есть все фотоны, которые летят от зеркала к зеркалу, создают просто бесконечное количество одинаковых собратьев. А вот те, которые изначально летят наружу цилиндра, просто рассеиваются. При этом сами зеркала немного различаются. Одно отражает падающий свет полностью, а второе может пропускать через себя небольшую часть этого света. И это позволяет на выходе из лазера получать узко направленный, когерентный и монохромный свет. Тут еще стоит сказать, что лазер не может начать работать сам по себе. Существуют разные варианты для того, чтобы дать этот первичный толчок лавине фотонов. Это называется первичный накачиватель. И бывают очень разные источники, но зачастую это электрический разряд. Например, такой разряд применяется в полупроводниковых диодах, которые используются в лазерных принтерах или головках для считывания компакт-дисков. Но если вы, конечно, еще помните, что такое компакт-диски. И если у вас в компьютере вдруг стоит CD-ROM. А если вы еще помните, что такое компакт-диски, поставьте этому ролику лайк. Также источником могут служить определенные химические реакции или вообще другой менее мощный лазер. Все зависит от области применения и требований. В целом, сегодня очень трудно найти область, где бы не применялись лазеры. Это универсальные инструменты, которые применяются для всего. Начиная от медицины и строительства, и детских игрушек, и заканчивая передачей информации в космосе и сверхмощными лазерами, которые используются в лазерном термоядерном синтезе. Лазер — это возможность очень тонко контролировать интенсивность, длину волны, мощность и главное распространение нужного света. Именно это и позволило лазерным технологиям так разрастись по всем областям. Но давайте посмотрим на более приземленные варианты. Взглянем на то, как квантовый эффект вынужденного излучения каждый день делает нашу жизнь чуть-чуть проще. Давайте разберем, как работает лазерный принтер. И посмотрим на это, например, на принтере PANTUM M7100DW. Что же делает лазер в лазерном принтере? Он наносит рисунок путем удаления отрицательного заряда с барабана. Что спросите вы? С какого барабана? Сейчас объясним. В лазерном принтере есть цилиндр, называемый OPC DRUM. На него наносится отрицательный заряд. Этот заряд наносится равномерно по всей поверхности его барабана. Далее на его поверхность светит лазерный луч. Но как мы уже сказали, лазерный луч можно практически идеально контролировать. Этот луч светит только на определенные области, с которых этот отрицательный заряд удаляется. Именно таким образом и формируется картинка. Только в самом начале эта картинка состоит только из заряженных областей на барабане. Теперь же надо перенести ее на бумагу. Здесь на помощь приходит картридж и тонер. Картридж содержит специальный порошок. Каждая частичка которого заряжена тоже отрицательно. За счет этого заряда он налепляет очень тонким слоем именно на те участки, которые за счет лазера потеряли свой заряд. Из качества тонера и картриджа действительно очень важно следить, так как использование некачественных картриджей может быть даже вредно для здоровья. В нашем принтере используется оригинальный картридж TL410. И это очень важно, так как делает печать не только экологичнее, но и просто дешевле. Ну а дальше дело за малым, так как мы уже получили рисунок на барабане, осталось только перенести его на бумагу, которая просто прислоняется к этому барабану. Кстати, замечали, что бумага из принтера выходит горячей? Это специальный нагреватель, который запекает тонер на бумаге. А температура в некоторых моделях может достигать до 350 градусов Цельсия. Наш лазерный принтер PANTUM M7100DW позволяет печатать с PVI-5, в том числе и просто с телефона, а скорость печати составляет 33 страницы в минуту при высоком разрешении 1200 на 1200. И с максимальным объемом печати 60 тысяч страниц в месяц. Он вообще умеет много всего, вот его спецификации и особенности, изучайте. В общем, умеет все, что должен уметь принтер сегодня. Ссылку на нашу модель мы оставили в описании, обязательно посмотрите. А теперь давайте рассмотрим еще одну область применения, с которой вы сталкиваетесь каждый день. Зачем нужен лазер с камерой в телефоне? Вы ведь все помните, что штрих-код — это набор вертикальных линий разной ширины. Но задумались ли вы, почему они черные и белые, в основном, и почему разные ширины? Черные и белые — это просто единицы и нули двоичного кода. А линии на самом деле все одинаковой толщины. Просто когда идут несколько одинаковых единиц или нулей подряд, то они сливаются в одну толстую либо белую, либо черную линию. Но как же считать кота и причем тут лазер? Помните, что они именно черно-белые? Белый свет лучше отражает падающий свет, а черный наоборот, отлично поглощает падающие излучения. Лазерный луч в конце концов сканирует их код с одной стороны в другую. И там, где белая полоса, отраженный свет попадает обратно в сканер, где его фиксирует специальный датчик. Ну и соответственно, когда лазерный луч попадает на черную полосу, то отражение не происходит. И датчик ничего не фиксирует. Вот и весь принцип работы с канаро-штрих кодами. Что ж, сегодня мы с вами посмотрели, почему и как работают лазеры, поняли, как мы с вами практически ежедневно взаимодействуем с результатами более 100 лет исследований в области квантовой физики, химии и материаловедения. Лазеры стали нашими абсолютно незаменимыми помощниками во многих областях жизни, и можно только ждать, где еще их применит человечество.