Formarea laserului

Laser: Magia cuantică prin care oamenii teșesc lumină
În desertul Mojave din California, un grup de astronomi trimit fascicule laser cu un diametru de 10 metri în cerul nopții. Această rază verde de lumină nu este destinată să concureze cu stelele, ci să permită telescoapele să obțină o imagine mai clară a universului decât cea a lui Hubble, măsurând turbulențele atmosferice. Esenta acestei raze de lumină este una dintre cele mai mari invenții ale secolului 20 - laser-ul. Născerea sa nu a fost accidentă, ci o colaborare maximă care a traversat râul lung al înțelepciunii între fizicieni, ingineri și cercetători în domeniul materialelor.
Actul I: Teoria Uitată a „Fantomelor”
În 1917, Einstein a dedus un set de ecuații în biroul său la Universitatea din Berlin, anticipând existența „emiterii stimulată”. Acest fenomen, cunoscut atunci ca „fantomă teoretică”, descrie cum fotoni, ca niște domino-uri, declanșează atomii să elibereze „cloni” care se replică perfect pe ei înșiși. Cu toate acestea, această descoperire a rămas neînsoțită aproape 30 de ani – deoarece nimeni nu a putut găsi un mod de a face ca armata atomică să se „rebelhească” colectiv.
Nu a fost până într-o noapte de primăvară din 1951 că Charles Townes din Universitatea Columbia a avut o realizare bruscă în timp ce se afla pe o bancă din parc: bombardarea moleculelor de amoniac cu undele electromagnetice de o anumită frecvență putea să facă numărul particulelor cu energie mare să depășească cel al particulelor cu energie mică, formând o „balanță energetică”. Acest fenomen, cunoscut drept „inversiunea numărului de particule”, a fost în cele din urmă realizat în bandă microvaloare, ducând la crearea primului laser cu microvalori (Maser). Dar comunitatea științifică a realizat curând că scurtarea lungimii de undă cu un milion de ori până la domeniul luminii vizibile ar declanșa o revoluție tehnică.
Actul Doi: Căptăria de Fotoni În Rubee
În 1960, laboratorul lui Theodore Maiman era plin de cristale de rubin care fusese declarate "morții" de alți cercetători. În acea perioadă, teoria dominantă susținea că eficiența tranzițiilor de nivel energetic ale rubinelor era prea mică, dar Maiman a descoperit că ionii de crom sub excitație luminată puternică urcau printr-o unică „tranziție la trei niveluri”. El a înfășurat coloana de piatră roșie cu o lampă spirală xenon, ca și cum ar fi încercat să-și lege un arc-en-ciel cu fulger. În cele din urmă, el a depus argint la ambele capete ale cristalului pentru a forma o „perete de eho de foton”.
În acest dispozitiv, care are doar dimensiunea unui creion, fotoni se deplasează încolo și încoace cu o viteză de 300 de milioane de ori pe secundă. De fiecare dată când trece prin tabloul de ioni de crromium, este declanșată o nouă radiație stimulată, iar intensitatea luminii crește exponențial. Când torrentul de fotoni ce scăpau a traversat filma argintie semi-permeabilă, omenirea a asistat pentru prima dată la un laser roșu profund cu coerență spațio-temporală - monocromaticitatea sa era de 100.000 de ori mai pură decât cea a soarelui, iar unghiul său de divergență era doar un miileime din cel al unui proiector.
Actul 3: Dansul Luminii la Scară Nanometrică
Tehnologia laser în secolul 21 a depășit limitele materialelor macroscopice. În laboratorul de semiconductoare, inginerii au cultivat structuri de bariere cuantică pe substracte de arsenur de galium care sunt doar la o sutime din grosimea unui fir de păr uman prin tehnologia epitaxiei prin fascicule moleculare. Când curentul trece prin aceste stratificări nanometrice, fotonii emiși de recombinația electronilor și golurile din bariera energetică sunt capturați precis de reflectorul Bragg, formând un laser miniaturizat cu o eficiență de peste 90%.

Chiar mai uimitor este progresul realizat în „laserurile topologice”: fotonii călătoresc pe o traiectorie spirală pe suprafața materialului, ca niște furnici luminoase care curg pe un band Mobius, fiind complet imune la pierderea de dispersie a laserelor tradiționale. Această structură permite chiar transmiterea laserului fără pierderi în undghiul încovoietat într-un nod, aducând o revoluție în chip-urile fotoniči.
Actul Patru: Raza Magagică Care Rescrie Realitatea

Lângă telescopul radio "China Sky Eye" din Guiyang, un detector suprarelectric de nanofir singură-foton utilizează laseruri pentru a interpreta radiațiile de fundal a microudelor cosmice provenite de la 13,7 miliarde de ani-lumină distanță. Când fiecare foton ajunge, declanșează o tranziție cuantică de fază în materialul suprarelectric, care este capturată de un interferometru laser cu o schimbare de semnal de o milionime parte dintr-un nanosecond.

În domeniul medical, laserii femtosecundeni s-au transformat în "cutituri de lumină fără umbră", sculptând lentile de dimensiuni micronice pe cornea cu o viteză de mii de ori mai rapidă decât cea a neuronilor, corectând vederea fără a deranja tecile înconjurătoare. În 2023, a apărut terapia „laser fotoacustică”: nanobaroanele de aur absorb laserul infraroșu apropiat pentru a genera o rezonanță locală a plasmei, detonând celulele cancerige cu precizie fără a dăuna celulelor sănătoase.

De la predicția lui Einstein până la scânteia de rubin a lui Maiman, de la minunile laboratorului până la dispozitive portabile, istoria evoluției laserelor este în esență o istorie a manipulării umane a stării cuantice a luminii.