Ako lasery pracujú a kto ich vynašiel

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 09:38

Raná história

Na pleciach obra

Väčšina historikov spozná vývoj lesa späť na Albert Einstein, ktorý sa v roku 1917 zaoberal jedným z jeho "myšlienkových experimentov" tentoraz nad fenoménom emisií energie. Ako to popísali iní: "Ak je atóm v excitovanom stave, môže sa po určitom čase spontánne rozpadnúť na nižšiu energetickú hladinu, čím sa uvoľní energia vo forme fotónu, ktorý sa vysiela v náhodnom smere. Tento proces sa nazýva spontánna emisia."

Veriac, že ak by bol k dispozícii len ten pravý fotón "ako svetlo prechádza látkou, mohlo by to stimulovať emisiu viac svetla:"Einstein predpokladal, že fotóny radšej cestujú spoločne v rovnakom stave.,,, Ak prechádza rozptýlený fotón správnej vlnovej dĺžky.,, jeho prítomnosť stimuluje atómy, aby uvoľnili svoje fotóny (tzv. stimulované emisie).,, a tie fotóny budú cestovať rovnakým smerom s rovnakou frekvenciou a fázou ako pôvodný rozptýlený fotón. Výsledkom je kaskádovitý efekt: keď sa dav rovnakých fotónov presunie cez zvyšok atómov, stále viac fotónov bude emitovaných z ich atómov, aby sa k nim pridali."

V roku 1928 Rudolf W. Landenburg potvrdil Einsteinovu teóriu o stimulovanej emisii a hľadanie toho, čo sa nakoniec stane laserom začalo.

súdržnosť

Všimnite si zásadný rozdiel medzi dvomi typmi emisií: ak sa vyskytne spontánne, energia sa uvoľňuje náhodne a na rôznych frekvenciách; ale keď sa stimuluje, uvoľnená energia zrkadlí frekvenciu a pohyb v rovnakom smere ako stimulačný fotón, s účinkom schopným "zosilniť" pôvodný vstup energie žiarenia.

Táto schopnosť stimulovanej emisie zostáva zameraná na veľmi úzky rozsah frekvencií, jej súdržnosť, je kľúčom k tomu, aby zosilnené elektromagnetické žiarenie bolo užitočné ako komunikačný nástroj (rovnako ako intenzívny zdroj energie): "Predchádzajúce zdroje svetelnej energie, ako sú žiarovky, sú "nekoherentné" zdroje, pretože súčasne vytvárajú energiu na pomerne veľkej časti elektromagnetického spektra. Rádiové frekvenčné zdroje sú na druhej strane veľmi koherentné. Výhody koherentného zdroja sú mnohé [a zahŕňajú aj schopnosť].,, získanie informácií z požadovaného zdroja pri filtrovaní všetkých ostatných. Ak by vaša obľúbená rozhlasová stanica vysielala cez širokú časť spektra (to znamená, že … boli … inkoherentné …), mali by ste zasiahnuť.,,."

MASER

Spočiatku bola schopnosť vedcov "amplifikovať a generovať energiu" obmedzená na nižšie a stredné rozmedzie elektromagnetického spektra, ktoré sa rozprestiera od najnižších frekvencií: "Kde váš AM prijímač funguje. Postupne vyššie frekvencie sa nazývajú krátka vlna; VHF (pre veľmi vysokú frekvenciu) obsahujúce pásma FM a TV; UHF (pre ultra vysokú frekvenciu); mikrovlny, kde funguje väčšina radarov; infračervené alebo horúce vlny; svetlo; ultrafialové, röntgenové lúče, žiarenie gama a nakoniec kozmické žiarenie."

V roku 1954 Charles Townes a Jim Gordon z Columbijskej univerzity v USA a Nicolay Basov a Alexsandr Prokhorov v Rusku oddelene vyvinuli predchodcu laseru, MASER, skratku pre mikrovlnnú amplifikáciu stimulovanou emisiou žiarenia, ktorá amplifikovala mikrovlny.

Mestá a jeho budúci švagor Arthur Schawlow prišli s obmedzeným použitím a predložili plán, Fyzický prehľad v roku 1958, aby zosilnili infračervené a viditeľné svetlo s vyššou frekvenciou, pričom: "Prototypový laser bol vybavený dvojicou zrkadiel, jeden na každom konci dutiny lasery. Fotóny so špecifickými vlnovými dĺžkami by potom odrážali zrkadlá a prechádzali tam a späť cez laserové médium. Týmto spôsobom by inak spôsobili ďalšie elektróny, aby sa uvoľnili späť do svojich zemských stavov, emitovali ešte viac fotónov v tej istej vlnovej dĺžke.."

LASER

Projekt Townes-Schawlow vyvolal Theodora Maimana z výskumnej laboratórií Hughes v Kalifornii v Malibu, ktorý 16. mája 1960 bol prvým, kto úspešne zosilnil žiarenie z viditeľného spektra: "Svetelný zdroj vo forme silnej bleskovej lampy ožaruje syntetický rubínový kryštál [s dvoma rovnobežnými plochami potiahnutými striebrom], ktorý absorbuje energiu v širokom pásme frekvencií. Táto optická energia vzrušuje atómy na vyšší energetický stav, z ktorého je energia opätovne vyžiarená vo veľmi úzkom pásme frekvencií. Vzrušené atómy sú pripojené k optickému rezonátoru a stimulované, aby vyžarovali žiarenie spoločne … "

Napriek tomu, že v prvej demonštrácii výkonu laseru nebol vysielaný žiadny jasný svetelný lúč, ako uviedol Townes, zariadenie bolo napriek tomu laserom, pretože produkovalo energiu: "Značné zúženie rozsahu frekvencií, ktoré obsahoval. To bolo presne to, čo bolo predpovedané [papierom z roku 1958 a bol] jednoznačným dôkazom o laserovej akcii. Krátko na to, ako v Mainman laboratóriu v Hughes a Schawlow je v Bellových laboratóriách v New Jersey, jasne červené škvrny od rubínovej laserových lúčov dopadajúcich na laboratórne steny boli pozorované a obdivované.,,."

Patentový boj

Jeden z prvých členov Townes 'tímu bolo Columbia University postgraduálne študent, Gordon Gould, kto vymyslel rad myšlienok týkajúcich sa,, čerpací'atomů na vyššie energetické stavy, takže by vyžarujú svetlo' na jeho absolventskej práce, ktorú zdieľal s Townes. V skutočnosti to bol Gould, ktorý prvý raz vytvoril frázu Light Amplification stimulovanou emisiou žiarenia (LASER).

Očakávať, že jeho nápady by boli zahrnuté do Townes 'výskumu, Gould začala v roku 1957, vedenie evidencie jeho myšlienok, dokonca ísť tak ďaleko, že majú niektoré zo stránok svojich notebookov notársky overený. Keďže ich nápady a návrhy sa vykryštalizovali, obe tábory sa ponáhľali zachovať svoje práva: Gould podal patentový patent v apríli 1959, ale tento patent bol odmietnutý americkým patentovým úradom v prospech patentu Opal Maser Schawlow a Townes (ocenený 1960) …“

Nie je to tak nespravodlivé, ako to vyzerá, Townes a Schawlow požiadali o ich patent v mene laboratórií Bell deväť mesiacov pred podaním Gould. V každom prípade, po tom, ako bol patent udelený spoločnosti Bell, začala tridsaťročná patentová vojna s podaním žaloby Gould. Súdny spor sa vtiahol, ale nakoniec od roku 1987 Gould začal vyjednávať o svojich patentových nárokoch. Do konca legálnej bitky bol Gould nakoniec udelený "48 patentov.,, pre komerčne hodnotné aspekty laserov.,,."