Ιστορία του Laser

Το 1917, ο Albert Einstein έθεσε τα θεωρητικά θεμέλια για το λέιζερ και το μέιζερ στο άρθρο Zur Quantentheorie der Strahlung (Περί της Κβαντικής Θεωρίας της Ακτινοβολίας) μέσω μιας επαναδιατύπωσης του νόμου ακτινοβολίας του Max Planck, βασισμένης εννοιολογικά σε συντελεστές πιθανότητας (συντελεστές Einstein) για την απορρόφηση, την αυθόρμητη εκπομπή και την εξαναγκασμένη εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Albert EinsteinMax Planck

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1928, ο Rudolf W. Ladenburg επιβεβαίωσε την ύπαρξη των φαινομένων της εξαναγκασμένης εκπομπής και της αρνητικής απορρόφησης.

Rudolf W. Ladenburg

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1939, ο Valentin A. Fabrikant προέβλεψε τη χρήση της εξαναγκασμένης εκπομπής για την ενίσχυση "βραχέων" κυμάτων.

Το 1947, οι Willis E. Lamb και R.C. Retherford βρήκαν εμφανή εξαναγκασμένη εκπομπή στα φάσματα του υδρογόνου και πραγματοποίησαν την πρώτη επίδειξη εξαναγκασμένης εκπομπής.

Willis Lamb

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1950, ο Alfred Kastler (Νόμπελ Φυσικής 1966) πρότεινε τη μέθοδο της οπτικής άντλησης, η οποία επιβεβαιώθηκε πειραματικά, δύο χρόνια αργότερα, από τους Brossel, Kastler και Winter.

Alfred Kastler

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1951, ο Joseph Weber υπέβαλε μια εργασία σχετικά με τη χρήση εξαναγκασμένων εκπομπών για την κατασκευή ενός ενισχυτή μικροκυμάτων στο συνέδριο Institute of Radio Engineers Vacuum Tube Research Conference τον Ιούνιο του 1952 στην Οτάβα του Οντάριο, στον Καναδά. Μετά από αυτή την παρουσίαση, η RCA ζήτησε από τον Weber να δώσει ένα σεμινάριο για αυτή την ιδέα, και ο Charles Hard Townes του ζήτησε ένα αντίγραφο της εργασίας.

Το 1953, ο Charles Hard Townes και οι μεταπτυχιακοί φοιτητές James P. Gordon και Herbert J. Zeiger παρήγαγαν τον πρώτο ενισχυτή μικροκυμάτων, μια συσκευή που λειτουργούσε με παρόμοιες αρχές με το λέιζερ, αλλά ενίσχυε την ακτινοβολία μικροκυμάτων αντί για την υπέρυθρη ή ορατή ακτινοβολία. Το μέιζερ του Townes δεν ήταν ικανό για συνεχή έξοδο.

Charles H. Townes

Συνεχίστε στην Ιστορία

Εν τω μεταξύ, στη Σοβιετική Ένωση, ο Nikolay Basov και ο Aleksandr Prokhorov εργάζονταν ανεξάρτητα πάνω στον κβαντικό ταλαντωτή και έλυσαν το πρόβλημα των συστημάτων συνεχούς εξόδου χρησιμοποιώντας περισσότερα από δύο ενεργειακά επίπεδα. Αυτά τα μέσα ενίσχυσης μπορούσαν να απελευθερώσουν εξαναγκασμένες εκπομπές μεταξύ μιας διεγερμένης κατάστασης και μιας χαμηλότερης διεγερμένης κατάστασης, όχι της θεμελιώδους κατάστασης, διευκολύνοντας τη διατήρηση μιας αναστροφής πληθυσμού. Το 1955, οι Prokhorov και Basov πρότειναν την οπτική άντληση ενός συστήματος πολλαπλών επιπέδων ως μέθοδο για την επίτευξη αναστροφής πληθυσμού, η οποία αργότερα αποτέλεσε κύρια μέθοδο άντλησης λέιζερ.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1957, ο Charles Hard Townes και ο Arthur Leonard Schawlow, τότε στα Bell Labs, ξεκίνησαν μια σοβαρή μελέτη του υπέρυθρου λέιζερ. Καθώς οι ιδέες αναπτύσσονταν, εγκατέλειψαν την υπέρυθρη ακτινοβολία για να επικεντρωθούν στο ορατό φως. Η έννοια αρχικά ονομαζόταν "οπτικό μέιζερ".

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

Συνεχίστε στην Ιστορία

Ταυτόχρονα, στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, ο μεταπτυχιακός φοιτητής Gordon Gould εργαζόταν σε μια διδακτορική διατριβή σχετικά με τα ενεργειακά επίπεδα του διεγερμένου θαλλίου. Όταν ο Gould και ο Townes συναντήθηκαν, μίλησαν για την εκπομπή ακτινοβολίας ως γενικό θέμα· στη συνέχεια, τον Νοέμβριο του 1957, ο Gould κατέγραψε τις ιδέες του για ένα "λέιζερ", συμπεριλαμβανομένης της χρήσης ενός ανοιχτού αντηχείου (αργότερα ένα ουσιαστικό εξάρτημα της συσκευής λέιζερ).

Gordon Gould

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1958, τα Bell Labs κατέθεσαν αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για το προτεινόμενο οπτικό τους μέιζερ· και οι Schawlow και Townes υπέβαλαν ένα χειρόγραφο των θεωρητικών υπολογισμών τους στο Physical Review, το οποίο δημοσιεύτηκε εκείνο το έτος στον Τόμο 112, Τεύχος Αρ. 6.

Το 1958, ο Prokhorov πρότεινε ανεξάρτητα τη χρήση ενός ανοιχτού αντηχείου, την πρώτη δημοσιευμένη εμφάνιση (στην ΕΣΣΔ) αυτής της ιδέας. Αλλού, στις ΗΠΑ, οι Schawlow και Townes είχαν συμφωνήσει σε έναν σχεδιασμό λέιζερ με ανοιχτό αντηχείο – προφανώς αγνοώντας τις δημοσιεύσεις του Prokhorov και την αδημοσίευτη εργασία του Gould για το λέιζερ.

Alexander Prokhorov

Συνεχίστε στην Ιστορία

Σε ένα συνέδριο το 1959, ο Gordon Gould δημοσίευσε τον όρο LASER στο άρθρο The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Το LASER, Ενίσχυση Φωτός μέσω Εξαναγκασμένης Εκπομπής Ακτινοβολίας).

Οι σημειώσεις του Gould περιλάμβαναν πιθανές εφαρμογές για ένα λέιζερ, όπως η φασματομετρία, η συμβολομετρία, το ραντάρ και η πυρηνική σύντηξη. Συνέχισε να αναπτύσσει την ιδέα και κατέθεσε αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας τον Απρίλιο του 1959.

Το Γραφείο Διπλωμάτων Ευρεσιτεχνίας των ΗΠΑ απέρριψε την αίτηση του Gould και απένειμε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στα Bell Labs, το 1960.

Στις 16 Μαΐου 1960, ο Theodore H. Maiman λειτούργησε το πρώτο λειτουργικό λέιζερ στα Hughes Research Laboratories, στο Μαλιμπού της Καλιφόρνια, ξεπερνώντας αρκετές ερευνητικές ομάδες, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των Townes στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, Arthur Schawlow στα Bell Labs και Gould στην εταιρεία TRG (Technical Research Group). Το λειτουργικό λέιζερ του Maiman χρησιμοποίησε έναν συνθετικό κρύσταλλο ρουμπινιού που αντλούνταν από λαμπτήρα φλας για να παράγει κόκκινο φως λέιζερ σε μήκος κύματος 694 νανομέτρων. Η συσκευή ήταν ικανή μόνο για παλμική λειτουργία, λόγω του σχεδιασμού άντλησης τριών επιπέδων.

Theodore Maiman

Συνεχίστε στην Ιστορία

Αργότερα εκείνο το έτος, ο Ιρανός φυσικός Ali Javan, ο William R. Bennett και ο Donald Herriott κατασκεύασαν το πρώτο λέιζερ αερίου, χρησιμοποιώντας ήλιο και νέον, το οποίο ήταν ικανό για συνεχή λειτουργία στο υπέρυθρο (Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας ΗΠΑ 3.149.290). Αργότερα, ο Javan έλαβε το βραβείο Albert Einstein το 1993. Οι Basov και Javan πρότειναν την ιδέα της διόδου λέιζερ ημιαγωγών.

Ali Javan

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1962, ο Robert N. Hall παρουσίασε την πρώτη συσκευή διόδου λέιζερ, η οποία ήταν κατασκευασμένη από αρσενίδιο του γαλλίου και εξέπεμπε στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα στα 850 nm. Αργότερα εκείνο το έτος, ο Nick Holonyak, Jr. παρουσίασε το πρώτο λέιζερ ημιαγωγών με ορατή εκπομπή. Αυτό το πρώτο λέιζερ ημιαγωγών μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο σε λειτουργία παλμικής δέσμης και όταν ψυχόταν σε θερμοκρασίες υγρού αζώτου (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

Συνεχίστε στην Ιστορία

Ο Townes αναφέρει ότι αρκετοί επιφανείς φυσικοί—μεταξύ των οποίων οι Niels Bohr, John von Neumann και Llewellyn Thomas—υποστήριξαν ότι το μέιζερ παραβίαζε την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg και επομένως δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει. Άλλοι, όπως ο Isidor Rabi και ο Polykarp Kusch, περίμεναν ότι θα ήταν μη πρακτικό και δεν άξιζε τον κόπο. Το 1964, ο Charles H. Townes, ο Nikolay Basov και ο Aleksandr Prokhorov μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής, «για το θεμελιώδες έργο στον τομέα της κβαντικής ηλεκτρονικής, το οποίο οδήγησε στην κατασκευή ταλαντωτών και ενισχυτών βασισμένων στην αρχή μέιζερ-λέιζερ».

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

Συνεχίστε στην Ιστορία

Το 1970, ο Zhores Alferov στην ΕΣΣΔ, και οι Izuo Hayashi και Morton Panish από τα Bell Telephone Laboratories, ανέπτυξαν επίσης ανεξάρτητα λέιζερ διόδου συνεχούς λειτουργίας σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας τη δομή ετεροεπαφής.

Zhores Alferov

Συνεχίστε στην Ιστορία

Από την πρώιμη περίοδο της ιστορίας των λέιζερ, η έρευνα στα λέιζερ έχει παράγει μια ποικιλία βελτιωμένων και εξειδικευμένων τύπων λέιζερ, βελτιστοποιημένων για διαφορετικούς στόχους απόδοσης, συμπεριλαμβανομένων: - νέων ζωνών μήκους κύματος - μέγιστης μέσης ισχύος εξόδου - μέγιστης ενέργειας παλμού αιχμής - μέγιστης ισχύος παλμού αιχμής - ελάχιστης διάρκειας παλμού εξόδου - ελάχιστου εύρους γραμμής - μέγιστης ενεργειακής απόδοσης - ελάχιστου κόστους Και αυτές οι έρευνες συνεχίζονται μέχρι σήμερα.

Το 2015, ερευνητές δημιούργησαν ένα λευκό λέιζερ, του οποίου το φως διαμορφώνεται από ένα συνθετικό νανοφύλλο κατασκευασμένο από ψευδάργυρο, κάδμιο, θείο και σελήνιο που μπορεί να εκπέμπει κόκκινο, πράσινο και μπλε φως σε μεταβαλλόμενες αναλογίες, με κάθε μήκος κύματος να εκτείνεται στα 191 nm.

Το 2017, ερευνητές στο TU Delft παρουσίασαν ένα λέιζερ μικροκυμάτων με επαφή Josephson εναλλασσόμενου ρεύματος. Εφόσον το λέιζερ λειτουργεί στο υπεραγώγιμο καθεστώς, είναι πιο σταθερό από άλλα λέιζερ που βασίζονται σε ημιαγωγούς. Η συσκευή έχει δυνατότητες για εφαρμογές στην κβαντική υπολογιστική.

Το 2017, ερευνητές στο TU Munich παρουσίασαν το μικρότερο λέιζερ κλειδώματος φάσης ικανό να εκπέμπει ζεύγη κλειδωμένων φασικά παλμών λέιζερ πικοδευτερολέπτων με συχνότητα επανάληψης έως 200 GHz.

Το 2017, ερευνητές από το Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), μαζί με ερευνητές από τις ΗΠΑ από το JILA, ένα κοινό ινστιτούτο του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Μπόλντερ, πέτυχαν ένα νέο παγκόσμιο ρεκόρ αναπτύσσοντας ένα λέιζερ ινών εμπλουτισμένου με έρβιο με εύρος γραμμής μόλις 10 millihertz.