Tworzenie się lasera

Laser: Kwantowa magia dla ludzi, aby pleść światło
W pustyni Mojave w Kalifornii grupa astronomów wysyła promienie laserowe o średnicy 10 metrów w nocne niebo. Ten zielony promień światła nie ma na celu rywalizację z gwiazdami, ale umożliwienie teleskopom uzyskania wyraźniejszego obrazu wszechświata niż zdjęcie Hubble’a poprzez pomiar turbulentności atmosferycznej. Istota tego promienia światła to jedna z największych wynalazków XX wieku – laser. Jego powstanie nie było przypadkowe, lecz ostateczną współpracą przestrzegającą długiej tradycji mądrości między fizykami, inżynierami i naukowcami zajmującymi się materiałami.
Akt Pierwszy: Zapomniana „Teoria Ducha”
W 1917 roku Einstein wyprowadził zbiór równań w swoim gabinecie na Uniwersytecie w Berlinie, przewidując istnienie „zachęconego emisji”. To zjawisko, wtedy znane jako „teoretyczny duch”, opisuje, jak ffony, podobnie jak domina, wyzwalają atomy do wydawania „klonów”, które doskonale replikują same siebie. Jednakże, to odkrycie pozostało milczące przez prawie 30 lat – ponieważ nikt nie mógł znaleźć sposobu, aby sprawić, by armia atomowa zbiorowo „przeszła na drugą stronę”.
Dopiero wiosenną nocą w 1951 roku Charles Townes z Uniwersytetu Columbia, siedząc na ławce w parku, nagle uświadomił sobie, że bombardowanie cząsteczek amoniku falami elektromagnetycznymi o określonej częstotliwości może spowodować, że liczba cząstek w stanie wysokiej energii przekroczy liczbę cząstek w stanie niskiej energii, tworząc "kolebkę energetyczną". To zjawisko, znane jako "inwersja liczby cząstek", zostało w końcu osiągnięte w paśmie mikrofalowym, co dało początek pierwszemu mikrofalomu (Maser). Ale społeczność naukowa szybko zdała sobie sprawę, że skrócenie długości fali milion razy do zakresu światła widzialnego wywołałoby rewolucję technologiczną.
Drugie działanie: Klatka fotonów w rubinie
W 1960 roku laboratorium Theodore'a Maimana było wypełnione krzemieniami rubinowymi, które zostały skazane na "śmierć" przez innych naukowców. W tamtym czasie dominująca teoria głosiła, że wydajność przejścia poziomów energii u rubinów jest zbyt niska, ale Maiman odkrył, że jon chropowy przegania unikalny „trzy-poziomowy przewód” pod wpływem silnego pobudzenia światłowodowego. Owijał czerwony słup klejnotu spiralem z lampą xenonową, jakby więził tęczę piorunami. Ostatecznie, oba końce kryształu obsadził srebrnymi powłokami, tworząc „echowanie fotonowe”.
W tym urządzeniu, które ma tylko rozmiar ołówka, fotele poruszają się tam i z powrotem z prędkością 300 milionów razy na sekundę. Za każdym razem, gdy przechodzą przez tabliczkę jonów chromowych, wyzwalana jest nowa promieniowanie stimulowane, a intensywność światła rośnie wykładniczo. Gdy potok uciekających fotonów przeszedł przez półprzeciągły film srebrny, ludzkość po raz pierwszy świadczona głęboko czerwony laser o spójności czasoprzestrzennej - jego monochromatyczność była 100 000 razy czystsza niż światło słoneczne, a jego kąt rozbieżności był tylko jedna tysięczna od tego lampy sygnalizacyjnej.
Akt 3: Tańczenie światła w nanoskali
Technologia laserowa w XXI wieku przekroczyła ograniczenia materiałów makroskopowych. W laboratorium półprzewodnikowym inżynierowie wyhodowali struktury kwantowe na podłożach z arsenku galu, które są tylko jedna dziesięciotysięczna średnicy ludzkiego włosa, dzięki technologii epitaksji wiązki cząsteczkowej. Gdy prąd przepływa przez te nanoskalne warstwy, fotonów emitowanych przez rekombinację elektronów i dziur w dole potencjału precyzyjnie łapie reflektor Bragg'a, tworząc mikrolaser o wydajności powyżej 90%.

Jeszcze bardziej zaskakujące jest przełamanie w dziedzinie "topologicznych laserów": ffony poruszają się po ścieżce skręconej na powierzchni materiału, jak świecące mrówki biegające po taśmie Möbiusa, całkowicie odporno na straty spowodowane rozproszeniem tradycyjnych laserów. Ta struktura umożliwia nawet bezstratne przesyłanie lasera w falowodzie zagiętym w węzeł, co przynosi rewolucję w układach fotonicznych.
Akt czwarty: Magiczny promień, który przepisuje rzeczywistość

Obok radioteleskopu "Chińskie Oko Nieba" w Guizhou, detektor pojedynczych fotonów z nanoprzewodnikiem superprzewodzącym używa laserów do interpretacji promieniowania tła mikrofalowego kosmicznego z odległości 13,7 miliarda lat świetlnych. Każdy przybywający foton wywołuje przemianę fazową w materiale superprzewodnikowym, która jest rejestrowana przez interferometr laserowy za pomocą zmiany sygnału o wartości milionnej części nanosekundy.

W dziedzinie medycznej, lasery femtosekundowe przekształciły się w "niewidzialne noże światła", rzeźbiąc soczewki o rozmiarach mikronowych na rogówce tysiące razy szybciej niż prędkość nerwów, poprawiając wzrok bez zakłócania otaczających tkanki. W 2023 roku pojawiła się "terapia fotoakustyczna laserowa": nanosteki złota pochłaniają lasery bliskiego podczerwienia, generując lokalny rezonans plazmowy, który precyzyjnie niszczy komórki nowotworowe, nie szkodząc zdrowym komórkam.

Od przewidywania Einsteina po błysk rubinu Maimana, od cudów laboratoryjnych do przenośnych urządzeń, historia ewolucji laserów to w zasadzie historia ludzkiego manipulowania stanem kwantowym światła.