Istoria Laser

În 1917, Albert Einstein a stabilit bazele teoretice pentru laser și maser în lucrarea Zur Quantentheorie der Strahlung (Despre teoria cuantică a radiației) printr-o re-derivare a legii radiației a lui Max Planck, bazată conceptual pe coeficienți de probabilitate (coeficienții Einstein) pentru absorbție, emisie spontană și emisie stimulată de radiație electromagnetică.

Albert EinsteinMax Planck

Continuă în Povestitor

În 1928, Rudolf W. Ladenburg a confirmat existența fenomenelor de emisie stimulată și absorbție negativă.

Rudolf W. Ladenburg

Continuă în Povestitor

În 1939, Valentin A. Fabrikant a prezis utilizarea emisiei stimulate pentru a amplifica undele „scurte”.

În 1947, Willis E. Lamb și R.C. Retherford au descoperit emisia stimulată aparentă în spectrele de hidrogen și au efectuat prima demonstrație a emisiei stimulate.

Willis Lamb

Continuă în Povestitor

În 1950, Alfred Kastler (Premiul Nobel pentru Fizică 1966) a propus metoda pompajului optic, confirmată experimental, doi ani mai târziu, de Brossel, Kastler și Winter.

Alfred Kastler

Continuă în Povestitor

În 1951, Joseph Weber a depus o lucrare despre utilizarea emisiilor stimulate pentru a crea un amplificator de microunde la Conferința de Cercetare a Tuburilor Vidate a Institutului Inginerilor Radio din iunie 1952, la Ottawa, Ontario, Canada. După această prezentare, RCA i-a cerut lui Weber să susțină un seminar pe această temă, iar Charles Hard Townes i-a cerut o copie a lucrării.

În 1953, Charles Hard Townes și studenții absolvenți James P. Gordon și Herbert J. Zeiger au produs primul amplificator de microunde, un dispozitiv care funcționează pe principii similare cu cele ale laserului, dar care amplifică radiația de microunde în loc de radiația infraroșie sau vizibilă. Maserul lui Townes nu era capabil de o ieșire continuă.

Charles H. Townes

Continuă în Povestitor

Între timp, în Uniunea Sovietică, Nikolay Basov și Aleksandr Prokhorov lucrau independent la oscilatorul cuantic și au rezolvat problema sistemelor cu ieșire continuă prin utilizarea a mai mult de două niveluri de energie. Aceste medii de câștig puteau elibera emisii stimulate între o stare excitată și o stare excitată inferioară, nu starea fundamentală, facilitând menținerea unei inversii de populație. În 1955, Prokhorov și Basov au sugerat pompajul optic al unui sistem cu mai multe niveluri ca metodă pentru obținerea inversiei de populație, devenind ulterior o metodă principală de pompaj laser.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

Continuă în Povestitor

În 1957, Charles Hard Townes și Arthur Leonard Schawlow, aflați atunci la Bell Labs, au început un studiu serios al laserului cu infraroșu. Pe măsură ce ideile s-au dezvoltat, au abandonat radiația infraroșie pentru a se concentra în schimb pe lumina vizibilă. Conceptul a fost numit inițial „maser optic”.

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

Continuă în Povestitor

Simultan, la Universitatea Columbia, studentul absolvent Gordon Gould lucra la o teză de doctorat despre nivelurile de energie ale taliului excitat. Când Gould și Townes s-au întâlnit, au vorbit despre emisia de radiație, ca subiect general; ulterior, în noiembrie 1957, Gould și-a notat ideile pentru un „laser”, incluzând utilizarea unui rezonator deschis (ulterior o componentă esențială a dispozitivului laser).

Gordon Gould

Continuă în Povestitor

În 1958, Bell Labs a depus o cerere de brevet pentru maserul lor optic propus; iar Schawlow și Townes au trimis un manuscris al calculelor lor teoretice către Physical Review, publicat în acel an în Volumul 112, Numărul 6.

În 1958, Prokhorov a propus independent utilizarea unui rezonator deschis, prima apariție publicată (în URSS) a acestei idei. În altă parte, în S.U.A., Schawlow și Townes căzuseră de acord asupra unui design de laser cu rezonator deschis – aparent neștiind de publicațiile lui Prokhorov și de lucrarea nepublicată a lui Gould despre laser.

Alexander Prokhorov

Continuă în Povestitor

La o conferință în 1959, Gordon Gould a publicat termenul LASER în lucrarea The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER-ul, Amplificarea Luminii prin Emisia Stimulată de Radiație).

Notele lui Gould includeau posibile aplicații pentru un laser, cum ar fi spectrometria, interferometria, radarul și fuziunea nucleară. El a continuat să dezvolte ideea și a depus o cerere de brevet în aprilie 1959.

Oficiul de Brevete al S.U.A. a respins cererea lui Gould și a acordat un brevet către Bell Labs, în 1960.

Pe 16 mai 1960, Theodore H. Maiman a pus în funcțiune primul laser operațional la Hughes Research Laboratories, Malibu, California, înaintea mai multor echipe de cercetare, inclusiv cele ale lui Townes, de la Universitatea Columbia, Arthur Schawlow, de la Bell Labs, și Gould, de la compania TRG (Technical Research Group). Laserul funcțional al lui Maiman a folosit un cristal de rubin sintetic pompat cu bliț pentru a produce lumină laser roșie cu o lungime de undă de 694 nanometri. Dispozitivul era capabil doar de funcționare în impulsuri, din cauza schemei sale de pompare cu trei niveluri.

Theodore Maiman

Continuă în Povestitor

Mai târziu în acel an, fizicianul iranian Ali Javan, împreună cu William R. Bennett și Donald Herriott, au construit primul laser cu gaz, folosind heliu și neon, care era capabil de funcționare continuă în infraroșu (Brevetul SUA 3.149.290). Ulterior, Javan a primit Premiul Albert Einstein în 1993. Basov și Javan au propus conceptul de diodă laser semiconductoare.

Ali Javan

Continuă în Povestitor

În 1962, Robert N. Hall a demonstrat primul dispozitiv cu diodă laser, care era fabricat din arseniură de galiu și emitea în banda de infraroșu apropiat a spectrului, la 850 nm. Mai târziu în acel an, Nick Holonyak, Jr. a demonstrat primul laser semiconductor cu emisie vizibilă. Acest prim laser semiconductor putea fi utilizat doar în regim de funcționare cu fascicul pulsat și când era răcit la temperaturi de azot lichid (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

Continuă în Povestitor

Townes raportează că mai mulți fizicieni eminenți — printre care Niels Bohr, John von Neumann și Llewellyn Thomas — au susținut că maserul încălca principiul incertitudinii al lui Heisenberg și, prin urmare, nu ar putea funcționa. Alții, precum Isidor Rabi și Polykarp Kusch, se așteptau ca acesta să fie impracticabil și să nu merite efortul. În 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov și Aleksandr Prokhorov au împărțit Premiul Nobel pentru Fizică, „pentru munca fundamentală în domeniul electronicii cuantice, care a dus la construcția de oscilatoare și amplificatoare bazate pe principiul maser-laser”.

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

Continuă în Povestitor

În 1970, Zhores Alferov, în URSS, și Izuo Hayashi și Morton Panish de la Bell Telephone Laboratories au dezvoltat, de asemenea, independent, diode laser cu funcționare continuă la temperatura camerei, folosind structura de heterojoncțiune.

Zhores Alferov

Continuă în Povestitor

Încă de la începutul istoriei laserului, cercetarea în domeniu a produs o varietate de tipuri de lasere îmbunătățite și specializate, optimizate pentru diferite obiective de performanță, inclusiv: - noi benzi de lungimi de undă - putere medie de ieșire maximă - energie maximă a impulsului de vârf - putere maximă a impulsului de vârf - durată minimă a impulsului de ieșire - lățime de bandă minimă - eficiență energetică maximă - cost minim Și aceste cercetări continuă până în prezent.

În 2015, cercetătorii au creat un laser alb, a cărui lumină este modulată de o nano-foaie sintetică fabricată din zinc, cadmiu, sulf și seleniu, care poate emite lumină roșie, verde și albastră în proporții variabile, fiecare lungime de undă acoperind 191 nm.

În 2017, cercetătorii de la TU Delft au demonstrat un laser cu microunde cu joncțiune Josephson în curent alternativ (AC). Deoarece laserul funcționează în regim supraconductor, acesta este mai stabil decât alte lasere bazate pe semiconductori. Dispozitivul are potențial pentru aplicații în calculul cuantic.

În 2017, cercetătorii de la TU München au demonstrat cel mai mic laser cu blocare de moduri capabil să emită perechi de impulsuri laser picosecundă blocate în fază, cu o frecvență de repetiție de până la 200 GHz.

În 2017, cercetătorii de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), împreună cu cercetători americani de la JILA, un institut comun al Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și al Universității din Colorado Boulder, au stabilit un nou record mondial prin dezvoltarea unui laser cu fibră dopată cu erbiu cu o lățime de bandă de doar 10 milihertzi.