تشکیل لیزر

لیزر: جادو کوانتومی برای انسان‌ها برای بافتن نور
در بیابان موخاوه کالیفرنیا، گروهی از ستاره‌شناسان پرتو لیزری به قطر ۱۰ متر به آسمان شب شلیک می‌کنند. این پرتو نور سبز قصد رقابت با ستارگان را ندارد، بلکه برای این است که تلسکوپ‌ها بتوانند تصویری روشن‌تر و واضح‌تر از عالم کیهان نسبت به تصویر هابل به دست آورند توسط اندازه‌گیری تورbulence جوی. اصل این پرتو نور دقیقاً یکی از بزرگترین اختراعات قرن بیستم است - لیزر. ظهور آن اتفاقی نبود بلکه همکاری نهایی در طول رودخانه‌ی دانش فیزیک‌دانان، مهندسان و دانشمندان مواد بود.
پرده اول: نظریهٔ فراموش‌شده «Ghost»
در سال ۱۹۱۷، اینشتین مجموعه‌ای از معادلات را در دفتر خود در دانشگاه برلین استخراج کرد که وجود «افراز تحریکی» را پیش‌بینی می‌کرد. این پدیده که در آن زمان به عنوان «فانتوم نظری» شناخته می‌شد، توضیح می‌دهد که فوتون‌ها، مثل دامنه‌های دوmino، اتم‌ها را تحریک می‌کنند تا «کلون‌هایی» را آزاد کنند که دقیقاً خودشان را تکثیر می‌کنند. با این حال، این کشف تقریباً برای ۳۰ سال سکوت کرد - چون هیچ کس راهی برای اینکه ارتش اتمی به طور جمعی به «تغییر جانب» بپردازد، پیدا نکرد.
تا یک شب بهار سال ۱۹۵۱، چارلز تاوز از دانشگاه کلمبیا در حال نشستن روی یک کرسی پارک بود که به sudden دریافت رسید: بمباران مولکول‌های آمونیاک با موج‌های الکترومغناطیسی با فرکانس خاص می‌تواند تعداد ذرات در حالت انرژی بالا را فراتر از ذرات در حالت انرژی پایین بکشد و یک "تخته توازن انرژی" ایجاد کند. این پدیده، که به عنوان "معکوس شدن تعداد ذرات" شناخته می‌شود، در نهایت در باند میکروویو محقق شد و منجر به اختراع اولین لیزر میکروویو (Maser) شد. اما جامعه علمی زود بر این باور رسید که کوتاه کردن طول موج به اندازه یک میلیون برابر و به دامنه نور مرئی یک انقلاب فنآوری را شتاب خواهد داد.
فصل دوم: قفس فوتون در داخل روبی
در سال ۱۹۶۰، آزمایشگاه تئودور میمان پر از بلورهای روی بود که دیگر دانشمندان آنها را به "مرگ" محکوم کرده بودند. در آن زمان، نظریه غالب این بود که کارایی انتقال سطح انرژی روی‌ها خیلی پایین است، اما میمان کشف کرد که یون‌های کروم تحت تحریک نور قوی، انتقال منحصر به فردی به نام «انتقال سه‌سطحی» انجام می‌دهند. او ستون سنگ قرمز را با یک لامپ کسینون مارپیچ پوشاند، همانند اینکه با برق مصنوعی یک قوس قزح را محدود کرده باشد. در نهایت، او طرفین بلور را با نقره پوشاند تا یک «دیوار صدا فوتونی» تشکیل شود.
در این دستگاه، که فقط اندازه یک مداد است، فوتون‌ها با سرعت ۳۰۰ میلیون بار در ثانیه به طور مکرر پیش و عقب می‌روند. هر بار که از آرایهٔ یون‌های کرومیوم عبور می‌کنند، تابش جدیدی برانگیخته می‌شود و شدت نور به صورت نمایی افزایش می‌یابد. زمانی که جریان فوتون‌های گریزان از فیلم نقره‌ای نیمه‌تراوان عبور کرد، انسانان برای نخستین بار یک لیزر قرمز عمیق با هماهنگی زمانی و مکانی مشاهده کردند - تک‌رنگی آن ۱۰۰٬۰۰۰ برابر محض‌تر از نور خورشید بود و زاویهٔ واگرایی آن تنها یک‌هزارم زاویهٔ واگرایی یک چراغ جستجو بود.
پرده ۳: رقص نور در مقیاس نانو
تکنولوژی لیزر در قرن بیست و یکم محدودیت‌های مواد ماکروسکوپی را شکسته است. در آزمایشگاه نیمه هادی، مهندسان ساختارهای کوانتومی خوب روی زیربنای گالیم آرسنید به روش تراکم پرتو مولکولی تولید کرده‌اند که ضخامت آنها تنها یک دهم هزارم عرض مو انسانی است. وقتی جریان الکتریکی از این لایه‌های نانوسکالی عبور می‌کند، فوتون‌های تولید شده توسط بازتاب الکترون‌ها و حفره‌ها در چاه پتانسیل دقیقاً توسط بازتاب‌دهنده برآگ مورد جمع‌آوری قرار می‌گیرد و یک لیزر مینیاتور با کارایی بیش از ۹۰٪ تشکیل می‌شود.

چشم‌اندازی شگفت‌انگیز‌تر، پیشرفت در «لیزر توپولوژیک» است: فوتون‌ها بر روی سطح ماده به صورت مسیر مارپیچ حرکت می‌کنند، شبیه به مورچه‌های روشنایی که روی نوار موبیوس دویده‌اند، کاملاً مقاوم در برابر از دست دادن پراکنشی در لیزرهای سنتی. این ساختار حتی امکان انتقال لیزر بدون از دست دادن در راهنمای موجی که به شکل گره خم شده است را فراهم می‌کند و انقلابی در چیپ‌های نوری ایجاد می‌کند.
پرده چهارم: پرتو جادویی که واقعیت را بازنویسی می‌کند

در کنار تلسکوپ رادیویی "چشم آسمان چین" در گوئیژو، یک شناسای فوتون تکی نانوسیمeh ابررسانا با استفاده از لیزرها برای تفسیر تابش زمینه میکروویوی کیهانی از ۱۳٫۷ میلیارد سال نوری دور استفاده می‌کند. هنگامی که هر فوتون به مقصد می‌رسد، یک انتقال فاز کوانتومی در مواد ابررسانا ایجاد می‌کند که توسط یک انترفراست لیزری با تغییر سیگنال به اندازه یک میلیونم نانوثانیه ثبت می‌شود.

در حوزه پزشکی، لیزرهای فمتوثانیه به "چاقوی نور بدون سایه" تبدیل شده‌اند، عدسی‌های میکرونی روی قرنیه با سرعتی هزار برابر سریع‌تر از نورون‌ها فرآوری می‌کنند و بینایی را بدون اخلال در بافت‌های اطراف اصلاح می‌کنند. در سال ۲۰۲۳، درمان لیزری "فوتوآکوستیک" ظاهر شد: نانوچوب‌های طلا نور لیزر نزدیک به فرابنفش را جذب می‌کنند تا رزونانس پلازما محلی تولید کنند و سلول‌های سرطانی را بدون آسیب دادن به سلول‌های سالم دقیقًا منفجر می‌کنند.

از پیش‌بینی اینشتین تا نور سرخ‌آلوده مایمن، از شگفتی‌های آزمایشگاهی تا دستگاه‌های دستی، تاریخچه تحول لیزرها در واقع تاریخچه کنترل انسان بر حالت کوانتومی نور است.