Dannelse av laser

Laser: Kvantemagi for mennesker å vove lys
I Mojaveøken i Kalifornien skjuter en gruppe astronomer laserstråler med en diameter på 10 meter opp i nattens himmel. Dette grønne lysbrynet har ikke til hensikt å konkurrere med stjernene, men å gjøre det mulig for teleskopene å få et klarere bilde av universet enn Hubble-bildet ved å måle atmosfæriske turbulenser. Essensen av dette lysbrynet er nettopp en av de største oppfinningene fra 1900-tallet - laseren. Dets fødsel var ikke tilfeldig, men en ytterst samarbeid mellom fysikere, ingeniører og materialvitenskapsfolk over en lang periode av kunnskap.
Handling en: Den glemte "spøkelseteori"
I 1917 deduserte Einstein en settning av ligninger i kontoret sitt ved Universitetet i Berlin, der han forutsa eksistensen av "stimulert emisjon". Dette fenomenet, da kjent som "den teoretiske spøkelset", beskriver hvordan fotoner, lik dominobrikker, utløser atomer til å frigjøre "kloner" som fullstendig repliserer seg selv. Likevel ble denne oppdagelsen ubemerket i nær 30 år - fordi ingen kunne finne en måte å få den atomære hæren til å kollektivt å "flykte".
Det var ikke før en vinterkveld i 1951 at Charles Townes fra Columbia University fikk en plutselig innsikt mens han satt på en parkbænk: å bombardere ammoniakk-molekyler med elektromagnetiske bølger av en spesifikk frekvens kunne gjøre at antall høy-energi partikler overskred det lav-energi tilstanden, skapende en "energivippe". Dette fenomenet, kjent som "partikkelinversjon", ble til slutt oppnådd i mikrobølgebåndet, hvilket førte til den første mikrobølge-laseren (Maser). Men den vitenskapelige samfunnet innkjente snart at å forkorte bølgelengden en million ganger til synlig lysområde ville utløse en teknologisk revolusjon.
Neste Akkord: Fotonfange Inside Rubinen
I 1960 var Theodore Maimans laboratorium fullt av rubinkristaller som hadde blitt dømt til "død" av andre vitenskapsmenn. På den tiden sa den gjeldende teorien at energinivåovergangseffektiviteten til rubiner var for lav, men Maiman oppdaget at kromioner ville gjennomgå en unik «tre-nivå-overgang» under sterkt lysstimulering. Han pakket den røde juvelsøylen med en spiralformet ksenuumlplamp, som om han fanget en regnbue med lyn. Til slutt metallførte han sølvpresiser på begge ender av krystallen for å danne en «foton-ekovegg».
I denne enheten, som bare er så stor som en blyant, reiser fotoner fram og tilbake med en hastighet på 300 millioner ganger per sekund. Hvert gang de passerer gjennom krømiumjonene, utløses ny stimulert stråling, og lysintensiteten øker eksponentielt. Da floden av flyktende fotoner brøt gjennom den semi-permeable sølvfilmen, vitne mennesker for første gang til et dyp rødt laserlys med romtidlig kohensjon - dets monokromatiske egenskaper var 100,000 ganger renere enn sollys, og dets divergensvinkel var bare en tusendel av det av et lekterlys.
Akten 3: Lysdansen på nanonivå
Laser teknologien i det 21. århundre har brutt gjennom begrensningene til makroskopiske materialer. I halvlederlaboratoriet har ingeniører dyrket kvantbrunnstrukture på galliumarsenidunderlag som bare er en tiendels av tykkelsen på et menneskelig hår ved hjelp av molekylstrålepitasjeteknologi. Når strømmen går gjennom disse nanoskalige mellagslag, blir fotonene frigjort av rekomposisjonen av elektroner og hull i potensialbrunnen nøyaktig fanget av Bragg-reflektoren, og oppretter dermed en miniatyrlaser med en effektivitet på over 90%.

Enda mer forbløffende er gjennombruddet i "topologiske laser": fotoner reiser langs en spiralbane på materialsoverflaten, som lysende myrer som løper på en Möbiusband, fullstendig immun mot streuingstabene fra tradisjonelle laser. Denne strukturen gjør det faktisk mulig for laseren å overføres uten tap i bøyd veileder knyttet sammen som et knutepunkt, og bringer en revolusjon til fotontekniske kjerner.
Akt fire: Det magiske strålet som skriver om virkeligheten

Ved siden av "Kinas himmelske øye"-radioteleskop i Guizhou brukes en superledende nanotrådedyte til å tolke kosmisk mikrobølgebakgraverstraling fra 13,7 milliarder lysår unna ved hjelp av laser. Når hver foton ankommer, utløser den en kvantfasetransisjon i superlederstoffet, som oppfanges av et laserinterferometer med en signalkjeks på en milliontedel av en nanosekund.

I medisinsk felt har femtosekundslaser transformert seg til "skyggefrie lysknivar", graverte mikronstore linser på korneaen flere tusen ganger raskere enn nervene reagerer, for å rette opp syn uten å styrte omkringliggende vev. I 2023 dukket "fotoakustisk laserterapi" opp: gyldenaneroter absorberer nær-infrarød laser for å generere lokal plasmaresonans, presist sprøyting kreftceller uten å skade friske celler.

Fra Einsteins forutsetning til Maimans rubinflass, fra laboratoriemunder til håndholdte enheter, er utviklingshistorien av laserer i hovedsak en historie om menneskelig manipulering av kvantetilstanden til lys.