A laser képződése

Lézer: A kvantumvarázslat, amivel az emberek hurokot öveznek a fényből
Kalifornia Mojave-pusztájában egy csoporthasznál lézersugárokat 10 méteres átmérővel az éjszaka égboltjára. Ez a zöld fényvonal nem arra szolgál, hogy versenyt vívjön a csillagokkal, hanem lehetővé teszi a teleszkópok számára, hogy mérje az atmoszféra turbulenciáját, és így tisztább képet készítsenek a világegyetről, mint amilyen az Hubblévából ismert. Ez a fényvonal pontosan egyik legnagyobb 20. századi feltalálás - a lézer. Az alkalmazása nem véletlen, hanem a fizikusok, mérnökök és anyagtudományosok hosszú tudományos együttműködésének eredménye.
Első színhely: A felejtett 'Fantom Elmélet'
1917-ben Einstein levezetett egy egyenletrendszert a Berlini Egyetem irodájában, amely az „indított kibocsátás” létezését előre jelezte. Ez a jelenség, akkor ismert mint a „történeti szellem”, leírja, hogyan viselkednek a fotonok, mint a dominók, és arra késztetik az atomokat, hogy kiadjanak „klónokat”, amelyek tökéletesen másolják önmagukat. Azonban ez a felfedezés majdnem 30 évig maradt csendben – mivel senki sem talált ki módot arra, hogy az atomi sereg gyűjtőleges „átmenetét” elérje.
Nem volt egyéb, mint a 1951-es téli éjszakájában, amikor Charles Townes a Columbia Egyetemen ült egy parkpárnán, és hirtelen rájött: ha elektromágneses hullámokat bombázunk amóniak molekulákra adott frekvenciájúan, akkor a magas energiaállapotú részecskék száma meghaladhatja a kis energiájú állapotúakét, egy "energia láncfutó" típusú jelenséget alkotva. Ezt a jelenséget, amit „részecske-számfordítás” néven ismertek, végre sikerült elérni a mikrohullám-tartományban, ahonnan született az első mikrohullám-lézer (Maser). De hamarosan a tudományos közösség felismerte, hogy ha milliószor rövidebb hullámhosszúságra, a látható fény tartományára vonaglítanánk, technológiai forradalmet váltana ki.
A második fejezet: A fénypárkány a rubinben
1960-ban Theodore Maiman laboratóriuma piros kőkristályokkal volt tele, amelyeket más tudósok „halálra ítélték”. Az akkori főállás szerint a rubinok energiázonszinti átmeneti hatékonysága túl alacsony volt, de Maiman felfedezte, hogy a cróm jonok egyedi „háromszintes átmenetet” végeznek erős fénykitérés alatt. A vörös drágakőt xenonlámpával történt spirálos felkereszteléssel fedte ki, mintha a világot szivárványba zárta volna. Végül ezüsttel fedte be a kristaly mindkét végét, így egy „fotonvisszhang falat” hozott létre.
Ebben a készülékből, amely csupán ceruza méretű, a fénykiszírek 300 millió alkalommal másodpercenként utaznak előre és hátra. Mindegyik áthaladásuk során, amikor átmennek a kromiók tömbjén, új stimulált sugárzást váltanak ki, és a fényerősség exponenciálisan növekszik. Amikor a kilógó fénykiszír torrense kijutott a félátmenetes ezüstszivacs filmből, az emberiség először látt egy mély vörös laser Sugárzást, amely idő-térbeli koherenciával rendelkezik – monokromatiája 100 000-szer tisztább volt, mint a napfényé, és a divergencia szöge csak a keresztüvészetének ezered része volt.
3. színhet: A nanoskálán való fénytánç
A 21. század laser technológiája áttörésre jutott a makroszkopikus anyagok korlátain. A halványvezetékes laboratóriumokban mérnökök molekulás sugárzásos epitaxiális technológiával fejlesztettek ki kvantum-kaszta szerkezeteket gallium arsenid alapanyagon, amelyek egy emberi hajszál tízezred része olyan vékonyak. Amikor a téráram áthalad ezeken a nanós középre, az elektronok és lyukak potenciális kaszta valamint a fénykvantumok pontosan a Bragg-tükröző által felvannak, miközben kialakul egy 90%-os hatékonyságú miniatűr lázer.

Még csodáltatóbb a "topológiai lázerek" története: a fénykvantumok spirálos útvonalon haladnak el az anyag felszínén, mint fényes hangyák egy Möbius-szalag-on, teljesen megvédezőve a konverziós veszteségektől a hagyományos lázerekhez képest. Ez a struktúra akár lehetővé teszi a lázerek hullámvezetőben történő veszteségmentes továbbítását, ha a vezető egy csomó alakot követ, ami forradalmi lépést jelent a fényhalozatok terén.
Negyedik Felvonás: Az A Valóságot Átíró Mágikus Sugár

A Guizhoun belüli „Kínai Égbolti Szeme” nevű rádióteleszkóp mellett egy szuperhajlító nanoszál egyetlen fényerőforrás-detektor lázerrel értelmezi a 13,7 milliárd fényéve távoli univerzum háttér-mikrohullám-sugárzását. Amikor minden egyes fényerőforrás érkezik, kivált egy kvantumszintű fázisátvitelt a szuperhajlító anyagban, amelyet egy lázer interferométer rögzít egy milliomodszegnyi másodpercbeli jelelemzéssel.

Az orvostudomány területén a femtosekundumos laserszekrények átalakultak „árnyéktalan fényes késszalagokká”, amelyek mikron méretű lencseket gravíroznak a szem körfalján, ezrenyszer gyorsabban, mint amilyen sebességgel terjednek az idegsejelek, így korrigálják a látást anélkül, hogy zavarniuk a környező szöveteket. 2023-ban megjelent a „fotofonos laserterápia”: arany nanorúdok fogadják fel a középinfravörös lázert, helyi plazma rezonanciát hozva létre, amely pontosan önti ki a rákkórhalmazokat, anélkül, hogy károsítaná a sokozott sejtet.

Einstein előrejelzésétől Maiman piros illesztőjéig, a laboratórium csodáitól a kezelő eszközökhöz, a lasers evolúciós története alapvetően az emberiség működése a fény kvantumállapotának ellenőrzésében.