Hvordan Lasere fungerer og hvem fant dem

2023 Forfatter: Darleen Leonard | [email protected]. Sist endret: 2023-11-27 07:07

Tidlig historie

På skuldrene av en gigant

De fleste historikere sporer utviklingen av laseren tilbake til Albert Einstein, som i 1917 var engasjert i et av hans "tankeeksperimenter", denne gangen over fenomenet energibruk. Som beskrevet av andre: "Hvis et atom er i en opphisset tilstand, kan den sponta seg ned til et lavere energinivå etter en tid, og frigjøre energi i form av en foton, som sendes ut i tilfeldig retning. Denne prosessen kalles spontan utslipp."

Tro at hvis bare den rette fotonen var tilgjengelig "som lys passerer gjennom et stoff, kan det stimulere utslipp av mer lys:"Einstein postulerte at fotoner foretrekker å reise sammen i samme tilstand…. Hvis en svak foton med riktig bølgelengde går forbi… dets tilstedeværelse vil stimulere atomer til å frigjøre deres fotoner [kalt stimulert utslipp]… og de fotonene vil reise i samme retning med den samme frekvensen og fasen som den opprinnelige svarte fotonen. En cascading effekt følger: Når mengden av identiske fotoner beveger seg gjennom resten av atomene, vil stadig flere fotoner bli sendt ut fra atomene deres for å bli med dem."

I 1928 bekreftet Rudolph W. Landenburg Einsteins teori om stimulert utslipp, og søken etter hva som til slutt ble laseren begynte.

sammenheng

Merk at det er en grunnleggende forskjell mellom de to typer utslipp: når man oppstår spontant, frigjøres energi tilfeldig og ved en rekke frekvenser; men når den stimuleres, vil den frigjorte energien spegle frekvensen og reise i samme retning som den stimulerende fotonen, med den effekten å kunne "forsterke" den opprinnelige inngangen til stråleenergi.

Denne evnen til en stimulert utslipp å forbli fokusert på et svært smalt frekvensområde, dets sammenheng, er nøkkelen til å gjøre forsterket elektromagnetisk stråling nyttig som et kommunikasjonsverktøy (samt en intens energikilde): "Tidligere kilder til lysenergi som glødelamper er "usammenhengende" kilder, siden de samtidig genererer energi over en relativt stor del av det elektromagnetiske spektret. Radiofrekvens kilder, derimot, er svært sammenhengende. Fordelene ved en sammenhengende kilde er mange [og inkluderer evnen til]… få informasjon fra ønsket kilde mens du filtrerer ut alle andre. Hvis din favorittradiostasjon skulle kringkastes over en bred del av spekteret (det er hvis det … var usammenhengende …), ville du oppleve forstyrrelser….”

MASEREN

I begynnelsen var forskernes evne til å forsterke og generere energi begrenset til det lavere og midtre området av det elektromagnetiske spektret, som spenner fra de laveste frekvensene: "Hvor din AM-mottaker opererer. Progressivt høyere frekvenser kalles kort bølge; VHF (for svært høy frekvens) som inneholder FM- og TV-båndene; UHF (for ultra høy frekvens); mikrobølger, hvor de fleste radarer opererer; infrarød eller varmebølger; lys; ultrafiolett, røntgenstråler, gammastråler og til slutt kosmiske stråler."

I 1954 utviklet Charles Townes og Jim Gordon fra Columbia University i USA, og Nicolay Basov og Alexsandr Prokhorov i Russland, hver for seg forløperen til laseren, MASER, kort for mikrobølgeforsterkning ved stimulert stråleutslipp, som forsterket mikrobølger.

Av begrenset bruk, Townes og hans fremtidige svoger, Arthur Schawlow, kom opp med en plan, publisert i Fysisk gjennomgang i 1958, for å forsterke infrarødt og synlig lys med høyere frekvens, hvorved: "Prototyplaseren [skulle] være utstyrt med et par speil, en i hver ende av laskekaviteten. Fotoner med bestemte bølgelengder ville da reflektere speilet og reise frem og tilbake gjennom lassemediet. Ved å gjøre det, ville de i sin tur føre til at andre elektroner slapp tilbake til deres bakkenstilstander, og utstråler enda flere fotoner i samme bølgelengde ….”

LASER

Townes-Schawlow-forslaget rørte Theodore Maiman fra Hughes Research Laboratory i Malibu, California, som den 16. mai 1960 var den første som med suksess forsterket stråling fra det synlige spektret:En lyskilde, i form av en kraftig flashrørlampe, bestråler en syntetisk rubinkrystall [med to parallelle flater belagt med sølv] som absorberer energi over et bredt frekvensbånd. Denne optiske energien eksiterer atomer til en høyere energitilstand hvorfra energien blir reradiert i et meget smalt frekvensbånd. De exciterte atomer kobles til en optisk resonator og stimuleres til å utstråle strålingen sammen … "

Selv om ingen strålende lysstråle ble utstrålet i den første demonstrasjonen av laserkraft, som Townes bemerket, var enheten likevel en laser fordi den produserte energi med: "En markert innsnevring av frekvensområdet som den inneholdt. Dette var akkurat det som hadde blitt spådd [ved 1958-papiret, og var] bestemt bevis på laserhandling. Kort tid etter, både i Mainmans laboratorium på Hughes og i Schawlow på Bell Laboratories i New Jersey, ble det sett og beundret lyse røde flekker fra rubin laserstråler som rammet laboratorieveggen….”

Patentkamp

Et tidlig medlem av Townes 'team var Columbia University-student, Gordon Gould, som uttalt en rekke ideer om "pumping" atomer til høyere energistater, slik at de ville utstråle lys "for hans avgangsoppgave, som han delte med Townes. Faktisk var det Gould som først oppfattet uttrykket Lysforsterkning ved stimulert stråleutslipp (LASER).

Forutsatt at hans ideer ville bli tatt opp i Townes 'forskning, begynte Gould, i 1957, å holde oversikt over sine ideer, selv om han hadde gjort noen av sidene i notatbøkene hans notarized. Da deres respektive ideer og forslag ble krystallisert, sprang begge leirene for å bevare deres rettigheter: Gould arkiverte et laser patent i april 1959, men dette ble nektet av US Patent Office til fordel for Schawlow og Townes optisk maser patent (tildelt 1960) …“

Ikke så urettferdig som det høres, hadde Townes og Schawlow søkt på deres patent på vegne av Bell Laboratories, ni måneder før Gould arkiverte. Uansett, etter at patentet ble tildelt Bell, en "Tredjeårig Patentkrig", begynte Gould-filedrakten. Tvister slått på, men endelig begynte Gould i 1987 å vinne bosetninger på sine patentkrav. Ved slutten av den juridiske kampen ble Gould til slutt tildelt "48 patenter… for kommersielt verdifulle aspekter av lasere….”