Hur Lasers Work och vem uppfann dem

2023 Författare: Darleen Leonard | [email protected]. Senast ändrad: 2023-09-25 22:42

Tidig historia

På en jättes axlar

De flesta historiker spårar utvecklingen av lasern tillbaka till Albert Einstein, som 1917 var engagerad i ett av hans "tankeförsök", denna gång över fenomenet energiförbrukning. Som beskrivits av andra: "Om en atom är i ett upphetsat tillstånd kan det spontant sönderfalla till en lägre energinivå efter en tid, vilket frigör energi i form av en foton, vilken emitteras i slumpmässig riktning. Denna process kallas spontan emission."

Att tro att om bara rätt foton var tillgänglig "som ljus passerar genom ett ämne, kan det stimulera utsläpp av mer ljus:"Einstein postulerade att fotoner föredrar att resa tillsammans i samma tillstånd…. Om en strängfoton med rätt våglängd passerar… dess närvaro kommer att stimulera atomerna att släppa sina fotoner [kallad stimulerad emission]… och de fotonerna kommer att färdas i samma riktning med samma frekvens och fas som den ursprungliga strängfotonen. En cascading effekt följer: När mängden identiska fotoner rör sig genom resten av atomerna kommer allt fler fotoner att emitteras från sina atomer för att ansluta sig till dem."

År 1928 bekräftade Rudolph W. Landenburg Einsteins teori om stimulerad emission, och strävan efter vad som så småningom blev lasern började.

Sammanhang

Observera att det finns en grundläggande skillnad mellan de två typerna av utsläpp: När man uppträder spontant frigörs slumpmässigt och vid olika frekvenser; men när det stimuleras kommer den frigjorda energin att spegla frekvensen och röra sig i samma riktning som den stimulerande fotonen, varvid effekten kan "förstärka" den ursprungliga ingången av strålningsenergi.

Denna förmåga av ett stimulerat utsläpp är fortsatt fokuserat på ett mycket snävt frekvensområde, dess sammanhang, är nyckeln till att göra förstärkt elektromagnetisk strålning användbar som ett kommunikationsverktyg (liksom en intensiv energikälla): "Tidigare källor till ljusenergi som glödlampor är "osammanhängande" källor eftersom de samtidigt genererar energi över en relativt stor del av det elektromagnetiska spektrumet. Radiofrekvenskällor är å andra sidan mycket sammanhängande. Fördelarna med en sammanhängande källa är många [och inkluderar förmågan att]… få information från en önskad källa medan du filtrerar ut alla andra. Om din favoritradiostation skulle sändas över en bred del av spektrumet (det är om det … var osammanhängande …) skulle du uppleva störningar….”

MASER

Först var forskarnas förmåga att förstärka och generera energi begränsad till det nedre och mitten av det elektromagnetiska spektrat som sträcker sig från de lägsta frekvenserna: "Var din AM-mottagare fungerar. Progressivt högre frekvenser kallas kortvåg; VHF (för mycket hög frekvens) som innehåller FM- och TV-band; UHF (för ultrahög frekvens); Mikrovågor, där de flesta radarer arbetar; infraröd eller värmeböljor; ljus; ultraviolett, röntgenstrålar, gammastrålar och slutligen kosmiska strålar."

År 1954 utvecklade Charles Townes och Jim Gordon från Columbia University i USA och Nicolay Basov och Alexsandr Prokhorov i Ryssland separat prekursorn till lasern, MASER, kort för Mikrovågsförstärkning genom stimulerad strålningsutsläpp, som förstärkte mikrovågor.

Av begränsad användning kom Townes och hans kommande svåger Arthur Schawlow fram med en plan som publicerades i Fysisk granskning 1958, för att förstärka infrarött och synligt ljus med högre frekvens, varigenom: "Prototyplasern [skulle] vara försedd med ett par speglar, en vid vardera änden av laskhålan. Foton med specifika våglängder skulle sedan reflektera av speglarna och åka fram och tillbaka genom lassmediet. Genom att göra så skulle de i sin tur kunna leda till att andra elektroner slappna av i sina marktillstånd och avger ännu fler fotoner i samma våglängd..”

LASER

Townes-Schawlow-förslaget rörde Theodore Maiman från Hughes Research Laboratory i Malibu, Kalifornien, som den 16 maj 1960 var den första som framgångsrikt förstärkte strålning från det synliga spektret: "En ljuskälla, i form av en kraftfull blixtlampa, bestrålar en syntetisk rubinkristall [med två parallella ytor belagda med silver] som absorberar energi över ett brett frekvensband. Denna optiska energi exciterar atomer till ett högre energiläge, från vilket energin är reradierad i ett mycket smalt frekvensband. De exciterade atomer kopplas till en optisk resonator och stimuleras för att avge strålningen tillsammans … "

Även om ingen ljus ljusstråle emitterades i den första demonstrationen av laserkraft, som Townes noterade, var anordningen emellertid en laser eftersom den producerade energi med: "En markant minskning av frekvensintervallet som det innehöll. Detta var precis vad som hade förutspåtts [av 1958-pappret, och var] definitivt bevis på laserverkan. Kort därefter, både i Mainmans laboratorium på Hughes och i Schawlow på Bell Laboratories i New Jersey, sågs och beundrades ljusa röda fläckar från rubinlaser som ramlade på laboratoriemuren….”

Patentkamp

En tidig medlem av Townes 'team var Columbia University, Gordon Gould, som utarbetade ett antal idéer om "pumpning" atomer till högre energiländer så att de skulle avge ljus "för hans doktorsavhandling, som han delade med Townes. Faktum är att det var Gould som för första gången minskade frasen Ljusförstärkning genom stimulerad strålningsutsläpp (LASER).

Förutse att hans idéer skulle ingå i Townes 'forskning började Gould år 1957 hålla anteckningar över sina idéer, till och med gå så långt som att få några av sidorna i sina anteckningsböcker notifierade. När deras respektive idéer och förslag blev kristalliserade, skyndade båda lägrenna sig för att bevara sina rättigheter: Gould lämnade in ett laserpatent i april 1959, men detta nekades av den amerikanska patentverket till förmån för Schawlow och Townes optiska maser-patentet (tilldelat 1960) …“

Inte lika orättvist som det låter, Townes och Schawlow hade ansökt om patent på Bell Laboratories vägnar, nio månader innan Gould lämnade in. I alla händelser, efter att patentet tilldelats Bell, ett "Trettioårskrigskrig", började Gould arkiveringsdräkt. Tvisterna slog på, men slutligen, 1987, började Gould vinna bosättningar på sina patentkrav. I slutet av den juridiska striden fick Gould till slut "48 patent… för kommersiellt värdefulla aspekter av lasrar….”