Lazeru veidošanās

Lazeris: Kvantu māģija cilvēkiem, lai vilktu gaismu
Kalifornijas Mojave šaurulī grupa astronomu šauj lasera starus ar 10 metru diametru naktīs debesīs. Šī zaļā gaismas straume nav paredzēta konkurēt zvaigznēm, bet gan ļaut teleskopiem, izmērījot atmosfēras turbulentumu, iegūt skaidrāku universāla attēlu nekā Hubblea attēlu. Šīs gaismas straumes būtība ir viena no lielākajām 20. gadsimta atklājumiem — lasera. Tā rašanās nebija gadījuma, bet galvenokārt fiziku, inženieru un materiālu zinātnieku sapulces gar intelekta garu.
Pirmā cēlma: Aizmirstais „Spoka teorija“
1917. gadā Einšteins savā birojā Berlīnas universitētē izveidoja vienādojumu kopu, kas prognozēja "stimulētas emisijas" pastāvēšanu. Šis fenomens, tad pazīstams kā "teoretiskais spoks", apraksta, kā fotoni, līdzīgi domīnu kārtnēm, iespieda atomiem "klonu" atdzesēšanu, kas pilnībā sevi replikē. Tomēr šī atklājums palika neizskaidrots gandrīz 30 gadus - jo neviens nevarēja atrast veidu, kā padarīt, lai atomu armija kopā "atkāptos".
Tikai 1951. gada pavasara naktī Kolumbija Varsity profesors Ķārlis Towss sēžot parka bankā ieguva pēkšņu ideju: bombardējot amonīka molekulās ar elektromagnētiskiem spējiem noteiktā biežuma var padarīt, lai augstenerģijas stāvokļa daļiņu skaitu pārsniedz zemenerģijas stāvokļa daļiņu skaitu, veidojot "enerģijas vēderi". Šis fenomens, kas pazīstams kā "daļiņu skaits invertēts", beidzot tika sasniegts mikroviļņu diapazonā, radot pirmo mikroviļņu lasers (Maser). Bet zinātniskajam sabiedrībai drīz kļuva skaidrs, ka saīsinot vilciena garumu miljonreizes līdz redzamā gaismas diapazonam izraisītu tehnoloģiju revolūciju.
Otrā daļa: Fotonu kafija rubīnā
1960. gadā Teodors Meimana laboratorija bija pilna ar rubīnu kristāliem, kuriem citi zinātnieki bija noteikuši "nāvi". Tad bija parasts uzskats, ka rubīnu enerģijas līmeņu pārejas efektivitāte ir pārāk zema, taču Meimans atklāja, ka hromas ioni spēj veikt unikālu "trīsstarpju pāreju" stipra gaismas stimulācijā. Viņš apvilka sarkanā dēļa kolonu ar spirālveida ksenona lampu, it kā ierobežojot rainbow ar blikusiem. Beidzot, lai izveidotu "fotona atbalssieni", viņš abās krastām plātīja ar sidru.
Šajā ierīcē, kura ir tikai akmeņa lielumā, fotoni brauc tūlīt un atpakaļ ar ātrumu 300 miljonus reizes sekundē. Katru reizi, kad tas pārvietojas caur hromu jonu masīvu, tiek izraisīta jauna stimulētā starojuma, un gaismas intensitāte pieaug eksponenciāli. Kad bēgšanas fotona plūsma pārtrauca puscaurumu sidraba filmu, cilvēki pirmo reizi redzēja dziļi sarkano lazeri ar laika un telpas koherenci - tā monohromātiskums bija 100 000 reizes šķīstāks nekā saules gaismas, un tā attālināšanās leņķis bija tikai viena tūkstošdaļa no mehrenes.
3. daļa: Gaismas šķērēšana nanomērožos
Lazeru tehnoloģija 21. gadsimtā ir pārvarējusi makroskopisku materiālu ierobežojumus. Semikonduktoru laboratorijā inženieri ir audzējuši kvantu līdzmeņu struktūras uz galija arsenīda substrātiem, kuras ir tikai viena desmittūkstošdaļa no cilvēka matu caur molekulu staru epitaxies tehnoloģiju. Kad cauri šiem nanomēroga starplukturām tek strāva, fotoni, kas izlaidoti ar elektroņu un caurulņu rekombināciju potenciāllaukā, tiek precīzi iegūti no Bragg atstarošanas, veidojot miniaturu lazeru ar efektivitāti vairāk nekā 90%.

Vēl brīnīnīgāk ir "topoloģisko lazeru" pārbaudes: fotoni ceļo pa spiralveida ceļu uz materiāla virsmas, tāpat kā gaismas „mušu“ skrien uz Möbiusa juceklis, pilnībā neatkarīgi no tradicionālo lazeru izplatības zaudējumiem. Šī struktūra pat ļauj lazeram pārvadāties bez zaudējumiem pa līnijveida līnijām, kas savilktas līdz mizas formai, nesagatavojot optisko čipu revolūciju.
Ceturtais stars: Maģiskais staru, kas pārraksta realitāti

Pie "Ķīnas debesu acīm" radio teleskopa Guizhou, superdzidrā nanovīru vienfotona detektors izmanto laseri, lai interpretētu kosmisko mikrotvērmradiāciju no 13,7 miljardu gaismagados attālumā. Kad katrs fotons sasniedz mērķi, tas izsauc kvantu fāzes pāreju superdzidrā materiālā, ko lasera interferometrs iekasā ar signāla mainību vienas miljonas daļā no nanosekundes.

Medicīnas jomā femtosekundes lasers ir transformējies par "nēšiem tēnu gaismaņiem", kas uz korēnu gravižģerbina mikrona lielumā lēcas tūkstošiem reižu ātrāk nekā neuroni, labojot redzi bez apkārtējo audzu traucēšanas. 2023. gadā radās "fotakoustiskā laserterapija": zelta nanorodītes absorbē tuvu-infratvērmi laseri, lai radītu vietējo plazmas rezonanci, precīzi sabojājot vēsumu šūnas, neatstājot zaudējumus veselajām šūnām.

No Einšteina prognozes līdz Maismana rubīna blikšķim, no laboratorijas brīnumiem līdz rokas ierīcēm, lasers evolūcijas vēsture savā būtībā ir cilvēka manipulāciju ar gaismas kvantu stāvokli vēsture.