December 1958: Invention of the Laser

Charles Townes

Arthur Schawlow

aina silloin tällöin tapahtuu tieteellinen läpimurto, jolla on mullistava vaikutus arkielämään. Yksi esimerkki tästä on keksitty laser, joka tarkoittaa valon vahvistumista stimuloidulla säteilypäästöllä. Harva tajusi keksintönsä aikaan, että se osoittautuisi niin hyödylliseksi (ja tuottoisaksi) laitteeksi, mutta laser käynnisti lopulta uuden tieteenalan ja avasi oven nykyiselle miljardien dollarien teollisuudelle.

laserin periaate juontaa juurensa vuoteen 1917, jolloin Albert Einstein kuvasi ensimmäisen kerran stimuloidun emission teorian, mutta käytännön laitteen juuret ovat 1940-luvulla ja 1950-luvun alussa, erityisesti fyysikoiden Charles Townesin, Arthur Schawlow ’ n ja muiden suorittamassa työssä mikroaaltospektroskopiassa-tehokkaassa työkalussa monenlaisten molekyylien ominaisuuksien löytämisessä-sekä maserin myöhemmässä keksinnössä (mikroaaltojen vahvistus stimuloidulla säteilyn emissiolla).

toisen maailmansodan päätyttyä Townesia kiehtoi mahdollisuus käyttää stimuloitua emissiota kaasujen tutkimiseen molekyylispektroskopiaa varten. Kun mikroaaltosäteilyn aallonpituus lyheni, sen vuorovaikutukset molekyylien kanssa voimistuivat, mikä teki siitä voimakkaamman spektroskooppisen työkalun. Townes ja kollegat Columbian yliopistossa osoittivat toimivan maserin vuonna 1953, kaksi vuotta sen jälkeen, kun Marylandin yliopiston ja Lebedevin laboratorioiden tutkijat olivat itsenäisesti keksineet vastaavat laitteet Moskovassa.

Townes kuitenkin ymmärsi, että infrapunan ja optisen valon aallonpituudet, koska ne olivat lyhyempiä, olisivat vielä tehokkaampia spektroskopian välineitä, ja mainitsi Maser-periaatteen laajentamisen lyhyemmille aallonpituuksille Schawlow ’ lle vieraillessaan jälkimmäisellä Bell Labsissa. Schawlow keksi järjestää joukon peilejä, yhden laitteen ontelon kumpaankin päähän, jotta valo kimpoaisi edestakaisin, jolloin muihin suuntiin pomppivat säteet eivät vahvistuisi. Hän ajatteli, että tämä antaisi heille mahdollisuuden säätää mitat niin, että laser olisi vain yksi taajuus, joka voitaisiin valita tietyn linjan leveys, ja että peili koko voitaisiin säätää niin, että edes hieman pois akselin liike voitaisiin vaimentaa. Hän ehdotti myös tiettyjen kiinteän olomuodon materiaalien käyttämistä lasereissa.

kahdeksan kuukautta myöhemmin miehet kirjoittivat teokselleen proof of concept-tutkielman, joka julkaistiin The Physical Review-lehden joulukuun 1958 numerossa (Vol. 112, nro 6, s. 1940-1949), ja sai patentin laserin keksimiselle kaksi vuotta myöhemmin-samana vuonna ensimmäisen toimivan laserin rakensi Theodore Maiman Hughes Aircraft Companylla. Townes oli yksi vuoden 1964 Nobelin fysiikanpalkinnon saajista perustyöstään kvanttielektroniikan parissa, joka loi perustan maser/laser-periaatteelle. Schawlow ’ n tunnustus tuli paljon myöhemmin; hän jakoi vuoden 1981 Nobelin palkinnon ansioistaan laserspektroskopian kehittämisessä.

vaikka Townes ja Schawlow liitettiin useimmin laserin keksimiseen vuoden 1958 paperin ja myöhemmän patentin vuoksi, monet muut tekivät tärkeitä osuuksia. Ehkä siksi kysymys siitä, kuka todella keksi laser on osoittautunut melko käräjöivä yksi, johtuu suurelta osin pyrkimyksiä Gordon Gould, tiedemies Columbia ja myöhemmin Technical Research Group (Trg), ansaita patenttioikeudet perustuu hänen tutkimus notebook. Merkintä hänen alustavia ideoita laser oli päivätty ja notarisoitu marraskuussa 1957. Gould taisteli vuosikymmeniä, ja vuonna 1973 Yhdysvaltain tulli-ja Patenttivalitustuomioistuin päätti, että Schawlow ’ lle ja Townesille myönnetty alkuperäinen patentti oli liian yleisluontoinen, eikä se antanut riittävästi tietoa tiettyjen keskeisten komponenttien luomiseksi. Gouldille myönnettiin lopulta patenttioikeudet, ja hän sai neljännen ja viimeisen laserpatenttinsa vuonna 1988.

vaikka laser oli merkittävä tekninen läpimurto, sen alkuvuosina sillä ei ollut monia käytännön sovelluksia, koska se ei ollut tarpeeksi tehokas käytettäväksi sädepohjaisissa aseissa, ja sen kykyä välittää tietoa ilmakehän läpi vaikeutti suuresti sen kyvyttömyys läpäistä pilviä ja sadetta. Mutta ei kestänyt kauan, kun tutkijat kehittivät ensimmäiset laserhavaintojärjestelmät ja ensimmäiset työkalut laserleikkaukseen.

nykyään lasereita on kaikkialla kaupallisilla markkinoilla, ja niitä käytetään CD-soittimissa, korjaavissa silmäleikkauksissa, tatuointien poistossa, teollisuuden kokoonpanolinjoissa, supermarkettien skannereissa, optisessa viestinnässä ja optisessa tiedon tallennuksessa.

Further Reading:

Bromberg, Joan L., ”The Birth of the Laser”, Physics Today, Lokakuu 1988, s.26-33.

”a Laser Patent That Upsets the Industry”, Business Week, 24.lokakuuta 1977, s. 121-130.

Hecht, Jeff, ”Winning the Laser Patent War”, Laser Focus World, Joulukuu 1994, s.49-51.