Картинка: Фононный лазерный прибор.
Автор: Ivan S. Grudinin, Источник

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.


Philipposc, Источник

Способы создания сазеров не ограничиваются теми, о которых уже было сказано, более подробно об этой теме вы можете прочитать вот по этой ссылке.

А существуют ли нелазерные способы образования звукового луча? Да, конечно, например, существует такая технология как получение «звука от ультразвука». Суть её заключается в том, что ультразвук достаточно высокой энергии при прохождении через воздушную среду может изменить скорость прохождения звука в ней, другими словами, воздух, находящийся на пути прохождения такого луча, ведёт себя нелинейно и может являться модулятором звуковой волны слышимого диапазона.

Если сказать проще, то человек на пути такого луча начинает слышать звук, а если отойдёт в сторону от него — не услышит ничего. Кроме того, если этот луч упрётся в какую-либо преграду, то сама преграда начнёт излучать звуковую волну.

Описанный принцип хорошо показан на видео ниже, где автор использовал для создания мощного ультразвукового излучения массив ультразвуковых излучателей хоббийного типа.


Почему в экспериментах подобного рода используется ультразвук? Дело в том, что он уже по своей природе обладает гораздо более узким лучом распространения, чем звук слышимого диапазона, именно поэтому его используют в экспериментах по созданию такого «беззвучного звукового луча».

Коммерческие перспективы подобной технологии достаточно велики: на её основе возможно создавать своеобразные звуковые проекторы, которые позволяют достаточно точно наводить звук на потребителя, в то время как окружающие лица не будут слышать ничего. Или, например, удобным способом применения технологии может быть прослушивание разными лицами в одном и том же помещении разных звуковых дорожек.

Подобная технология изначально были разработана параллельно в СССР и США еще в шестидесятых годах, однако несовершенство тогдашних решений не позволяло передавать звук с приемлемыми искажениями. Решение было найдено только в 1998 году, после чего передаваемый таким способом звук стал обладать приемлемым качеством, а искажения, сопутствующие ему, не превышают таковые у обычных звуковых колонок.

Следует отметить, что описанные выше способы не являются единственно возможными для дистанционной передачи звука с использованием лучевых принципов.

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».

Дискретный пример такого пробоя (с мощным лазером) можно увидеть ниже:


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.

Следует отметить, что до сих пор ещё не создано устройство, которое может воспроизводить достаточно сложный и продолжительный звук (видимо, просто никто и не задавался такой целью). Так что, как говорится, «изобретателю и все карты в руки».

Если кто-то интересуется этой темой, вот по этой ссылке можно посмотреть научную работу, посвящённую этому вопросу. В ней достаточно подробно рассмотрены вопросы создания такого лазерного акустического излучателя.

Подытоживая, можно сказать, что создание и развитие идеи лучевой передачи звука сулит множество преимуществ. Среди наиболее очевидных из них можно назвать точечную передачу звука конкретному потребителю, создание сверхскоростных микропроцессоров, создание источника звука далеко от излучателя в любой точке пространства (с помощью оптического пробоя).

Как мы видим, работа продолжается, И кто знает, что сулит нам будущее…