grudzień 1958: wynalezienie lasera

Charles Townes

Arthur Schawlow

co jakiś czas następuje przełom naukowy, który ma rewolucyjny wpływ na codzienne życie. Jednym z przykładów jest wynalazek lasera, który oznacza wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania. Niewiele osób zdawało sobie sprawę w momencie jego wynalezienia, że okaże się tak użytecznym (i lukratywnym) urządzeniem, ale laser ostatecznie uruchomił nowe pole naukowe i otworzył drzwi do tego, co jest dziś przemysłem wartym wiele miliardów dolarów.

zasada działania lasera sięga 1917 roku, kiedy Albert Einstein po raz pierwszy opisał teorię emisji stymulowanej, ale praktyczne urządzenie ma swoje korzenie w latach 40.i na początku lat 50., w szczególności prace nad spektroskopią mikrofalową-potężnym narzędziem do odkrywania cech charakterystycznych szerokiej gamy cząsteczek-przez fizyków Charlesa Townesa, Arthura Schawlowa i innych, a następnie wynalezienie Masera (wzmocnienie mikrofalowe przez stymulowaną emisję promieniowania).

Po zakończeniu ii Wojny Światowej Townes był zaintrygowany możliwością wykorzystania emisji stymulowanej do badania gazów do spektroskopii molekularnej. Wraz ze wzrostem długości fali promieniowania mikrofalowego jego oddziaływania z cząsteczkami stały się silniejsze, co czyni je potężniejszym narzędziem spektroskopowym. Townes i współpracownicy z Columbia University zademonstrowali działający maser w 1953 roku, dwa lata po tym, jak podobne urządzenia zostały niezależnie wynalezione przez naukowców z University of Maryland i laboratoriów Lebiediewa w Moskwie.

jednak Townes zdał sobie sprawę, że długości fal podczerwieni i światła optycznego, ponieważ były krótsze, byłyby jeszcze potężniejszymi narzędziami do spektroskopii i wspomniał o pomyśle rozszerzenia Zasady Masera na krótsze długości fal do Schawlowa podczas wizyty w Bell Labs. Schawlow wpadł na pomysł ułożenia zestawu luster, po jednym na każdym końcu wnęki urządzenia, aby odbijać światło tam iz powrotem, eliminując w ten sposób wzmocnienie jakichkolwiek belek odbijających się w innych kierunkach. Uważał, że umożliwi to im dostosowanie wymiarów tak, aby laser miał tylko jedną częstotliwość, która może być wybrana w danej szerokości linii, i że rozmiar lustra może być regulowany tak, aby nawet niewielki ruch poza osią mógł być tłumiony. Zasugerował również użycie pewnych materiałów półprzewodnikowych do laserów.

osiem miesięcy później obaj mężczyźni napisali pracę na temat proof of concept dla swoich prac, opublikowaną w grudniowym wydaniu The Physical Review (Vol. 112, No. 6, pp. 1940-1949), a dwa lata później otrzymał patent na wynalazek lasera-w tym samym roku pierwszy działający laser skonstruował Theodore Maiman w Hughes Aircraft Company. Townes był współautorem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1964 roku za fundamentalną pracę w dziedzinie elektroniki kwantowej, która stanowiła podstawę Zasady maser / laser. Uznanie schawlowa nastąpiło znacznie później; w 1981 r. otrzymał Nagrodę Nobla za wkład w rozwój spektroskopii laserowej.

podczas gdy Townes i Schawlow są nazwami najczęściej kojarzonymi z wynalazkiem lasera ze względu na ich papier z 1958 roku i późniejszy patent, wiele innych wniosło istotny wkład. Być może dlatego pytanie o to, kto naprawdę wynalazł laser, okazało się dość sporne, w dużej mierze dzięki wysiłkom Gordona Goulda, naukowca z Columbii, a później z Technical Research Group (TRG), aby uzyskać prawa patentowe na podstawie jego zeszytu badawczego. Wpis na temat jego początkowych pomysłów na laser został datowany i notarialnie w listopadzie 1957 roku. Gould walczył przez dziesięciolecia, a w 1973 roku amerykański Trybunał ceł i apelacji patentowych orzekł, że oryginalny patent przyznany Schawlowowi i Townesowi jest zbyt ogólny i nie dostarcza wystarczających informacji, aby stworzyć pewne kluczowe komponenty. Gould uzyskał ostatecznie prawa patentowe, otrzymując czwarty i ostatni patent na lasery w 1988 roku.

mimo, że był to niezwykły przełom techniczny, we wczesnych latach swojej działalności laser nie miał wielu praktycznych zastosowań, ponieważ nie był wystarczająco potężny, aby użyć go w broni opartej na wiązce, a jego zdolność do przesyłania informacji przez atmosferę była poważnie utrudniona przez jego niezdolność do przenikania chmur i deszczu. Ale nie trwało długo, zanim naukowcy opracowali pierwsze systemy obserwacji Laserowej i pierwsze narzędzia do chirurgii laserowej.

dziś lasery są wszechobecne na rynku komercyjnym, stosowane w odtwarzaczach CD, w korekcyjnej chirurgii oka, usuwaniu tatuaży, przemysłowych liniach montażowych, skanerach w supermarketach, komunikacji optycznej i optycznym przechowywaniu danych.

Czytaj dalej:

Bromberg, Joan L., „narodziny lasera”, Physics Today, październik 1988, s. 26-33.

„Patent laserowy, który denerwuje Przemysł”, Business Week, 24 października 1977, str. 121-130.

Hecht, Jeff, „Winning the Laser Patent War,” Laser Focus World, December 1994, PP.49-51.