Historia Laser

W 1917 roku Albert Einstein ustanowił teoretyczne podstawy lasera i masera w pracy Zur Quantentheorie der Strahlung (O kwantowej teorii promieniowania) poprzez wyprowadzenie prawa promieniowania Maxa Plancka, opierając się koncepcyjnie na współczynnikach prawdopodobieństwa (współczynniki Einsteina) dla absorpcji, emisji spontanicznej i emisji wymuszonej promieniowania elektromagnetycznego.

Albert EinsteinMax Planck

Kontynuuj w Storyteller

W 1928 roku Rudolf W. Ladenburg potwierdził istnienie zjawisk emisji wymuszonej i absorpcji ujemnej.

Rudolf W. Ladenburg

Kontynuuj w Storyteller

W 1939 roku Valentin A. Fabrikant przewidział wykorzystanie emisji wymuszonej do wzmacniania „krótkich” fal.

W 1947 roku Willis E. Lamb i R.C. Retherford odkryli pozorną emisję wymuszoną w widmach wodoru i przeprowadzili pierwszą demonstrację emisji wymuszonej.

Willis Lamb

Kontynuuj w Storyteller

W 1950 roku Alfred Kastler (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 1966) zaproponował metodę pompowania optycznego, potwierdzoną eksperymentalnie dwa lata później przez Brossela, Kastlera i Wintera.

Alfred Kastler

Kontynuuj w Storyteller

W 1951 roku Joseph Weber przedłożył pracę na temat wykorzystania emisji wymuszonych do budowy wzmacniacza mikrofalowego na czerwcową konferencję Institute of Radio Engineers Vacuum Tube Research Conference w Ottawie, w prowincji Ontario, w Kanadzie. Po tej prezentacji RCA poprosiło Webera o przeprowadzenie seminarium na ten temat, a Charles Hard Townes poprosił go o kopię pracy.

W 1953 roku Charles Hard Townes oraz doktoranci James P. Gordon i Herbert J. Zeiger stworzyli pierwszy wzmacniacz mikrofalowy, urządzenie działające na podobnych zasadach co laser, ale wzmacniające promieniowanie mikrofalowe, a nie podczerwone lub widzialne. Maser Townesa nie był zdolny do pracy ciągłej.

Charles H. Townes

Kontynuuj w Storyteller

W międzyczasie w Związku Radzieckim Nikołaj Basow i Aleksandr Prochorow niezależnie pracowali nad oscylatorem kwantowym i rozwiązali problem systemów o pracy ciągłej, wykorzystując więcej niż dwa poziomy energetyczne. Te ośrodki wzmacniające mogły uwalniać emisje wymuszone pomiędzy stanem wzbudzonym a niższym stanem wzbudzonym, a nie stanem podstawowym, co ułatwiało utrzymanie inwersji obsadzeń. W 1955 roku Prochorow i Basow zasugerowali pompowanie optyczne układu wielopoziomowego jako metodę uzyskania inwersji obsadzeń, co później stało się główną metodą pompowania laserów.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

Kontynuuj w Storyteller

W 1957 roku Charles Hard Townes i Arthur Leonard Schawlow, pracujący wówczas w Bell Labs, rozpoczęli poważne badania nad laserem na podczerwień. W miarę rozwoju pomysłów porzucili promieniowanie podczerwone, aby skupić się na świetle widzialnym. Koncepcja ta była początkowo nazywana „maserem optycznym”.

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

Kontynuuj w Storyteller

Jednocześnie na Uniwersytecie Columbia doktorant Gordon Gould pracował nad pracą doktorską na temat poziomów energetycznych wzbudzonego talu. Kiedy Gould i Townes spotkali się, rozmawiali o emisji promieniowania jako o ogólnym temacie; później, w listopadzie 1957 roku, Gould zanotował swoje pomysły na „laser”, w tym użycie otwartego rezonatora (później niezbędnego elementu urządzenia laserowego).

Gordon Gould

Kontynuuj w Storyteller

W 1958 roku Bell Labs złożyło wniosek patentowy na swój proponowany maser optyczny; a Schawlow i Townes przedłożyli rękopis swoich obliczeń teoretycznych do Physical Review, opublikowany w tym samym roku w tomie 112, numer 6.

W 1958 roku Prochorow niezależnie zaproponował użycie otwartego rezonatora, co było pierwszą opublikowaną wzmianką (w ZSRR) o tym pomyśle. Gdzie indziej, w USA, Schawlow i Townes uzgodnili projekt lasera z otwartym rezonatorem – najwyraźniej nieświadomi publikacji Prochorowa i nieopublikowanych prac Goulda nad laserem.

Alexander Prokhorov

Kontynuuj w Storyteller

Na konferencji w 1959 roku Gordon Gould opublikował termin LASER w pracy The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER, wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania).

Notatki Goulda zawierały możliwe zastosowania lasera, takie jak spektrometria, interferometria, radar i fuzja jądrowa. Kontynuował rozwijanie pomysłu i złożył wniosek patentowy w kwietniu 1959 roku.

Amerykański Urząd Patentowy odrzucił wniosek Goulda i przyznał patent Bell Labs w 1960 roku.

16 maja 1960 r. Theodore H. Maiman uruchomił pierwszy działający laser w Hughes Research Laboratories w Malibu w Kalifornii, wyprzedzając kilka zespołów badawczych, w tym zespoły Townesa na Uniwersytecie Columbia, Arthura Schawlowa w Bell Labs oraz Goulda w firmie TRG (Technical Research Group). Funkcjonalny laser Maimana wykorzystywał syntetyczny kryształ rubinu pompowany lampą błyskową do wytworzenia czerwonego światła laserowego o długości fali 694 nanometrów. Urządzenie było zdolne jedynie do pracy impulsowej ze względu na trójpoziomowy schemat pompowania.

Theodore Maiman

Kontynuuj w Storyteller

Później tego samego roku irański fizyk Ali Javan oraz William R. Bennett i Donald Herriott skonstruowali pierwszy laser gazowy, wykorzystujący hel i neon, który był zdolny do pracy ciągłej w podczerwieni (patent USA nr 3 149 290). Później, w 1993 roku, Javan otrzymał nagrodę Alberta Einsteina. Basow i Javan zaproponowali koncepcję półprzewodnikowej diody laserowej.

Ali Javan

Kontynuuj w Storyteller

W 1962 roku Robert N. Hall zademonstrował pierwsze urządzenie z diodą laserową, które było wykonane z arsenku galu i emitowało światło w bliskiej podczerwieni o długości 850 nm. Później tego samego roku Nick Holonyak Jr. zademonstrował pierwszy laser półprzewodnikowy z emisją światła widzialnego. Ten pierwszy laser półprzewodnikowy mógł być używany tylko w trybie pracy impulsowej i po schłodzeniu do temperatury ciekłego azotu (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

Kontynuuj w Storyteller

Townes donosi, że kilku wybitnych fizyków – wśród nich Niels Bohr, John von Neumann i Llewellyn Thomas – twierdziło, że maser narusza zasadę nieoznaczoności Heisenberga, a zatem nie może działać. Inni, tacy jak Isidor Rabi i Polykarp Kusch, spodziewali się, że będzie on niepraktyczny i niewart wysiłku. W 1964 roku Charles H. Townes, Nikołaj Basow i Aleksandr Prochorow otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za fundamentalne prace w dziedzinie elektroniki kwantowej, które doprowadziły do budowy oscylatorów i wzmacniaczy opartych na zasadzie maserowo-laserowej”.

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

Kontynuuj w Storyteller

W 1970 roku Żores Ałfiorow w ZSRR oraz Izuo Hayashi i Morton Panish z Bell Telephone Laboratories również niezależnie opracowali diodowe lasery pracujące w sposób ciągły w temperaturze pokojowej, wykorzystując strukturę heterozłączową.

Zhores Alferov

Kontynuuj w Storyteller

Od wczesnego okresu historii laserów badania nad nimi zaowocowały wieloma ulepszonymi i wyspecjalizowanymi typami laserów, zoptymalizowanymi pod kątem różnych celów wydajnościowych, w tym: - nowych pasm długości fal - maksymalnej średniej mocy wyjściowej - maksymalnej szczytowej energii impulsu - maksymalnej szczytowej mocy impulsu - minimalnego czasu trwania impulsu wyjściowego - minimalnej szerokości linii - maksymalnej sprawności energetycznej - minimalnego kosztu I badania te trwają do dziś.

W 2015 roku naukowcy stworzyli biały laser, którego światło jest modulowane przez syntetyczną nanostrukturę wykonaną z cynku, kadmu, siarki i selenu, która może emitować światło czerwone, zielone i niebieskie w różnych proporcjach, przy czym każda długość fali obejmuje 191 nm.

W 2017 roku naukowcy z TU Delft zademonstrowali laser mikrofalowy ze złączem Josephsona na prąd zmienny. Ponieważ laser działa w reżimie nadprzewodzącym, jest bardziej stabilny niż inne lasery półprzewodnikowe. Urządzenie ma potencjał zastosowania w obliczeniach kwantowych.

W 2017 roku naukowcy z TU Monachium zademonstrowali najmniejszy laser z synchronizacją modów zdolny do emitowania par fazowo zablokowanych pikosekundowych impulsów laserowych z częstotliwością powtarzania do 200 GHz.

W 2017 roku naukowcy z Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) wraz z amerykańskimi naukowcami z JILA, wspólnego instytutu National Institute of Standards and Technology (NIST) oraz University of Colorado Boulder, ustanowili nowy rekord świata, opracowując laser światłowodowy domieszkowany erbem o szerokości linii zaledwie 10 miliherców.