Kā darbojas lāzeri un kas tos izgudroja

2024 Autors: Sherilyn Boyd | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 09:37

Agrīna vēsture

Par milzu pleciem

Lielākā daļa vēsturnieku izseko lāzera attīstību Alberta Einšteinai, kurš 1917. gadā vienā no viņa "domu eksperimentiem" iesaistījās enerģijas emisijas fenomenā. Kā citi aprakstīja: "Ja atoms atrodas satrauktā stāvoklī, pēc kāda laika tas var spontāni sabrukties zemākā enerģijas līmenī, atbrīvojot enerģiju fotona veidā, kas izstaro izlases virzienā. Šo procesu sauc par spontānu emisiju."

Uzskatot, ka, ja būtu pieejams tikai labais fotons, "jo gaisma iet cauri vielai, tas varētu stimulēt gaismas izstarojumu:"Einšteins apgalvoja, ka fotoni dod priekšroku ceļot kopā tādā pašā stāvoklī…. Ja taisnējais viļņa garums bezbailīgam fotonam iet cauri… tā klātbūtne stimulēs atomus atbrīvot savus fotonus [sauc stimulēto emisiju]… un šie fotoni ceļos vienā un tajā pašā virzienā ar identisku frekvenci un fāzi, kā oriģināls aizsprostots fotons. Parādās kaskādes efekts: tā kā vienādu fotonu pūlis pārvietojas pa pārējiem atomiem, arvien vairāk to izstaro fotoni no saviem atomiem, lai pievienotos tiem."

1928. gadā Rūdolfa V. Landenberga apstiprināja Einšteina stimulēto emisiju teoriju un meklējusi to, kas beidzot kļūst par lāzera startu.

Saskaņotība

Piezīme. Pastāv būtiska atšķirība starp diviem emisiju veidiem: ja tas rodas spontāni, enerģija tiek izlaista nejauši un dažādās frekvencēs; bet, kad tas tiek stimulēts, atbrīvota enerģija atspoguļo frekvenci un pārvietojas tajā pašā virzienā kā stimulējošais fotons, tādējādi spēja "pastiprināt" sākotnējo starojuma enerģijas devu.

Šī stimulētās emisijas spēja saglabāt uzmanību ļoti ierobežotā frekvenču diapazonā, tā saskaņotība, ir atslēga pastiprinātā elektromagnētiskā starojuma izmantošanai kā komunikācijas līdzeklis (kā arī spēcīgs enerģijas avots): "Iepriekšējie gaismas enerģijas avoti, piemēram, kvēlspuldzes, ir "nesaskanīgi" avoti, jo tie vienlaikus rada enerģiju salīdzinoši lielā elektromagnētiskā spektra daļā. No otras puses, radiofrekvenču avoti ir ļoti saskaņoti. Saskaņota avota priekšrocības ir daudzas [un ietver iespēju]… iegūt informāciju no vēlamā avota, filtrējot visus pārējos. Ja jūsu iecienītākā radiostacija būtu jāpārraida plašā spektra daļā (tas ir, ja tas … bija … nepiedienīgs …), jūs varētu radīt traucējumus…."

MASER

Sākumā zinātnieku spēja pastiprināt un radīt enerģiju bija ierobežota līdz elektromagnētiskā spektra zemākajam un vidējam diapazonam, kas aptver zemākās frekvences: "Kur darbojas jūsu AM uztvērējs. Progresīvi augstākas frekvences tiek sauktas par īslaicīgu; VHF (ļoti augstas frekvences), kas satur FM un TV joslas; UHF (īpaši augstas frekvences); mikroviļņu krāsnis, kur darbojas lielākā daļa radaru; infrasarkano vai karstuma viļņi; gaisma; ultravioleto staru, rentgenstaru, gamma staru un, visbeidzot, kosmisko staru."

1954. gadā Charles Townes un Jim Gordons no Kolumbijas universitātes ASV un Nikolajs Basovs un Aleksanders Prokhorovs Krievijā atsevišķi izstrādāja lāzera priekšteci, MASER, mikroviļņu amplifikācijai ar stimulētu starojuma avotu, kas pastiprināja mikroviļņus.

Ar ierobežotu pielietojumu Townes un viņa nākamais brālis Actor Arthur Schawlow nāca klajā ar plānu, kas publicēts Fiziskā apskate 1958. gadā paplašināt augstākas frekvences infrasarkano staru un redzamo gaismu, tādējādi: "Prototipa lāzers [bija] jāaprīko ar spoguļu pāri, pa vienam katrā izvades atveres galā. Speciālu viļņu garuma fotoni pēc tam atspoguļo spoguļus un ceļo atpakaļ un atpakaļ pa lādēšanas vidē. Šādi rīkojoties, tie savukārt izraisītu citu elektronu atslāšanos atpakaļ to zemes stāvokļos, izstarojot vēl vairāk fotonu vienā garumā.."

LASER

The Townes-Schawlow priekšlikums sajauca Teodoru Maimanu no Hughesas pētījumu laboratorijas Malibu, Kalifornijā, kurš 1960. gada 16. maijā bija pirmais, kurš sekmīgi paplašināja radiāciju no redzamā spektra: "Gaismas avots jaudīga zibspuldzes lampas formā apstaro sintētisko rubīna kristālu [ar divām paralēlām sejām, kas pārklātas ar sudrabu], kas absorbē enerģiju plašā frekvenču joslā. Šī optiskā enerģija uzbudina atomus augstāka enerģijas stāvoklī, no kura enerģija tiek pārdalīta ļoti šaurā frekvenču joslā. Atraisītie atomi ir savienoti ar optisko rezonatoru un stimulēti izstarot starojumu kopā … "

Lai gan pirmā lāzera jaudas demonstrācija nebija izstarota spoža gaismas starmešīna, kā atzīmēja Townes, ierīce tomēr bija lāzers, jo tā ražoja enerģiju ar: "Brīvajā frekvenču diapazona sašaurināšanās. Tas bija tieši tas, kas bija paredzēts [1958. gada papīra formā un bija] noteikti pierādījums tam, ka lāzers darbojas. Drīz pēc tam, gan Mainmana laboratorijā Hughesā, gan Schawlow's Bell Laboratories Ņūdžersijā, redzami un apbrīnojami spilgti sarkani plankumi no rubīna lāzera stariem, kas nonāk laboratorijas sienā…."

Patentu cīņa

Viens agrīns Townes komandas loceklis bija Kolumbijas universitātes diplomētais Gordons Gūlds, kurš izstrādāja vairākas idejas par "atgāzu" atomu uz augstāku enerģētisko stāvokli, lai tie izstarotu gaismu "viņa diplomdarbam, ko viņš nodeva kopā ar Townes. Patiesībā tas bija Gould, kas pirmo reizi izveidoja frāzi Gaismas amplifikācija ar stimulētu starojuma avotu (LASER).

Paredzot, ka viņa idejas tiks iekļautas Townes pētījumā, Goulds 1957. gadā sāka savu ideju uzskaiti, pat nokāpjot, ka daži no viņa piezīmjdatoriem bija notariāli apliecināti. Kad viņu attiecīgās idejas un priekšlikumi kļuva kristalizēti, abas nometnes steidzās saglabāt savas tiesības: Gould iesniedza lāzera patentu 1959. gada aprīlī, bet ASV Patentu iestāde to noliedza par Patentu Schawlow un Townes optisko maseru (piešķirts 1960. gadā) …“

Tas nav tik netaisnīgi, kā tas izklausās, deviņi mēneši pirms Gould iesniegtā lūguma Townes un Schawlow iesniedza pieteikumu par savu patentu Bell Laboratories vārdā. Jebkurā gadījumā pēc tam, kad patents tika piešķirts Bell, "trīsdesmit gadu patentu kara" sākās ar Gould iesniegšanas tērpu. Tiesvedība vilka uz, bet beidzot, sākot ar 1987.gadu, Goulds sāka uzvarēt norēķinus par viņa patentu prasījumiem. Līdz likuma kaujas beigām Gouldam tika piešķirtas "48 patenti… komerciāli vērtīgiem lāzeru aspektiem…."