Historia de Láser

En 1917, Albert Einstein estableció los fundamentos teóricos para el láser y el máser en el artículo Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la teoría cuántica de la radiación) mediante una rederivación de la ley de radiación de Max Planck, basada conceptualmente en coeficientes de probabilidad (coeficientes de Einstein) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética.

Albert EinsteinMax Planck

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En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa.

Rudolf W. Ladenburg

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En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de la emisión estimulada para amplificar ondas "cortas".

En 1947, Willis E. Lamb y R.C. Retherford encontraron una aparente emisión estimulada en los espectros de hidrógeno y efectuaron la primera demostración de emisión estimulada.

Willis Lamb

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En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico, confirmado experimentalmente dos años después por Brossel, Kastler y Winter.

Alfred Kastler

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En 1951, Joseph Weber presentó un artículo sobre el uso de emisiones estimuladas para fabricar un amplificador de microondas en la Conferencia de Investigación de Tubos de Vacío del Institute of Radio Engineers de junio de 1952 en Ottawa, Ontario, Canadá. Después de esta presentación, RCA pidió a Weber que diera un seminario sobre esta idea, y Charles Hard Townes le pidió una copia del artículo.

En 1953, Charles Hard Townes y los estudiantes de posgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que operaba con principios similares a los del láser, pero amplificando radiación de microondas en lugar de radiación infrarroja o visible. El máser de Townes era incapaz de una salida continua.

Charles H. Townes

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Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov trabajaban de forma independiente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de los sistemas de salida continua utilizando más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podían liberar emisiones estimuladas entre un estado excitado y un estado excitado inferior, no el estado fundamental, facilitando el mantenimiento de una inversión de población. En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema multinivel como método para obtener la inversión de población, que más tarde se convertiría en un método principal de bombeo láser.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

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En 1957, Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow, entonces en Bell Labs, comenzaron un estudio serio del láser infrarrojo. A medida que las ideas se desarrollaban, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en la luz visible. El concepto originalmente se llamó "máser óptico".

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

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Simultáneamente, en la Universidad de Columbia, el estudiante de posgrado Gordon Gould trabajaba en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado. Cuando Gould y Townes se conocieron, hablaron sobre la emisión de radiación como un tema general; después, en noviembre de 1957, Gould anotó sus ideas para un "láser", incluyendo el uso de un resonador abierto (más tarde un componente esencial del dispositivo láser).

Gordon Gould

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En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su propuesto máser óptico; y Schawlow y Townes enviaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a la Physical Review, publicado ese año en el Volumen 112, Número 6.

En 1958, Prokhorov propuso independientemente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada (en la URSS) de esta idea. En otros lugares, en los EE. UU., Schawlow y Townes habían acordado un diseño de láser de resonador abierto, aparentemente sin conocer las publicaciones de Prokhorov ni el trabajo láser no publicado de Gould.

Alexander Prokhorov

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En una conferencia en 1959, Gordon Gould publicó el término LÁSER en el artículo El LÁSER, Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación.

Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones para un láser, como espectrometría, interferometría, radar y fusión nuclear. Continuó desarrollando la idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959.

La Oficina de Patentes de EE. UU. denegó la solicitud de Gould y otorgó una patente a Bell Labs en 1960.

El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser funcional en los Hughes Research Laboratories, en Malibú, California, adelantándose a varios equipos de investigación, incluidos los de Townes, en la Universidad de Columbia, Arthur Schawlow, en Bell Labs, y Gould, en la empresa TRG (Technical Research Group). El láser funcional de Maiman utilizó un cristal de rubí sintético bombeado por lámpara de destello para producir luz láser roja a una longitud de onda de 694 nanómetros. El dispositivo solo era capaz de funcionar en modo pulsado, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles.

Theodore Maiman

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Más tarde ese mismo año, el físico iraní Ali Javan, junto con William R. Bennett y Donald Herriott, construyeron el primer láser de gas, utilizando helio y neón, que era capaz de funcionar de forma continua en el infrarrojo (Patente de EE. UU. 3,149,290). Más tarde, Javan recibió el Premio Albert Einstein en 1993. Basov y Javan propusieron el concepto de diodo láser semiconductor.

Ali Javan

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En 1962, Robert N. Hall demostró el primer dispositivo de diodo láser, que estaba hecho de arseniuro de galio y emitía en la banda del infrarrojo cercano del espectro a 850 nm. Más tarde ese mismo año, Nick Holonyak, Jr. demostró el primer láser semiconductor con emisión visible. Este primer láser semiconductor solo podía utilizarse en funcionamiento de haz pulsado y cuando se enfriaba a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

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Townes informa que varios físicos eminentes —entre ellos Niels Bohr, John von Neumann y Llewellyn Thomas— argumentaron que el máser violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, no podía funcionar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que fuera poco práctico y que no valiera la pena el esfuerzo. En 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física, "por su trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica, que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser".

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

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En 1970, Zhores Alferov, en la URSS, y Izuo Hayashi y Morton Panish de los Bell Telephone Laboratories también desarrollaron de forma independiente láseres de diodo de funcionamiento continuo a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión.

Zhores Alferov

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Desde el período inicial de la historia del láser, la investigación sobre láseres ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, que incluyen: - nuevas bandas de longitud de onda - potencia de salida media máxima - energía de pulso pico máxima - potencia de pulso pico máxima - duración mínima del pulso de salida - ancho de línea mínimo - máxima eficiencia energética - costo mínimo Y estas investigaciones continúan hasta el día de hoy.

En 2015, unos investigadores crearon un láser blanco, cuya luz es modulada por una nanocapa sintética hecha de zinc, cadmio, azufre y selenio que puede emitir luz roja, verde y azul en proporciones variables, con cada longitud de onda abarcando 191 nm.

En 2017, investigadores de la TU Delft demostraron un láser de microondas de unión Josephson de CA. Dado que el láser opera en el régimen superconductor, es más estable que otros láseres basados en semiconductores. El dispositivo tiene potencial para aplicaciones en computación cuántica.

En 2017, investigadores de la TU Munich demostraron el láser de bloqueo de modos más pequeño capaz de emitir pares de pulsos láser de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz.

En 2017, investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), junto con investigadores estadounidenses de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder, establecieron un nuevo récord mundial al desarrollar un láser de fibra dopada con erbio con un ancho de línea de solo 10 milihercios.