Storia di Laser

Nel 1917, Albert Einstein stabilì le basi teoriche per il laser e il maser nell'articolo Zur Quantentheorie der Strahlung (Sulla teoria quantistica della radiazione) attraverso una ri-derivazione della legge di radiazione di Max Planck, basata concettualmente su coefficienti di probabilità (coefficienti di Einstein) per l'assorbimento, l'emissione spontanea e l'emissione stimolata di radiazione elettromagnetica.

Albert EinsteinMax Planck

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Nel 1928, Rudolf W. Ladenburg confermò l'esistenza dei fenomeni di emissione stimolata e assorbimento negativo.

Rudolf W. Ladenburg

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Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse l'uso dell'emissione stimolata per amplificare onde "corte".

Nel 1947, Willis E. Lamb e R.C. Retherford riscontrarono un'apparente emissione stimolata negli spettri dell'idrogeno ed effettuarono la prima dimostrazione di emissione stimolata.

Willis Lamb

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Nel 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel per la Fisica 1966) propose il metodo del pompaggio ottico, confermato sperimentalmente, due anni dopo, da Brossel, Kastler e Winter.

Alfred Kastler

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Nel 1951, Joseph Weber presentò un articolo sull'uso delle emissioni stimolate per creare un amplificatore a microonde alla conferenza dell'Institute of Radio Engineers Vacuum Tube Research del giugno 1952 a Ottawa, Ontario, Canada. Dopo questa presentazione, la RCA chiese a Weber di tenere un seminario su questa idea e Charles Hard Townes gli chiese una copia dell'articolo.

Nel 1953, Charles Hard Townes e gli studenti laureati James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produssero il primo amplificatore a microonde, un dispositivo che operava su principi simili a quelli del laser, ma che amplificava la radiazione a microonde anziché la radiazione infrarossa o visibile. Il maser di Townes non era in grado di produrre un'emissione continua.

Charles H. Townes

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Nel frattempo, in Unione Sovietica, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov lavoravano indipendentemente sull'oscillatore quantistico e risolsero il problema dei sistemi a emissione continua utilizzando più di due livelli energetici. Questi mezzi di guadagno potevano rilasciare emissioni stimolate tra uno stato eccitato e uno stato eccitato inferiore, non lo stato fondamentale, facilitando il mantenimento di un'inversione di popolazione. Nel 1955, Prokhorov e Basov suggerirono il pompaggio ottico di un sistema a più livelli come metodo per ottenere l'inversione di popolazione, diventato in seguito un metodo principale di pompaggio laser.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

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Nel 1957, Charles Hard Townes e Arthur Leonard Schawlow, allora ai Bell Labs, iniziarono uno studio serio sul laser a infrarossi. Man mano che le idee si sviluppavano, abbandonarono la radiazione infrarossa per concentrarsi invece sulla luce visibile. Il concetto era originariamente chiamato "maser ottico".

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

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Contemporaneamente, alla Columbia University, lo studente laureato Gordon Gould stava lavorando a una tesi di dottorato sui livelli energetici del tallio eccitato. Quando Gould e Townes si incontrarono, parlarono di emissione di radiazione come argomento generale; in seguito, nel novembre 1957, Gould annotò le sue idee per un "laser", incluso l'uso di un risonatore aperto (in seguito un componente essenziale del dispositivo laser).

Gordon Gould

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Nel 1958, i Bell Labs depositarono una domanda di brevetto per il loro proposto maser ottico; e Schawlow e Townes sottoposero un manoscritto dei loro calcoli teorici alla Physical Review, pubblicato quell'anno nel Volume 112, Numero 6.

Nel 1958, Prokhorov propose indipendentemente l'uso di un risonatore aperto, la prima apparizione pubblicata (in URSS) di questa idea. Altrove, negli Stati Uniti, Schawlow e Townes avevano concordato un design laser a risonatore aperto, apparentemente ignari delle pubblicazioni di Prokhorov e del lavoro laser non pubblicato di Gould.

Alexander Prokhorov

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A una conferenza nel 1959, Gordon Gould pubblicò il termine LASER nell'articolo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Gli appunti di Gould includevano possibili applicazioni per un laser, come la spettrometria, l'interferometria, il radar e la fusione nucleare. Continuò a sviluppare l'idea e depositò una domanda di brevetto nell'aprile 1959.

L'Ufficio Brevetti degli Stati Uniti respinse la domanda di Gould e assegnò un brevetto ai Bell Labs nel 1960.

Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman azionò il primo laser funzionante presso i Hughes Research Laboratories di Malibu, in California, precedendo diversi gruppi di ricerca, inclusi quelli di Townes alla Columbia University, Arthur Schawlow ai Bell Labs e Gould presso la società TRG (Technical Research Group). Il laser funzionale di Maiman utilizzava un cristallo di rubino sintetico pompato da una lampada flash per produrre luce laser rossa a una lunghezza d'onda di 694 nanometri. Il dispositivo era in grado di funzionare solo a impulsi, a causa del suo schema di pompaggio a tre livelli.

Theodore Maiman

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Più tardi quello stesso anno, il fisico iraniano Ali Javan, insieme a William R. Bennett e Donald Herriott, costruì il primo laser a gas, utilizzando elio e neon, capace di funzionamento continuo nell'infrarosso (Brevetto U.S. 3.149.290). In seguito, Javan ricevette l'Albert Einstein Award nel 1993. Basov e Javan proposero il concetto di diodo laser a semiconduttore.

Ali Javan

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Nel 1962, Robert N. Hall dimostrò il primo dispositivo a diodo laser, realizzato in arseniuro di gallio ed emittente nella banda del vicino infrarosso dello spettro a 850 nm. Più tardi quello stesso anno, Nick Holonyak, Jr. dimostrò il primo laser a semiconduttore con emissione visibile. Questo primo laser a semiconduttore poteva essere utilizzato solo in modalità a impulsi e quando raffreddato a temperature di azoto liquido (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

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Townes riferisce che diversi fisici eminenti — tra cui Niels Bohr, John von Neumann e Llewellyn Thomas — sostenevano che il maser violasse il principio di indeterminazione di Heisenberg e che quindi non potesse funzionare. Altri, come Isidor Rabi e Polykarp Kusch, prevedevano che sarebbe stato impraticabile e non valso lo sforzo. Nel 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov condivisero il Premio Nobel per la Fisica, "per il lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser".

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

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Nel 1970, Zhores Alferov, in URSS, e Izuo Hayashi e Morton Panish dei Bell Telephone Laboratories svilupparono anch'essi indipendentemente laser a diodi a funzionamento continuo a temperatura ambiente, utilizzando la struttura a eterogiunzione.

Zhores Alferov

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Fin dai primi periodi della storia del laser, la ricerca ha prodotto una varietà di tipi di laser migliorati e specializzati, ottimizzati per diversi obiettivi di prestazione, tra cui: - nuove bande di lunghezza d'onda - massima potenza di uscita media - massima energia di impulso di picco - massima potenza di impulso di picco - minima durata dell'impulso di uscita - minima larghezza di riga - massima efficienza energetica - minimo costo E queste ricerche continuano ancora oggi.

Nel 2015, i ricercatori hanno creato un laser bianco, la cui luce è modulata da un nanosheet sintetico composto da zinco, cadmio, zolfo e selenio che può emettere luce rossa, verde e blu in proporzioni variabili, con ogni lunghezza d'onda che copre 191 nm.

Nel 2017, i ricercatori della TU Delft hanno dimostrato un laser a microonde a giunzione Josephson in corrente alternata. Poiché il laser opera nel regime superconduttore, è più stabile rispetto ad altri laser basati su semiconduttori. Il dispositivo ha potenziale per applicazioni nel calcolo quantistico.

Nel 2017, i ricercatori della TU di Monaco hanno dimostrato il più piccolo laser a blocco di modo in grado di emettere coppie di impulsi laser picosecondi a fase bloccata con una frequenza di ripetizione fino a 200 GHz.

Nel 2017, i ricercatori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), insieme ai ricercatori statunitensi del JILA, un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder, hanno stabilito un nuovo record mondiale sviluppando un laser a fibra drogata con erbio con una larghezza di riga di soli 10 millihertz.