De vorming van de laser

Laser: De kwantummagie waarmee mensen licht vlechten
In de Mojave-woestijn van Californië schieten een groep astronomen laserstralen met een diameter van 10 meter de nachtelijke hemel in. Deze groene lichtstraal is niet bedoeld om te concurreren met de sterren, maar om telescopen in staat te stellen een duidelijkere afbeelding van het universum te verkrijgen dan de Hubble-afbeelding door atmosferische turbulentie te meten. Het wezen van deze lichtstraal is precies een van de grootste uitvindingen van de 20e eeuw - de laser. Zijn ontstaan was geen toeval, maar een uiteindelijke samenwerking die de lange rivier van wijsheid omvatte onder fysici, ingenieurs en materialenwetenschappers.
Bedrijf Een: De Vergeten 'Spooktheorie'
In 1917 leidde Einstein een reeks vergelijkingen af in zijn kantoor aan de Universiteit van Berlijn, waarin hij de bestaan van "gestimuleerde emissie" voorspelde. Dit verschijnsel, toen bekend als de "theoretische spook", beschrijft hoe fotonen, zoals dominostenen, atomen doen om "kloon" uit te stoten die zichzelf perfect repliceren. Toch bleef deze ontdekking ongehoord voor bijna 30 jaar - omdat niemand een manier kon vinden om het atomische leger collectief te laten "overlopen".
Pas op een lentedag in 1951 had Charles Townes van Columbia University een plotselinge inzicht terwijl hij op een parkbankje zat: het bestrijken van ammoniakmoleculen met elektromagnetische golven van een specifieke frequentie kon het aantal deeltjes in een hoge-energietoestand laten overtreffen dat van de lage-energietoestand, waardoor een "energie-wip" ontstond. Dit verschijnsel, bekend als "de omkering van de deeltjestoevoer", werd uiteindelijk bereikt in de mikrogolfband, wat leidde tot de eerste mikrogolf-laser (Maser). Maar de wetenschappelijke gemeenschap realiseerde zich snel dat het inkorten van de golflengte een miljoen keer tot in het zichtbare lichtbereik een technologische revolutie zou ontketenen.
Hoofdstuk Twee: De Fotonenkooi Binnenin de Roest
In 1960 was Theodore Maimans laboratorium gevuld met robijncrystalen die door andere wetenschappers waren veroordeeld tot de "dood". Op dat moment hield de mainstreamtheorie in dat de energieniveau-overgangsefficiëntie van robijnen te laag was, maar Maiman ontdekte dat chroomionen een unieke "drie-niveaovergang" zouden ondergaan bij sterke lichtopwekking. Hij wikkelde de rode edelsteenkolom met een spiraalvormige xenonlamp alsof hij een regenboog insloot met bliksem. Uiteindelijk bedekte hij beide uiteinden van de kristal met zilver om een "foton-echo wand" te vormen.
In dit apparaat, dat slechts de grootte heeft van een potlood, reizen fotonen heen en weer met een snelheid van 300 miljoen keer per seconde. Elk keer dat ze door de chroomioonrij gaan, wordt nieuwe gestimuleerde straling getriggerd en neemt de lichtintensiteit exponentieel toe. Toen de stroom ontsnappende fotonen door de halfdoorlatende zilverlaag brak, zagen mensen voor het eerst een dieprode laser met ruimtetijdelijke coherentie - zijn monochromatischheid was 100.000 maal zuiverder dan die van zonlicht, en zijn divergentiehoek was slechts een duizendste van die van een zoeklicht.
Hoofdstuk 3: De Dans van Licht op Nanoschaal
Laser technologie in de 21e eeuw heeft de beperkingen van macroscopische materialen doorbroken. In het halbleiderlaboratorium hebben ingenieurs quantum well structuren gekweekt op galliumarsenic substrate die slechts een tienduizendste van een mensenhaar groot zijn, door middel van moleculaire straal epitaxietechnologie. Wanneer de stroom door deze nanoschaal interlagen stroomt, worden de door elektron- gat recombining vrijgekomen fotonen nauwkeurig gevangen door de Bragg reflector, waardoor er een miniatuur laser ontstaat met een efficiëntie van meer dan 90%.

Nog verbazingwekkender is de doorbraak in "topologische lasers": fotonen reizen langs een spiraalpad over het materiaaloppervlak, zoals lichtgevende mieren die rennen op een Möbiusband, volledig ongevoelig voor de verstrooiverliezen van traditionele lasers. Deze structuur maakt zelfs dat de laser zonder verlies kan worden doorgestuurd in een golfleiding die in een knoop wordt gebogen, wat een revolutie betekent voor fotonische chips.
Bedrijf vier: De magische straal die de realiteit herschrijft

Naast de "China Sky Eye"-radiotelescoop in Guizhou gebruikt een supergeleidende nanodraad enkel-foton detector lasers om de kosmische mikrogolfachtergrondstraling van 13,7 miljard lichtjaren ver weg te interpreteren. Wanneer elke foton aankomt, activeert hij een kwantumfasetransitie in het supergeleidende materiaal, wat wordt vastgelegd door een laserinterferometer met een signaalverandering van een miljoenste van een nanoseconde.

In het medisch veld zijn femtoseconde-lasers getransformeerd tot "schaduwloze lichtmessers", die micrometergrote lenzen op de hoornvlies graveerden met een snelheid duizenden keren sneller dan die van zenuwen, visie corrigerend zonder de omringende weefsels te storen. In 2023 verscheen de "fotoakoestische lasertherapie": goudnanostaven absorberen bijna-infraroodlaserlicht om lokale plasmaresonantie te genereren, kankercellen precies vernietigend zonder gezonde cellen te schaden.

Van Einstein's voorspelling tot Maiman's robijnflits, van laboratoriumwonderen tot handhoudbare apparaten, de evolutiegeschiedenis van lasers is eigenlijk een geschiedenis van de menselijke manipulatie van de kwantumtoestand van licht.