Kako laserji delujejo in kdo jih je izumil

2024 Avtor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 09:38

Zgodnja zgodovina

Na plečih velikana

Večina zgodovinarjev sledi razvoju lasera nazaj na Alberta Einsteina, ki se je leta 1917 ukvarjal z enim od svojih "miselnih eksperimentov", tokrat nad pojavom emisij energije. Kot so opisali drugi: "Če je atom v vznemirjenem stanju, se lahko po nekaj časa spontano razpade v nižjo energijsko vrednost, sprošča energijo v obliki fotona, ki se oddaja v naključni smeri. Ta proces se imenuje spontana emisija."

Verjamem, da bi bil, če bi bil na razpolago pravi foton, "ker svetloba prehaja skozi snov, lahko spodbudi emisijo več svetlobe:"Einstein je domneval, da fotoni raje potujejo skupaj v istem stanju…. Če traja foton s pravilno valovno dolžino… njegova prisotnost bo spodbudila atome, da sprostijo svoje fotone [imenovane stimulirane emisije]… in ti fotoni bodo potovali v isti smeri z enako frekvenco in fazo kot izvirni foton. Sledi kaskadni učinek: ko se množica enakih fotonov premika skozi preostale atome, se bodo iz njihovih atomov vedno bolj oddajali fotoni."

Leta 1928 je Rudolph W. Landenburg potrdil Einsteinovo teorijo stimuliranega izpusta in pričetek tega, kar je sčasoma postal laser.

Skladnost

Upoštevajte, da obstaja bistvena razlika med dvema vrstama emisij: ko pride spontano, se energija sprošča naključno in na različnih frekvencah; vendar pa bo, ko bo stimulirana, sproščena energija zrcalila frekvenco in potovala v isti smeri kot stimulirajoči foton, z učinkom pa bi lahko "razširil" izvorni vhod sevalne energije.

Ta sposobnost stimulirane emisije ostaja osredotočena na zelo ozek obseg frekvenc, njeno skladnost, je ključnega pomena, da je ojačeno elektromagnetno sevanje koristno kot komunikacijsko orodje (pa tudi intenziven vir energije): "Prejšnji viri svetlobne energije, kot so žarnice z žarilno nitko, so "nekonkurenčni" viri, saj hkrati ustvarjajo energijo v razmeroma velikem delu elektromagnetnega spektra. Viri radijskih frekvenc so na drugi strani zelo skladni. Prednosti koherentnega vira so številne [in vključujejo sposobnost]… pridobite informacije iz želenega vira, medtem ko filtrirate vse ostale. Če bi se vaša najljubša radijska postaja oddajala prek širokega dela spektra (to je, če bi … bili neskladni …), bi imeli motnje…."

MASER

Sprva je zmožnost znanstvenikov, da povečajo in ustvarjajo energijo, omejena na spodnji in srednji del elektromagnetnega spektra, ki se razteza od najnižjih frekvenc: "Kjer deluje vaš sprejemnik AM. Postopno višje frekvence imenujemo kratki val; VHF (za zelo visoko frekvenco), ki vsebuje FM in TV pasove; UHF (za ultra visoke frekvence); mikrovalovne pečice, kjer večina radarjev deluje; infrardeči ali vročinski valovi; svetloba; ultravijolične, rentgenske žarke, gama žarke in končno kozmične žarke."

Leta 1954 sta Charles Townes in Jim Gordon z univerze Columbia v ZDA in Nicolay Basov in Alexsandr Prokhorov v Rusiji ločeno razvili predhodnika laserskega MASER-a, ki je kratko za amplifikacijo mikrovalov s stimuliranim oddajanjem sevanja, ki je ojačal mikrovalove.

Zaradi omejene uporabe so Townes in njegov prihodnji snah Arthur Schawlow izdelali načrt, ki je bil objavljen v Fizični pregled leta 1958, za ojačitev višje frekvence infrardeče in vidne svetlobe, pri čemer: "Prototipni laser [bi moral biti] opremljen z dvema ogledaloma, po eno na vsakem koncu lansirne votline. Fotoni specifičnih valovnih dolžin bi potem odsevali ogledala in potovali naprej in nazaj skozi nosilec. S tem bi povzročili, da bi se drugi elektroni sprostili nazaj v svoje zemeljske razmere, ki oddajajo še več fotonov na isti valovni dolžini…"

LASER

Predlog Townes-Schawlowa je v Teodorju Maimanu iz Hughesovega raziskovalnega laboratorija v Malibu v Kaliforniji, ki je bil 16. maja 1960 prvi, uspešno razširil obsevanje iz vidnega spektra:Svetlobni vir, v obliki močne svetilke cevi za bliskavico, obsevajo sintetični rubin kristal [z dvema vzporednima površinama, prevlečenimi s srebrom], ki absorbira energijo v širokem frekvenčnem pasu. Ta optična energija vzburja atome v višje stanje energije, iz katere se energija ponovi v zelo ozkem pasu frekvenc. Vzburjeni atomi so povezani z optičnim resonatorjem in spodbujeni, da oddajajo sevanje skupaj … "

Čeprav v prvem prikazu laserske moči ni bilo nobenega svetlobnega snopa svetlobe, kot je zapisal Townes, je bila naprava kljub temu laserski, ker je proizvedla energijo z: "Označeno zoženje obsega frekvenc, ki jih vsebuje. To je bilo tisto, kar je bilo napovedano [z dokumentom iz leta 1958 in je bilo] nedvoumno dokazovanje laserskega delovanja. Kmalu zatem so bili tako v Mainmanovem laboratoriju v Hughesu kot v Schawlowu v Bell Laboratories v New Jerseyju vidni in občudovali svetlo rdeče lise iz ruby laserskih žarkov, ki so udarili v laboratorijsko steno…."

Patentni boj

Eden od prvih članov skupine Townes je bil študent univerzitetne univerze Columbia, Gordon Gould, ki je oblikoval številne zamisli v zvezi z "črpanjem" atomov v višje energetske države, da bi oddajali svetlobo "za svojo diplomsko nalogo, ki jo je delil Townes. Pravzaprav je bil Gould, ki je najprej pripeljal frazo Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER).

Predvidevajoč, da bodo njegove ideje vključene v raziskave Townesa, je Gould začel leta 1957 voditi evidenco o svojih zamislih, tudi če gre za notarjenje nekaterih strani njegovih prenosnih računalnikov. Ker so se njihove ideje in predlogi kristalizirale, sta oba taborišča rusala, da bi ohranila svoje pravice: Gould je vložil laserski patent aprila 1959, vendar ga je ameriški patentni urad zavrnil v patentu za optični maser Schawlow in Townes (podeljen leta 1960) …“

Ne tako nepošteno, kot se sliši, Townes in Schawlow sta vložila prošnjo za patent v imenu Bell Laboratories devet mesecev pred vložitvijo Goulda. Kakorkoli, po patentu, ki je bil dodeljen Bellu, se je začela "Tridesetletna patentna vojna" z obleko za obleko Gould. Sodni postopek se je vlekel, vendar je konec leta 1987 začel pridobivati poravnave na svojih patentnih zahtevkih. Do konca pravnega boja je Gouldu končno nagradil "48 patentov… za komercialno dragocene vidike laserjev…."