Історія Лазер

У 1917 році Альберт Ейнштейн заклав теоретичні основи лазера та мазера у статті Zur Quantentheorie der Strahlung (До квантової теорії випромінювання) шляхом виведення закону випромінювання Макса Планка, концептуально базуючись на коефіцієнтах ймовірності (коефіцієнтах Ейнштейна) для поглинання, спонтанного випромінювання та вимушеного випромінювання електромагнітних хвиль.

Albert EinsteinMax Planck

Продовжити в Розповідачі

У 1928 році Рудольф В. Ладенбург підтвердив існування явищ вимушеного випромінювання та від'ємного поглинання.

Rudolf W. Ladenburg

Продовжити в Розповідачі

У 1939 році Валентин О. Фабрикант передбачив використання вимушеного випромінювання для підсилення «коротких» хвиль.

У 1947 році Вілліс Е. Лемб і Р. К. Ретерфорд виявили ознаки вимушеного випромінювання у спектрах водню та здійснили першу демонстрацію вимушеного випромінювання.

Willis Lamb

Продовжити в Розповідачі

У 1950 році Альфред Кастлер (лауреат Нобелівської премії з фізики 1966 року) запропонував метод оптичного накачування, який був експериментально підтверджений через два роки Бросселем, Кастлером і Вінтером.

Alfred Kastler

Продовжити в Розповідачі

У 1951 році Джозеф Вебер подав статтю про використання вимушеного випромінювання для створення мікрохвильового підсилювача на конференцію Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (IRE) з досліджень вакуумних ламп, що проходила в червні 1952 року в Оттаві, Онтаріо, Канада. Після цієї презентації компанія RCA попросила Вебера провести семінар щодо цієї ідеї, а Чарльз Гард Таунс попросив у нього копію статті.

У 1953 році Чарльз Гард Таунс та аспіранти Джеймс П. Гордон і Герберт Дж. Цайгер створили перший мікрохвильовий підсилювач — пристрій, що працював на принципах, подібних до лазера, але підсилював мікрохвильове випромінювання, а не інфрачервоне чи видиме. Мазер Таунса не був здатний до безперервної генерації.

Charles H. Townes

Продовжити в Розповідачі

Тим часом у Радянському Союзі Микола Басов та Олександр Прохоров незалежно працювали над квантовим осцилятором і вирішили проблему систем безперервної генерації, використовуючи більше двох енергетичних рівнів. Ці активні середовища могли вивільняти вимушене випромінювання між збудженим станом і нижчим збудженим станом, а не основним станом, що полегшувало підтримку інверсної заселеності. У 1955 році Прохоров і Басов запропонували оптичне накачування багаторівневої системи як метод досягнення інверсної заселеності, що згодом стало основним методом лазерного накачування.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

Продовжити в Розповідачі

У 1957 році Чарльз Гард Таунс та Артур Леонард Шавлов, які тоді працювали в Bell Labs, розпочали серйозне дослідження інфрачервоного лазера. У процесі розвитку ідей вони відмовилися від інфрачервоного випромінювання, щоб зосередитися на видимому світлі. Концепція спочатку називалася «оптичний мазер».

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

Продовжити в Розповідачі

Одночасно в Колумбійському університеті аспірант Гордон Гулд працював над докторською дисертацією про енергетичні рівні збудженого талію. Коли Гулд і Таунс зустрілися, вони говорили про випромінювання як про загальну тему; згодом, у листопаді 1957 року, Гулд занотував свої ідеї щодо «лазера», включаючи використання відкритого резонатора (пізніше — важливого компонента лазерного пристрою).

Gordon Gould

Продовжити в Розповідачі

У 1958 році Bell Labs подала патентну заявку на свій запропонований оптичний мазер; а Шавлов і Таунс подали рукопис своїх теоретичних розрахунків до журналу Physical Review, який був опублікований того ж року в томі 112, випуск № 6.

У 1958 році Прохоров незалежно запропонував використовувати відкритий резонатор, що стало першою опублікованою появою (в СРСР) цієї ідеї. В іншому місці, у США, Шавлов і Таунс погодилися на конструкцію лазера з відкритим резонатором — мабуть, не знаючи про публікації Прохорова та неопубліковану роботу Гулда над лазером.

Alexander Prokhorov

Продовжити в Розповідачі

На конференції у 1959 році Гордон Гулд опублікував термін ЛАЗЕР у статті «ЛАЗЕР, підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання».

Нотатки Гулда включали можливі застосування лазера, такі як спектрометрія, інтерферометрія, радар і ядерний синтез. Він продовжував розвивати цю ідею і подав патентну заявку у квітні 1959 року.

Патентне відомство США відхилило заявку Гулда і видало патент Bell Labs у 1960 році.

16 травня 1960 року Теодор Г. Мейман запустив перший функціонуючий лазер у Hughes Research Laboratories у Малібу, Каліфорнія, випередивши кілька дослідницьких груп, включаючи групи Таунса в Колумбійському університеті, Артура Шавлова в Bell Labs та Гулда в компанії TRG (Technical Research Group). Функціональний лазер Меймана використовував синтетичний рубіновий кристал з ламповим накачуванням для створення червоного лазерного світла з довжиною хвилі 694 нанометри. Пристрій був здатний лише до імпульсної роботи через свою трирівневу схему накачування.

Theodore Maiman

Продовжити в Розповідачі

Пізніше того ж року іранський фізик Алі Джаван, Вільям Р. Беннетт і Дональд Герріот створили перший газовий лазер, використовуючи гелій і неон, який був здатний до безперервної роботи в інфрачервоному діапазоні (патент США 3,149,290). Згодом, у 1993 році, Джаван отримав премію Альберта Ейнштейна. Басов і Джаван запропонували концепцію напівпровідникового лазерного діода.

Ali Javan

Продовжити в Розповідачі

У 1962 році Роберт Н. Холл продемонстрував перший лазерний діодний пристрій, виготовлений з арсеніду галію, який випромінював у ближньому інфрачервоному діапазоні спектра на довжині хвилі 850 нм. Пізніше того ж року Нік Голоняк-молодший продемонстрував перший напівпровідниковий лазер з видимим випромінюванням. Цей перший напівпровідниковий лазер міг працювати лише в імпульсному режимі та при охолодженні до температури рідкого азоту (77 К).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

Продовжити в Розповідачі

Таунс повідомляє, що кілька видатних фізиків — серед них Нільс Бор, Джон фон Нейман і Ллевеллін Томас — стверджували, що мазер порушує принцип невизначеності Гейзенберга і тому не може працювати. Інші, такі як Ізідор Рабі та Полікарп Куш, очікували, що це буде непрактично і не варте зусиль. У 1964 році Чарльз Г. Таунс, Микола Басов та Олександр Прохоров отримали Нобелівську премію з фізики «за фундаментальну роботу в галузі квантової електроніки, яка призвела до створення осциляторів і підсилювачів на основі принципу мазера-лазера».

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

Продовжити в Розповідачі

У 1970 році Жорес Алфьоров у СРСР, а також Іцуо Хаяші та Мортон Паніш з Bell Telephone Laboratories незалежно розробили діодні лазери безперервної дії кімнатної температури, використовуючи гетероструктуру.

Zhores Alferov

Продовжити в Розповідачі

З раннього періоду історії лазерів дослідження призвели до появи різноманітних вдосконалених і спеціалізованих типів лазерів, оптимізованих для різних цілей продуктивності, включаючи: - нові діапазони довжин хвиль - максимальна середня вихідна потужність - максимальна пікова енергія імпульсу - максимальна пікова потужність імпульсу - мінімальна тривалість вихідного імпульсу - мінімальна ширина лінії - максимальна енергетична ефективність - мінімальна вартість І ці дослідження тривають донині.

У 2015 році дослідники створили білий лазер, світло якого модулюється синтетичним нанолистом із цинку, кадмію, сірки та селену, що може випромінювати червоне, зелене та синє світло у різних пропорціях, причому кожна довжина хвилі охоплює 191 нм.

У 2017 році дослідники з TU Delft продемонстрували мікрохвильовий лазер на основі змінного струму переходу Джозефсона. Оскільки лазер працює в надпровідному режимі, він стабільніший за інші напівпровідникові лазери. Пристрій має потенціал для застосування в квантових обчисленнях.

У 2017 році дослідники з TU Munich продемонстрували найменший лазер із синхронізацією мод, здатний випромінювати пари фазово-синхронізованих пікосекундних лазерних імпульсів із частотою повторення до 200 ГГц.

У 2017 році дослідники з Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) разом із американськими дослідниками з JILA, спільного інституту Національного інституту стандартів і технологій (NIST) та Університету Колорадо в Боулдері, встановили новий світовий рекорд, розробивши волоконний лазер, легований ербієм, із шириною лінії лише 10 мілігерц.