В мае 1960 года физик Теодор Мейман впервые продемонстрировал действие лазера. Прошло 65 лет, и лазеры повсюду, в том числе и в энергетике: геологам они помогают изучать состав почвы, химикам — проверять пробы из скважин, строителям — контролировать соответствие здания проекту. Возможно, прямо сейчас вы листаете этот текст лазерной мышкой.
Первый лазер светил красным, а спустя 65 лет на велозаезде «ЗСД Фонтанка Фест» мы становимся свидетелями фантастического лазерного шоу от «Энергии+». От чего зависит его цвет?
Лазерное шоу «Энергии+» в тоннеле ЗСД во время велофестиваля
Внутри лазера атомы активного вещества возбуждаются излишком энергии, а затем «успокаиваются», сбрасывая ее в виде света — потока фотонов. При этом атомы испускают свет синхронно, узким пучком определенной волны. Если длина волны этого света попадает в видимый диапазон электромагнитных волн, мы говорим, что у лазерного луча есть цвет.
Лазерный луч может иметь длину волны любого диапазона оптического спектра. Это зависит от того, из чего сделана активная среда — вещество (газ, кристалл, жидкость или полупроводник), который при подаче энергии (накачки) генерирует свет. У каждого вещества уникальная атомная или молекулярная структура, которая определяет, какие именно длины волн оно может излучать. Подбирая активную среду, можно получить нужную длину волны, а значит, и цвет луча лазера.
Юлия Карлагина, младший научный сотрудник института лазерных технологий Университета ИТМО
Например, лазер с активной средой в виде смеси газов гелия и неона излучает красный свет с длиной волны примерно 633 нанометра. Полупроводниковый с активной средой из нитрида галлия — синий свет с длиной волны из диапазона 360–480 нанометров.
Не все лазеры светятся в привычном смысле слова — некоторые из них невидимы глазу. Такие лазеры используют в хирургии или промышленности для разрезания материалов и тканей, а также в телекоммуникациях.
«Смешивая» лазерные лучи разных цветов, словно краски на палитре, мы получим другие оттенки. Вывести почти любой тон можно по модели RGB — из трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Причина кроется в сетчатке человеческого глаза, где расположены колбочки — оптические сенсоры трех типов, чувствительные к красному, зеленому или синему диапазонам спектра. Любой цвет, который мы видим, — результат возбуждения трех типов колбочек в различных пропорциях. На модели RGB основана работа светодиодных дисплеев и многих проекторов, в том числе лазерных.
Лазерные лучи красного и зеленого цветов
— Однако «смешивание» лазерных лучей не будет смешиванием в привычном понимании слова, — отмечает Юлия Карлагина. — Краски не излучают, а поглощают определенные длины волн и отражают остальные — их мы и видим в качестве цвета. В случае с лазерами мы как бы собираем букет из разных длин волн, направляя лучи в одну точку. Наш глаз будет видеть новый цвет этой точки, но при спектральном анализе «букета» мы все равно увидим несколько отдельных длин волн, а не одну новую. Существуют перестраиваемые лазеры, но и их цвет меняется путем переключения на новую доминирующую длину волны.
Кстати, другая распространенная цветовая модель CMYK (в ее основе голубой, пурпурный, желтый и черный) для лазерных шоу и мониторов не подходит, потому что работает с отраженным, а не с излучаемым светом, — точно так же, как в случае с красками. Ее применяют при печати изображений. Из-за разных цветовых моделей одно и то же фото на бумаге может выглядеть не так, как на мониторе.
Как создают лазерные шоу
Лазеры для резки металла, хирургических операций, научных исследований, энергетики обладают большой мощностью и высокой концентрацией энергии. Благодаря этому они мгновенно и точно прожигают материалы. Громоздкие лазерные установки требуют строгого соблюдения мер безопасности.
В нефтегазовой отрасли цвет лазерного луча имеет значение, но не как самоцель, а как следствие выбора лазера с нужными физико-техническими характеристиками. Цвет влияет на взаимодействие луча с материалами, глубину проникновения, эффективность возбуждения флуоресценции (свечения), совместимость с детекторами и оптическими системами. В зависимости от задачи выбирается длина волны.
Борис Белозеров, эксперт по развитию и геологоразведке «Газпром нефти»
Для резки и сварки, продолжает Борис Белозеров, используют инфракрасные лазеры — например, CO₂-лазеры с длиной волны 10,6 микрометра. Для анализа состава газов и жидкостей при помощи лазерной спектроскопии — лазеры с длинами волн, соответствующими поглощению нужных веществ. Для создания 3D-моделей местности и объектов при помощи лазерного сканирования — длины волн 1064 или 1550 нанометров.
Промышленный лазер для резки металла во время работы
У лазеров на световых шоу низкая мощность и расфокусированный луч — это делает их безопасными для зрителей. Как правило, применяют полупроводниковые (диодные) и твердотельные лазеры. Они компактны, надежды и просты в использовании, поэтому распространены и в быту — например, в CD-плеерах и компьютерных мышках. Раньше на представлениях применяли газовые лазеры: аргоновые, криптоновые, гелий-неоновые, — но они потеряли популярность из-за дороговизны и сложности обслуживания.
Красочные картины создают с помощью проекторов с лазерами, управляющих контроллеров и специального программного обеспечения. Например, для лазерного шоу «Энергии+» на «ЗСД Фонтанка Фест» привезли шесть роботизированных лазерных проекторов с высокой мощностью и точностью наведения луча.
Чтобы создать насыщенную палитру цветов и динамичные световые композиции, мы комбинировали лазеры с разными длинами волн. При этом лазерные установки подобрали в соответствии с международными стандартами и настроили так, чтобы лучи не ослепляли участников велофестиваля.
Леонид Яковлев, технический продюсер лазерного шоу «Энергии+» на «ЗСД Фонтанка Фесте»
Компанию проекторам на лазерных шоу часто составляет генератор дыма. Так, на велофестивале устройство нагнало специальный дым на короткий участок трассы, чтобы участники смогли лучше рассмотреть лазерные композиции в светлый вечер — в преддверии сезона белых петербургских ночей.
