Hogyan működnek a lézerek és ki találta őket

2024 Szerző: Sherilyn Boyd | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 09:39

Korai történelem

Egy óriás vállán

A legtöbb történész nyomon követi a lézer fejlődését Albert Einsteinhez, aki 1917-ben részt vett egy "gondolati kísérletében", ezúttal az energia kibocsátásának jelensége fölött. Mások által leírtak szerint: "Ha egy atom izgatott állapotban van, akkor spontán bomlik egy alacsonyabb energiaszintre egy idő után, és energiát szabadít fel egy foton formájában, amelyet véletlenszerűen emittál. Ezt a folyamatot spontán emissziónak nevezik."

Hisz abban, hogy ha csak a megfelelő foton áll rendelkezésre "ahogy a fény áthat egy anyagon, akkor ösztönözheti a több fény kibocsátását:"Einstein azt állította, hogy a fotonok inkább ugyanabban az állapotban utazhatnak együtt…. Ha a helyes hullámhosszú kóbor foton áthalad… jelenléte serkenti az atomokat, hogy felszabadítsák fotonjaikat [stimulált emissziónak nevezzük]… és ezek a fotonok ugyanolyan irányban haladnak meg azonos frekvenciával és fázissal, mint az eredeti kóbor foton. Kaszkádos hatás lép fel: mivel az azonos fotonok tömege átmegy az atomok többi részén, egyre több foton fog kibocsátani az atomjukból, hogy csatlakozzanak hozzájuk."

1928-ban Rudolph W. Landenburg megerősítette Einstein elméletét a stimulált emisszióról, és elkezdődött az a törekvés, hogy mi lesz a lézer.

következetesség

Megjegyezzük, hogy alapvető különbség van a két kibocsátás között: ha spontán történik, az energiát véletlenszerűen és különböző frekvenciákon szabadítják fel; de ha stimulálják, a felszabadított energia tükrözi a frekvenciát és ugyanabba az irányba halad, mint a stimuláló foton, és hatására képes "erősíteni" a sugárzási energia eredeti bemeneteit.

A stimulált emisszió ezen képessége továbbra is a nagyon keskeny frekvenciatartományra fókuszál következetesség, az a kulcs, hogy az erősített elektromágneses sugárzás hasznos kommunikációs eszközként (és intenzív energiaforrásként is): "Az előző fényforrások, például az izzólámpák "inkoherens" források, mivel egyidejűleg energiát generálnak az elektromágneses spektrum viszonylag nagy részén. A rádiófrekvenciás források viszont nagyon koherensek. A koherens forrás előnyei sok [és tartalmazzák a képességét]… információt szerezni a kívánt forrásból, miközben kiszűrik az összes többiet. Ha kedvenc rádióállomása a spektrum széles tartományában sugározna (azaz … ha … … … inkoherens …), interferenciát tapasztalna….”

A MASER

Először a tudósok képesek voltak felerősíteni és energiát előállítani az elektromágneses spektrum alsó és középső tartományára korlátozva, amely a legalacsonyabb frekvenciákból áll: "Az AM vevőegység működése. A fokozatosan magasabb frekvenciákat rövid hullámnak nevezik; VHF (nagyon nagy frekvenciájú), amely az FM és a TV sávokat tartalmazza; UHF (ultra nagy frekvenciájú); mikrohullámok, ahol a legtöbb radár működik; infravörös vagy hőhullámok; fény; ultraibolya, röntgensugarak, gamma sugarak és végül kozmikus sugárzások."

1954-ben Charles Townes és Jim Gordon az USA-beli Columbia Egyetemről, valamint Nicolay Basovról és Alexsandr Prokhorovról Oroszországban külön kifejlesztették a lézer előfutára, a mikrohullámokat erősítő MASER mikrohullámú erősítés által előidézett sugárzás kibocsátását.

A korlátozott használat miatt Townes és jövőbeli sógora, Arthur Schawlow egy tervet készített, amelyet a Fizikai felülvizsgálat 1958-ban a magasabb frekvenciájú infravörös és látható fény erősítésére, amellyel: A lézer prototípust egy pár tükörrel kell felszerelni, egy a lazító üreg mindkét végén. A konkrét hullámhosszú fotonok ezután visszaverik a tükröket, és oda-vissza haladnak a lazító közegen. Ezáltal más elektronokat is visszavezethettek a földi állapotukba, és ugyanolyan hullámhosszon még több fotont bocsátanak ki..”

A LÉZER

A Townes-Schawlow-javaslat a kaliforniai Malibu-ban lévő Hughes Research Laboratórium Theodore Maiman-t keverte, aki 1960. május 16-án elsőként sikeresen felerősítette a látható spektrumból származó sugárzást: "Egy erős fényforrás, egy erős vaku-cső lámpa formájában, egy szintetikus rubin kristályt [két, egymással párhuzamos, ezüstszínű bevonattal ellátott arcot] sugároz be, amely elnyeli az energiát egy széles frekvenciasávon keresztül. Ez az optikai energia gerjeszti az atomokat egy magasabb energiaállapotba, amelyből az energiát egy nagyon keskeny frekvenciasávban újraszámolják. A gerjesztett atomok optikai rezonátorhoz kapcsolódnak, és stimulálva vannak a sugárzás kibocsátására … "

Bár a lézersugár első demonstrációjában nem jelentek meg fényes fénysugár, amint Townes megjegyezte, a készülék mégis lézer volt, mivel energiát termelt: A benne foglalt frekvenciatartomány jelentősen szűkült. Ez csak az volt, amit az 1958-as évre írt, és a lézer akció határozott bizonyítéka volt. Röviddel ezután, mind a Mainman laboratóriumában Hughes-ban, mind a Schawlow-ban a New York-i Bell Laboratories-nél, a laboratóriumi falról érkező, rubin lézersugarakkal élénk piros foltokat láttak és csodáltak….”

Szabadalmi harc

A Townes csapat egyik korai tagja volt a Columbia Egyetem végzős diákja, Gordon Gould, aki számos ötletet dolgozott ki a "szivattyúzás" atomokra a magasabb energiaállapotok számára, hogy könnyebben bocsássanak ki "a diplomázott tézishez, amelyet osztott Townes-szel. Valójában Gould volt az, aki először a sugárzás stimulált emissziójának (LASER) kifejezésének kifejezését írta elő.

Előre véve, hogy ötleteit a Townes kutatásába foglalja bele, 1957-ben Gould elkezdte az ötleteinek feljegyzéseit, mégpedig úgy, hogy a jegyzeteinek néhány oldalát bejelentsék. Mivel mindkettőjük elképzelései és javaslataik kikristályosodtak, mindkét tábor igyekezett megőrizni jogait: Gould 1959 áprilisában lézeres szabadalmat nyújtott be, de ezt az amerikai szabadalmi hivatal elutasította a Schawlow és a Townes optikai maszter szabadalmának (1960-ban) …“

Nem annyira tisztességtelen, mint amilyennek hangzik, Townes és Schawlow a Bell Laboratories nevében kilenc hónappal a bejelentést megelőzően nyújtotta be szabadalmát. Mindenesetre, miután a szabadalmat a Bell-nek ítélték oda, egy "harmincéves szabadalmi háború" kezdődött Gould bejelentkezési ügyével. A pereskedés folytatódott, de végül 1987-től kezdve Gould elkezdte megnyerni a településeket szabadalmi igényeire. A jogi csata végére Gould végül "48 szabadalmat kapott"… a lézerek kereskedelmi szempontból értékes szempontjaira….”