Фарміраванне лазерам

Лазер: Квантавая магія для чалавека, каб плести святло
У пустыні Мохаве ў Каліфарніі група астрономаў стрэляе лазернымі праменямі з дыаметрам 10 метраў у ночнае неба. Гэтая зелёная прасціца святла не спрабуе канкурыраваць з галінкамі, але дазваляе тэlescопам атрымаць буйнейшую картыну Вселенней, чым зображэнне Хаббла, памірваннем атмасфернай турбулентнасці. Сутнасцю гэтай прасціцы святла яшчэ раз стаё лазер — адна з найвялікшых вынайдзенняў XX стагоддзя. Яго нараджэнне не было выпадковым, але ўнікальнай кампазіцыяй фізікаў, інжынёраў і матэрыялогаў.
Дзеянне першае: Забытая "Пryзракавая тэорыя"
У 1917 годзе Эйнштейн вывучыў набор раўнянь у сваім кабінету ў Універсітэце Берліна, прыгождаючы існаванне "падзягнутага выдальнення". Гэтае явышча, тады вядомае як "тэарэтычны дух", апісуе, як фатоны, падобна на доміна, спрычыняюць атамы выдаваць "клоны", якія паўноцэнна рэплікуюць сябе. Працягом май і 30 гадоў гэта адкрыццё залишалася няслыханым - бо ніхто не маг цяперазнаць, як заставіць атамную армію злучана "пакінуць".
Не ўпершыню, у весеню 1951 года Чарлз Таўз з Універсітэта Коламбія мае нечаканую ідэю, сядучы на лавочцы ў парку: бамбардуванне молекулаў амійна калектрамагнітнымі хваламі пэўнай частаты можа зробіць колькасць частынок у вышэйшым энергэтычным стане большай, чым у ніжэйшым стане, стварыўшы "энергэтычны маятнік". Гэты фенамен, які называецца "інверсія колькасці частынак", быў упершыню здзейснены ў мікравалявым дыяпазоне, што прывёў да стварэння першага мікравалявага лазара (Maser). Але навуковая спалочнасць хутка зразумела, што скрацэнне хвалавай даўжыні мільён разоў да дыяпазону видзімага святла спрычыніць тэхналогічную рэвалюцыю.
Другі акт: Фотанавая клетка ў рубіне
У 1960 годзе лабараторыя Тэадора Меймана была запалена рубінавымі крystаламі, якія іншыя навукоўцы ўжо скондэнсавалі на "смэрць". У той час галоўная тэорыя стаяла за тым, што касмодзеўнасць пераходу энергіі ў рубінах занадта нізкая, але Мейман адкрыў, што хромавыя іёны паддаюцца унікальнаму "трынацатаму пераходу" пад впосам сільнага святла. Ян абвіў цыліндар чырвоначага каменя спіральнай ксенанавай лямпай, прынімаючы, што засціглае радужным светам. Накраіць, ён набрыў срэбрам абодвыя канцы крystалу, што стварыла "эхо фотона".
У гэтым прыладзе, які мае розмір толькі як карандаш, фотаны перамяшаюцься туды-сюды з хуткасцю 300 мільёна разоў за секунду. Кожны раз, калі яны праходзяць праз масіў іёнаў хрому, спрычынаецца новае стымуляванае вылучэнне, і інтынсывасць святла павялічваецца паказчыкава. Колі поток усходнягаўшых фотаноў прарываўся праз напаловіну пранікальную срэбную плёнку, чалавекі ўпершыню бачылі глыбока-чырвоны лазер з просторчасовымі кагерэнтнасцю - яго монохромнасць была 100,000 разоў чыстыяй, чым у сонцаўнай светле, а яго кут рассходжання склаў толькі адна тысячная ад кута рассходжання прыбору для пошуку.
Дзеянне 3: Танец святла на нанашкале
Лазерная тэхнолагія ў XXI стагоддзі прарвалася праз абмежаванні макроскальных матэрыялаў. У палупроваднікаўым лабараторыі інжынеры выраслі квантавыя шыны на субстратах з галія-арсэніду, якія з'яўляюцца толькі адной дзесяцітысячнай часткай чалавечага воласа праз тэхналогію молекулярнай прамогі. Колі ток праходзіць праз ці рэмашчыкі, фотоны, выдадзеныя пераходам электронаў і дзярэў у квантавым шыне, з акурасьнасцю захопляюцца браґаўскім рэфлектарам, ствараючы мініатюрны лазер з эфектыўнасцю больш 90%.

Ешчэ удзіўней шырокая перамога "топалагічных лазераў": фотоны перамяшаюць спіральнай траекторыяй па паверхні матэрыяла, як святлае мурава, якое бягучы па Мёбіусавай лістачцы, напрамую не паддаецца разсейванню традыцыйных лазераў. Гэтая структура нават дазваляе лазерам працягваць без страт у хвостовым валапровадзе, прыводзячы рэвалюцыю ў фатанных чыпах.
Чатырты дзеянне: Мацычная прамага, якая перапісвае рэальнасць

Паблізу "Кітайскага небеснага вочы" радыяцыйнага тэлескопа ў Гуйчжоў, суперпрацуючы дэтэктар на аснове нанапроваднікаў адзінкавых фатаноў выкарыстоўвае лазеры для інтэрпрэтавання касмічнай мікравалай рагацыі з адлегласці 13.7 мільярда святлаўных гадоў. Колі кожны фатон прыходзіць, яно спрычынае квантавы пераход фазы ў суперпрацуючым матэрыяле, які захопляецца лазерным інтэрфераметрам з зменай сигналу адной мільёнаты нанасекунды.

У медыцынскім паляку, фемтасекундныя лазеры пераўтварыліся ў "безцянковыя светлыя ножы", вырэзаючы лінзы розмерам у мікронаў на рогавой оболонцы з хуткасцю, тысяч кroці быстрэй што нейронаў, карыгуючы зор ужо без пакушэння ўкола ляжацых тканоў. У 2023 годзе з'явілася "фотаакусная лазерная тэрапія": залатыя нанастаўкі аб'ёмлюць блязыкі блязкавай чырвонай часткі, ствараючы лакальную плазменную рэзананс, цэльва ўдараючы па ракавых клетках без шкоды для здаровых клетак.

З прыгнозу Эйнштэіна да рубіновай ўспалкі Меймана, з чудес лабараторый да пераносных прылад, гісторыя эвалюцыі лазараў — гэта ў сутнасці гісторыя кантролю чалавекам над квантавым станам святла.