Laserin muodostuminen

Laseri: Kvanttimagia ihmisten valoa kutoon
Kalifornian Mojave-kuumossa ryhmä tähtitieteilijöitä ampuu 10 metriä leveitä laseripussi yötä kohti. Tämä vihreä valopilkki ei pyri kilpailemaan tähdien kanssa, vaan mahdollistaa teleskoopien saavuttavan selkeämmän maailmankaikkeuden kuvan kuin Hubble-kuvasta mittaten ilmakehän häiriöitä. Tämän valopilkun olennainen luonne on juuri yksi 20. vuosisadan suurimmista keksinnöistä - laseri. Sen syntymistä ei voinut pitää sattumanvaraisena, vaan se oli lopullinen yhteistyö, joka kattoi fysiikoiden, insinöörien ja materiaalitieteilijöiden pitkän viisauden virtauksen.
Ensimmäinen näytelmä: Unohdettu 'pahallinen teoria'
Vuonna 1917 Einstein johdatti yhtälöryhmän Berliinin yliopiston toimistossaan, joka ennusti "stimuloitunutta säteilyä". Tämä ilmiö, jota silloin kutsuttiin "teoreettiseksi hengestä", kuvailee, miten fotonit, kuten dominot, käynnistävät atomeja vapauttamaan "kloonit", jotka täydellisesti kopioidut itsestään. Kuitenkin tämä keksintö jäi hiljaiseksi melkein 30 vuoden ajan – sillä kukaan ei voinut löytää keinoa saada atomijoukko kasvattamaan yhdessä "vastarrikaa".
Ei ollut ennen vuoden 1951 kevät yönä, kun Charles Townes Columbia-yliopiston tutkija sai yhtäkkiä ajatuksen istuen puistossa parkkipenkillä: ampumalla ammiakkimolekyylejä tietyllä taajuudella elektromagneettisilla aalloilla voitaisiin saada korkean energian tilassa olevien hiukkasten määrä ylittämään alhaisen energian tilassa olevat, muodostaen "energian vaakakilven". Tätä ilmiötä, jota kutsutaan "hiukkosten lukumäärän käänteisyydeksi", onnistuttiin lopulta toteuttamaan mikroaallotaloudessa, mikä johti ensimmäisen mikroaallokasersen (Maser) syntymiseen. Mutta tieteellinen yhteisö huomasi pian, että lyhentämällä aallonpituutta miljooninkertaisesti näkyväyden alueeseen käynnistäisi teknologisen vallankumouksen.
Toinen osa: Fotonikangas rubeessissa
Vuonna 1960 Theodore Maimanin laboratoriossa oli täynnä johdonmukaisia rubiineja, jotka muiden tieteilijöiden mukaan olivat tuomittuja "kuolemaan". Tuolloin vallitseva teoria oli, että rubiinien energiatason siirtymäteho oli liian alhainen, mutta Maiman keksi, että kromiioni käyvät läpi ainutlaatuisen "kolme tasoa siirtymisen" vahvan valon stimuloinnissa. Hän ympäröi punaisen hopeakolmun spiraalisella ksenuumilampulla, kuin rajoittaisi taivaan kaaren pyörremyrskylässä. Lopulta hän kaatoi hopeaa kristallicolumnin molemmille päälle ja muodosti "fotonien äänen seinän".
Tässä laitteessa, joka on vain kynän kokoinen, fotonit matkustavat eteenpäin ja taaksepäin nopeudella 300 miljoonaa kertaa sekunnissa. Jokaisen kerran, kun ne kulkevat kromiioniarraylta, uutta stimuloitua säteilyä käynnistetään, ja valon voimakkuus kasvaa eksponentiaalisesti. Kun fotonien virta rikkoi läpi puoliksi läpäisvyöhykkeellisen hopeapelmolohkon, ihmiset näkivät ensimmäistä kertaa syvällepunaisen laserin aikaruumiokoherenttina - sen monokromaatteisuus oli 100 000 kertaa puhtaampi kuin aurinkovalon, ja sen hajontakulma oli vain tuhannesosan suurempi kuin hakuhädyn.
Osa 3: Valon tanssi nanoskaalalla
Laseritekniikka 21. vuosisadalla on rikkonut makroskooppisten materiaalien rajoituksia. Semikonduktoriaueriossa insinöörit ovat kasvattaneet kvanttiluukkuja galliumaarsenidi-alustoihin, jotka ovat vain yhtenä kymmenentuhannesta ihmishiuksesta molekyyliepitysteeknologian avulla. Kun virta kulkee näiden nanoskaalaisen välimittaren kautta, elektronien ja aukkojen uudensyntyssä vapautuvat fotonit kiinnitetään tarkasti Bragg'n heijastimella, mikä muodostaa miniatyuksen laserin teholla yli 90 %.

Entistä hämmästyttävämpää on "topologisten lasereiden" läpimurto: fotonit matkustavat spiraalitietä materiaalin pinnalla, kuin valoisia muuria, jotka juoksevat Möbiuksen nauhalla, täysin kestämättömiä perinteisten lasereiden hajotusmenetyksille. Tämä rakenne mahdollistaa jopa laseren menettämättömän siirtämisen nokkaan kaareutuneessa aaltojohtimessa, tuottaen valo-iskelmiin kohdistuvan vallankumouksen.
Neljäs toimi: Taika-isy, joka kirjoittaa uudestaan todellisuuden

Guizhoun "Kiinan taivaan silmän" radioteleskopin vieressä superjohde-nanoketjun yksittäisfotonitunnistin käyttää laseria tulkitsen 13,7 miljardia valovuotta päässä olevaa kosmisesta mikrobotti-säteilyä. Kun jokainen foton saapuu, se aiheuttaa kvanttiliikelomuutos superjohtosuhteessa, jonka laserihäiriömittari kiinnittää signaalimuutoksena, joka on miljoonasosa nanosekuntia.

Lääketieteellisessä alalla femtosekunttilaserit ovat muuttuneet "varjottomiksi valon veitiksi", joilla kaivetaan mikronsuuruisten linsojen muotoisia rakennekohtia korenassa nopeudella, joka on tuhansinkertainen neuroonien nopeuteen verrattuna, korjaen näköä ilman ympärövien kudosien häiritsemistä. Vuonna 2023 syntyi "optoakustinen laserhoido": hopeananopillarit absorboidut lähijohde-infrapunaislaserit synnyttämään paikallista plasmaresonanssia, joka tarkasti purkkaa syöpäsoluja ilman terveiden solujen vahingoittamista.

Einsteinin ennusteesta Maimanin rubiinkirjaan, laboratoriotaitoista käsityökaluihin, laserien kehityshistoria on olennaisesti ihmisen manipulointihistoria valon kvanttilaadusta.