Dannelse af laser

Laser: Det kvantemagiske for mennesker til at vove lys
I Mojaveørkenen i Californien skuder en gruppe astronomer laserstråler med en diameter på 10 meter op i nattehimlen. Dette grønne lysstråle har ikke til formål at konkurrere med stjernerne, men at gøre teleskopier i stand til at få et klart billede af universet end Hubble-billederne ved at måle atmosfæriske turbulenser. Essensen af denne lysstråle er præcist en af de største opfindelser fra det 20. århundrede - lasers. Dets fødsel var ikke tilfældig, men en ultimativ samarbejdsindsats der spændte over den lange flod af viden blandt fysikere, ingeniører og materialevidenskabsfolk.
Akt Forsten: Den Glemt "Spøgelses-teori"
I 1917 dedukerede Einstein et sæt af ligninger i sit kontor på Universitetet i Berlin, hvor han forudsagde eksistensen af "stimuleret emission". Dette fænomen, kendt dengang som "det teoretiske spøgelses", beskriver, hvordan fotoner, ligesom dominosteiner, udløser atomer til at frigive "kloner", der perfekt replikerer sig selv. Dog forblev denne opdagelse stille i næsten 30 år - fordi ingen kunne finde en måde at få den atomære hær til kollektivt at "afvige".
Det var først på en forårshavnat i 1951, at Charles Townes fra Columbia University fik en pludselig indsigt, mens han sad på en parkbænk: Ved at bombardere ammoniakmolekyler med elektromagnetiske bølger af en bestemt frekvens kunne antallet af højenergistate partikler overstige antallet af lavenergistate partikler, hvilket dannede en "energiseesaw". Dette fænomen, kendt som "partikelinversion", blev endelig opnået i mikrobølgebandet, hvilket resulterede i den første mikrobølge-laser (Maser). Men det videnskabelige samfund indsat snart, at at forkorte bølgelængden en million gange til synligt lysområde ville udløse en teknologisk revolution.
Akten to: Fotonfangeren Indeni Rubinen
I 1960 var Theodore Maimans laboratorium fyldt med rubiner, der havde været dømt til "død" af andre videnskabsmænd. På den tid var den almindelige teori, at rubinernes energiniveauovergangseffektivitet var for lav, men Maiman opdaget, at kromioner ville gennemgå en unik "tre-niveautransition" under stærk lysstimulering. Han indpakket søjleden af rød edelsten i en spiralformet xenonlampe, som om han indespærrede en regnbue med lyn. Til sidst pladede han sølv på begge ender af krystallet for at danne en "foton-ekovæg".
I dette apparat, der kun er så stort som en blyant, rejser fotoner frem og tilbage med en hastighed på 300 millioner gange pr. sekund. Hver gang de passerer igennem kromiumionernes række, udløses der ny stimuleret stråling, og lysintensiteten øges eksponentielt. Når fotonernes flod brød igennem den halvt gennemsigtige sølvfilm, vidnede mennesker for første gang et dybt rødt laserlys med rumtidlig sammenhæng - dets monokromatiske egenskaber var 100.000 gange renere end sollys, og dets divergensvinkel var kun en tusindedel af en søgeplys.
Akt 3: Lysdansen på nanoskalaen
Laser teknologi i det 21. århundrede har brydte igennem begrænsningerne af makroskopiske materialer. I halvlederlaboratoriet har ingeniørerne dyrket kvantbrøndstrukturer på galliumarsenidsubstrater, der kun er en tiendedel af tykkelsen af et menneskeligt hår ved hjælp af molekylærstrålepiæsysesteknologi. Når strømmen går gennem disse nanoskalerede mellemlag, fanges fotonerne, der udsendes af elektron-hul rekomination i potentialelsbrønden nøjagtigt af Bragg-reflektoren, hvilket dannet en miniaturiseret laser med en effektivitet på over 90%.

Endnu mere forbløffende er gennembruddet inden for "topologiske lasers": Fotoner rejser langs en spiralformet sti på materials overflade, ligesom lysende myrer løber på en Möbiusband, fuldstændig immun mod den spredningstab, traditionelle lasers oplever. Denne struktur gør det endda muligt at overføre laseren tabløst i en bueformede vejleder, hvilket bringer en revolution til fotoniske chips.
Akt fire: Det magiske stråle, der omskriver virkeligheden

Ved siden af "Kinas Himmelsøje"-radioteleskop i Guizhou bruger en superledende nanotråd single-photon-detektor laser for at tolke det kosmiske mikrobølgereststråling fra 13,7 milliarder lysår væk. Når hvert fotonen ankommer, udløser det en kvantfasetransition i det superledende materiale, hvilket fanges af en laserinterferometer med et signalændring på en milliontedel af en nanosekund.

Inden for medicinsk felt har femtosekunds-laserer forvandlet sig til "skyggefri lyskniv", der grave mikron-størrelses linser på korneaet med en hastighed tusind gange hurtigere end neuronerne, retter synet uden at forstyrre de omkringliggende væv. I 2023 dukkede "fotoakustisk laserterapi" op: gyldne nanostænger absorberer nær-infrarød laser for at skabe lokal plasmaresonans, som nøjagtigt sprænger kræftceller uden at skade friske celler.

Fra Einsteins prædiktion til Maimans rød rubinblåsning, fra laboratorieunderlige til håndholdte apparater er udviklingshistorien for laser essentiellement en historie om menneskelig manipulering af kvantetilstanden af lys.