Laseri moodustumine

Laser: Kvantne magia, et inimesed saaksid valgust viljata
Kaliforniast Mojave kõrbes, suhtlusgrupp astronoomide hulgast, kes lasevad öösse 10 meetri läbimõõduga lazerkiudu. See roheline valguskiir ei ole tark, et võistuda tähtedega, vaid see võimaldab teleskoopidel mõõta atmosfääri turbulentsust, et saada universumi pilt, mis on rõhuemam kui Hubble'i pilt. Selle kiiru olulisus on täpselt üks 20. sajandi suuremaid väljavateid - laser. Selle sündimus ei olnud juhuslik, vaid see oli füüsikute, insenerite ja materjaliteadlaste intelligentsuse ülikaaslustamine.
Esimene akt: Unustatud "pöördteooria"
1917. aastal jõudis Einstein Berliini ülikooli kontoris otsusele võrrandite komplekti kohta, mis ennustas "stimuleeritud emissiooni" olemasolu. See ilmning, mida siis peeti "teoreetiliseks pärisaimuna", kirjeldab, kuidas foonid, nagu dominod, käivitavad atome, et need vabastaksid "klone", mis täpselt neid endid replikseerivad. Selle avastuse jäi aga vaikimiseni ligikaudu 30 aasta – sest keegi ei suutnud leida viisi, kuidas teha atoomarmee kollektiivselt "ülekanat".
Aega kuni kevade ööl 1951 ei tulnud Charles Townes Columbia Ülikoolis üht parki bangele istudes äkki ette, et ammendi molekulite bombardimine spetsiaalse sagedusega elektromagnetvaatega võiks põhjustada olukorra, kus energiarikkamate osakeste arv ületab energiapuudulikumate osakeste arvu, moodustades "energia vaiget". See ilmang, mida nimetatakse "osakeste arvu inverteerimiseks", saavutati lõpuks mikrolainespingejuhul, mis andis alguse esimesele mikrolaserile (Maser). Kuid teaduskogukond tajus kiiresti, et lainepikkuse lühendamine miljonikordselt nähtava valguse piirkonda pühib tehnoloogilist revolutsiooni.
Teine akt: Foonikuu karbid
1960. aastal oli Theodore Maimani laboratoorium täis roobiaerkristalle, mida muud teadlased olid juba "surmaantuks" määranud. Selle ajal hoidis peamne teooria seda nägemust, et roobiate energiataseme üleminekute efektiivsus on liiga madal, kuid Maiman avastas, et kromioonid lähevad tugeva valguse stimuleerimisel läbi unikaalse "kolmetasandilise ülemineku". Ta kitsutas punase kristallitüübi seinaoks heliseonilambliga, nagu piiraksid veerandit uksega. Lõpuks kaitses ta kristalli mõlemat äärmust hopevöögi abil, moodustades sellega "fotone echo seini".
Selles seadmes, mis on ainult plokkide suuruses, liiguvad foonid tagasi ja edasi kiirusega 300 miljonit korda sekundis. Igal kord, kui need lähevad läbi hromiumi ionide jada, käivitatakse uus stimuleeritud radiatsioon, ja valguse tugevus kasvab eksponentsiaalselt. Kui foonide vool lahkus läbi pooltõravat hopefilmi, vaatasid inimesed esmakordselt sügava punase laseri spatiotemporaalse koherentsiga – selle monohroomsus oli 100 000 korda puhas kui päikesesugala, ja tema hajumiskuu oli ainult tuhandaosa otsinguspottist.
Nädal 3: Valguse tants nanaomastikul
Laseritehnoloogia 21. sajandil on murdanud läbi makroskoopsete materjalide piirangud. Halbikondaktori laboratooriumis on insenerid kasutanud molekulaarveebi epitaksiaaltehnoloogiat, et kasvata galliumarseniidipõhiste alusplaatidel kvantlõngade struktuure, mis on ainult inimese juuksa kümnesosast väiksemad. Kui vool läbib need nanomõõtmelised vahekihed, püüavad Bragg'i peegeldajad täpselt foonid, mida elektronide ja hooldikeste potentsiaalkihi sees toimunud ühinemine väljastab, moodustades efektiivsusega üle 90% miniaturese laseri.

Veel maagilisem on "topoloogiliste laserite" läbimurduv: foonid liiguvad spiraalse teedega materjalipiinil, nagu valgused ambed, mis jooksuvad Mööbiuse riibil, täiesti kehvates traditsiooniliste laserite skatterdamise kaotuste eest. See struktuur võimaldab isegi laserit edastada kaotaselt lainejuhtis, mis on seotud kokku, toomega revi, tuues fotoonilistele tiietearvutustele revolutsiooni.
Neli. akt: Magus säde, mis kirjutab uuesti reaalsuse

Guizhous "Hiina Taeva Silma" raadio_teleskoobi kõrval kasutab ülerekondliku nanomustatüüpi ühekordsete foonide detektori lazerid, et tõlgendada kosmilist mikrolainetrükki, mis on 13,7 miljardi valgusaasta kaugusel. Iga fooni saabumisel käivitab see kvantset faasiseisundimuutust ülerekondlikus materjalis, mida tuvastab lazerinterferomeeter signaali muutusega ühe miljoniöönda nanosekundis.

Meditsiinivaldkonnas on femtosekundilased muutunud "varjutuks valguseks kirurgiks", värskeldes mikroonimõõdusid lensoke korras noorverel kiirusega, mis on tuhandeid kordi kiirem kui neurona kiirus, parandades nägemist ilma ümbritsevate kude häirimata. Aastal 2023 ilmus "fotoneelne laserterapeutika": kullananorodid absorbeerivad lähemägiirsed laseri, et luua kohalik plasmaresonants, mis täpselt rööb sygavkuselda ilma terviste rakkude kahjustamata.

Einsteini ennustusest Maimani rubiinihippuni, laborijuhidest käsikantsesse seadmetesse, laaserite evolutsioonilugu on põhimõtteliselt inimkonna manipuleerimise lugu valguse kvantseisundiga.