Сколько цветов в лазерной палитре и как с их помощью создать лазерное шоу
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.
Световая палитра из трех «красок»
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?
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.
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.
— 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.
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.
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.
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.