História de Laser

Em 1917, Albert Einstein estabeleceu as bases teóricas para o laser e o maser no artigo Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre a Teoria Quântica da Radiação) através de uma rederivação da lei de radiação de Max Planck, baseada conceitualmente em coeficientes de probabilidade (coeficientes de Einstein) para a absorção, emissão espontânea e emissão estimulada de radiação eletromagnética.

Albert EinsteinMax Planck

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Em 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmou a existência dos fenômenos de emissão estimulada e absorção negativa.

Rudolf W. Ladenburg

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Em 1939, Valentin A. Fabrikant previu o uso da emissão estimulada para amplificar ondas "curtas".

Em 1947, Willis E. Lamb e R.C. Retherford encontraram aparente emissão estimulada em espectros de hidrogênio e efetuaram a primeira demonstração de emissão estimulada.

Willis Lamb

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Em 1950, Alfred Kastler (Prêmio Nobel de Física de 1966) propôs o método de bombeamento óptico, confirmado experimentalmente, dois anos depois, por Brossel, Kastler e Winter.

Alfred Kastler

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Em 1951, Joseph Weber submeteu um artigo sobre o uso de emissões estimuladas para criar um amplificador de micro-ondas para a conferência Vacuum Tube Research Conference do Institute of Radio Engineers, realizada em junho de 1952 em Ottawa, Ontário, Canadá. Após esta apresentação, a RCA pediu a Weber que desse um seminário sobre essa ideia, e Charles Hard Townes pediu-lhe uma cópia do artigo.

Em 1953, Charles Hard Townes e os estudantes de pós-graduação James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziram o primeiro amplificador de micro-ondas, um dispositivo que operava com princípios semelhantes aos do laser, mas amplificando radiação de micro-ondas em vez de radiação infravermelha ou visível. O maser de Townes era incapaz de produzir uma saída contínua.

Charles H. Townes

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Enquanto isso, na União Soviética, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov trabalhavam independentemente no oscilador quântico e resolveram o problema dos sistemas de saída contínua usando mais de dois níveis de energia. Esses meios de ganho podiam liberar emissões estimuladas entre um estado excitado e um estado excitado inferior, não o estado fundamental, facilitando a manutenção de uma inversão de população. Em 1955, Prokhorov e Basov sugeriram o bombeamento óptico de um sistema multinível como método para obter a inversão de população, que mais tarde se tornou um método principal de bombeamento a laser.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

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Em 1957, Charles Hard Townes e Arthur Leonard Schawlow, então no Bell Labs, começaram um estudo sério sobre o laser infravermelho. À medida que as ideias se desenvolviam, eles abandonaram a radiação infravermelha para se concentrarem na luz visível. O conceito foi originalmente chamado de "maser óptico".

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

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Simultaneamente, na Universidade de Columbia, o estudante de pós-graduação Gordon Gould trabalhava em uma tese de doutorado sobre os níveis de energia do tálio excitado. Quando Gould e Townes se encontraram, falaram sobre emissão de radiação como um assunto geral; depois, em novembro de 1957, Gould anotou suas ideias para um "laser", incluindo o uso de um ressonador aberto (mais tarde um componente essencial do dispositivo laser).

Gordon Gould

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Em 1958, o Bell Labs entrou com um pedido de patente para seu proposto maser óptico; e Schawlow e Townes submeteram um manuscrito de seus cálculos teóricos à Physical Review, publicado naquele ano no Volume 112, Edição nº 6.

Em 1958, Prokhorov propôs independentemente o uso de um ressonador aberto, a primeira aparição publicada (na URSS) dessa ideia. Em outros lugares, nos EUA, Schawlow e Townes haviam concordado com um projeto de laser de ressonador aberto – aparentemente sem conhecimento das publicações de Prokhorov e do trabalho inédito de laser de Gould.

Alexander Prokhorov

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Em uma conferência em 1959, Gordon Gould publicou o termo LASER no artigo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (O LASER, Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação).

As anotações de Gould incluíam possíveis aplicações para um laser, como espectrometria, interferometria, radar e fusão nuclear. Ele continuou desenvolvendo a ideia e entrou com um pedido de patente em abril de 1959.

O Escritório de Patentes dos EUA negou o pedido de Gould e concedeu uma patente ao Bell Labs em 1960.

Em 16 de maio de 1960, Theodore H. Maiman operou o primeiro laser funcional nos Hughes Research Laboratories, em Malibu, Califórnia, à frente de várias equipes de pesquisa, incluindo as de Townes, na Universidade de Columbia, Arthur Schawlow, nos Bell Labs, e Gould, na empresa TRG (Technical Research Group). O laser funcional de Maiman usou um cristal de rubi sintético bombeado por lâmpada flash para produzir luz laser vermelha com 694 nanômetros de comprimento de onda. O dispositivo era capaz apenas de operação pulsada, devido ao seu esquema de design de bombeamento de três níveis.

Theodore Maiman

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Mais tarde naquele ano, o físico iraniano Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriott construíram o primeiro laser a gás, usando hélio e neon, que era capaz de operação contínua no infravermelho (Patente dos EUA 3.149.290). Mais tarde, Javan recebeu o Prêmio Albert Einstein em 1993. Basov e Javan propuseram o conceito de diodo laser semicondutor.

Ali Javan

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Em 1962, Robert N. Hall demonstrou o primeiro dispositivo de diodo laser, que era feito de arseneto de gálio e emitia na banda do infravermelho próximo do espectro a 850 nm. Mais tarde naquele ano, Nick Holonyak, Jr. demonstrou o primeiro laser semicondutor com emissão visível. Este primeiro laser semicondutor só podia ser usado em operação de feixe pulsado e quando resfriado a temperaturas de nitrogênio líquido (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

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Townes relata que vários físicos eminentes — entre eles Niels Bohr, John von Neumann e Llewellyn Thomas — argumentaram que o maser violava o princípio da incerteza de Heisenberg e, portanto, não poderia funcionar. Outros, como Isidor Rabi e Polykarp Kusch, esperavam que fosse impraticável e não valesse o esforço. Em 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov compartilharam o Prêmio Nobel de Física, "pelo trabalho fundamental no campo da eletrônica quântica, que levou à construção de osciladores e amplificadores baseados no princípio maser-laser".

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

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Em 1970, Zhores Alferov, na URSS, e Izuo Hayashi e Morton Panish dos Bell Telephone Laboratories também desenvolveram independentemente lasers de diodo de operação contínua à temperatura ambiente, usando a estrutura de heterojunção.

Zhores Alferov

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Desde o início da história do laser, a pesquisa em laser produziu uma variedade de tipos de laser aprimorados e especializados, otimizados para diferentes objetivos de desempenho, incluindo: - novas bandas de comprimento de onda - potência de saída média máxima - energia de pulso de pico máxima - potência de pulso de pico máxima - duração mínima do pulso de saída - largura de linha mínima - eficiência de potência máxima - custo mínimo E essas pesquisas continuam até hoje.

Em 2015, pesquisadores criaram um laser branco, cuja luz é modulada por uma nanocamada sintética feita de zinco, cádmio, enxofre e selênio que pode emitir luz vermelha, verde e azul em proporções variáveis, com cada comprimento de onda abrangendo 191 nm.

Em 2017, pesquisadores da TU Delft demonstraram um laser de micro-ondas de junção Josephson CA. Como o laser opera no regime supercondutor, ele é mais estável do que outros lasers baseados em semicondutores. O dispositivo tem potencial para aplicações em computação quântica.

Em 2017, pesquisadores da TU Munich demonstraram o menor laser de travamento de modo capaz de emitir pares de pulsos de laser de picossegundos travados em fase com uma frequência de repetição de até 200 GHz.

Em 2017, pesquisadores do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), juntamente com pesquisadores dos EUA do JILA, um instituto conjunto do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da University of Colorado Boulder, estabeleceram um novo recorde mundial ao desenvolver um laser de fibra dopada com érbio com uma largura de linha de apenas 10 milihertz.