Vytváření lasery

Laser: Kvantová magie pro lidi, aby pletli světlo
V poušti Mojave v Kalifornii střílejí skupina astronomů laserovými paprsky o průměru 10 metrů do noční oblohy. Tento zelený paprsek světla není určen k soutěžení se hvězdami, ale aby umožnil teleskopům zachytit jasnější obrázek vesmíru než snímky Hubbleovy kosmické observatoře pomocí měření atmosférického proudění. Podstata tohoto paprsku světla je přesně jednou z největších vynálezů 20. století - laserem. Jeho vznik nebyl náhodný, ale úplná spolupráce, která se prodlužovala po celé řece moudrosti fyziků, inženýrů a materiálových vědců.
První dějství: Zapomenutá 'duchovitá teorie'
V roce 1917 odvodil Einstein v kanceláři na univerzitě v Berlíně sadu rovnic, které předpovídaly existenci „stimulované emise“. Toto jev, tehdy známý jako „teoretický duch“, popisuje, jak fotony, jako domino, vyvolávají u atomů vydání „klonů“, které dokonale kopírují samy sebe. Nicméně zůstala tato objev mlčenlivá skoro 30 let – protože nikdo nenašel způsob, jak donutit atomovou armádu kollektivně ‚odejít‘.
Až do jarní noci v roce 1951 si Charles Townes z Kolumbijské univerzity uvědomil, když seděl na lavičce v parku, že bombardování amoniakových molekul elektromagnetickými vlnami určité frekvence může způsobit, že počet částic ve vysokojímerném stavu překoná počet částic v nízkojímerném stavu, tím vznikne „energetická váha“. Tento jev, známý jako „inverze počtu částic“, byl nakonec dosažen v pásmu mikrovln, což vedlo k vytvoření prvního mikrovlnného laseru (Maseru). Avšak vědecká komunita brzy pochopila, že zkrácení vlnové délky o milionkrát do oboru viditelného světla spustí technologickou revoluci.
Druhá část: Fotonová klec uvnitř rubínu
V roce 1960 byla Theodore Maimanovy laboratoř plná rubínových krystalů, které ostatní vědci odsoudili k "smrti". V tu dobu platila dominantní teorie, že účinnost přechodu energetické úrovně u rubínů je příliš nízká, ale Maiman objevil, že chromové ionty za silného světelného vzrušení procházejí jedinečným "tříúrovňovým přechodem". Obalil červený křemenný sloupec spirálovitou xentonovou lampou, jako by uvěznil duhu bleskem. Nakonec oba konce krystalu otočil stříbrně, aby vytvořil „resonanci fotonů“.
V tomto přístroji, který má pouze velikost tužky, se fotony pohybují tam a zpět rychlostí 300 milionůkrát za sekundu. Při každém průchodu skrz pole chromových iontů je vyvolána nová stimulovaná emise a intenzita světla narůstá exponenciálně. Když se proud unikajících fotonů probil skrz částečně průsvitnou stříbrnou vrstvu, poprvé v lidské historii byl svědkem hluboce červeného laseru s prostoročasovou koherencí – jeho monochromatickost byla o 100 000krát čistší než u slunečního světla a jeho úhlové rozptylení bylo pouze jedna tisícina ve srovnání s reflektorem.
Akta 3: Tanec světla na nanometrické úrovni
Laserová technologie v 21. století prolomila omezení makroskopických materiálů. V semiconduktérovém laboratoři inženýři pěstují kvantové studny na substrátech z gallium arsenidu, které jsou jen jedna desetitisícina lidského vlasu pomocí technologie molekulárního paprsku epitaxie. Když proud prochází těmito nanoskopickými mezipatry, fotony uvolněné rekombinací elektronů a děr v potenciálním studnu jsou přesně zachyceny Braggovým reflektorem, čímž vzniká miniaturní laser s účinností přes 90 %.

Ještě udivuhodnější je průlom v oblasti "topologických laserů": fotony cestují po spirálové dráze na povrchu materiálu, jako by to byli svítící mravenci běžící po Möbiově pásmu, úplně imunní k rozptylovým ztrátám tradičních laserů. Tato struktura dokonce umožňuje bezztrátové vedení laseru v lomeném vlnovodu, což přináší revoluci ve fotonických čipech.
Čtvrtý děj: Magický paprsek, který přepisuje realitu

Vedle "Čínského nebeského oka" rádiového teleskopu v Guizhou je používán superprovodníkový nanoprvkový detektor jednotlivých fotonů, který pomocí laserů interpretuje kosmické mikrovlnné pozadí z 13,7 miliardy světelných let daleko. Když každý foton dorazí, vyvolá kvantovou fázovou přechod v superprovodném materiálu, který zachytává laserový interferometr s signální změnou jedna miliontina nanosekundy.

V medicínské oblasti se femtosekundové lasery proměnily v "stínem nepoddané světelné nože", kteří vysečou mikronové čočky na kroťáku rychlostí tisíckrát vyšší než rychlost neuronů, opravujíce zrak bez rušení okolních tkání. V roce 2023 vznikla "fotokustická laserová terapie": zlaté nanopružinky absorbuje blízkoinfrčervené lasery a generují místní plazmovou rezonanci, přesně ničící rakovinné buňky bez poškození zdravých buněk.

Od Einsteinova předpovězení po Maimanovy růžové blesky, od laboratorních divů po přenosné zařízení, historie vývoje laserů je v podstatě historií lidské manipulace s kvantovým stavem světla.