Формирование лазера

Лазер: Квантовое волшебство, позволяющее людям плести свет
В пустыне Мохаве в Калифорнии группа астрономов направляет лазерные лучи диаметром 10 метров в ночное небо. Этот зеленый луч света не предназначен для конкуренции со звездами, а помогает телескопам получить более четкое изображение Вселенной, чем у телескопа Хаббл, путем измерения атмосферной турбулентности. Суть этого луча света — одно из величайших изобретений XX века — лазер. Его появление не было случайным, а результатом масштабного сотрудничества между физиками, инженерами и учеными-материаловедами.
Действие первое: Забытая «Призрачная теория»
В 1917 году Эйнштейн вывел набор уравнений в своем кабинете в Берлинском университете, предсказав существование "вынужденного излучения". Это явление, тогда известное как "теоретический призрак", описывает, как фотоны, подобно домино, заставляют атомы выбрасывать "клонов", которые идеально копируют себя. Однако это открытие оставалось незамеченным почти 30 лет — потому что никто не мог найти способ заставить атомную "армию" коллективно "перейти на сторону противника".
Не было до весенней ночи 1951 года, когда Чарльз Таус из Колумбийского университета внезапно осознал сидя на скамейке в парке: облучение молекул аммиака электромагнитными волнами определенной частоты может заставить количество частиц в высокоэнергетическом состоянии превысить количество частиц в низкоэнергетическом состоянии, формируя "энергетический качели". Это явление, известное как "инверсия численности частиц", в конечном итоге было достигнуто в микроволновом диапазоне, что привело к созданию первого микроволнового лазера (Мазера). Однако научное сообщество вскоре поняло, что уменьшение длины волны в миллион раз до диапазона видимого света вызовет технологическую революцию.
Действие второе: Фотонная ловушка внутри рубина
В 1960 году лаборатория Теодора Меймана была заполнена рубиновыми кристаллами, которые другие учёные приговорили к "смерти". В то время преобладающая теория утверждала, что эффективность перехода энергетических уровней у рубинов слишком низка, но Мейман обнаружил, что хромовые ионы проходят уникальный "трёхуровневый переход" под воздействием сильного светового возбуждения. Он обернул красную кристаллическую колонну спиральной ксеноновой лампой, словно заключая радугу в молнии. В конечном итоге он покрыл серебром оба конца кристалла, создав "эхо фотонов".
В этом устройстве, размером всего с карандаш, фотоны движутся туда-сюда со скоростью 300 миллионов раз в секунду. Каждый раз, проходя через массив ионов хрома, происходит новое индуцированное излучение, и интенсивность света возрастает экспоненциально. Когда поток убегающих фотонов прорвался через полупроницаемую серебряную плёнку, люди впервые наблюдали глубококрасный лазер с пространственно-временной когерентностью — его монохроматичность была в 100 тысяч раз чище, чем у солнечного света, а угол расходимости составлял лишь одну тысячную от угла прожектора.
Действие 3: Танец света на наноуровне
Лазерная технология в XXI веке преодолела ограничения макроскопических материалов. В полупроводниковой лаборатории инженеры выращивают квантовые структуры на субстратах из арсенида галлия, толщиной всего одна десятитысячная человеческого волоса, с использованием технологии молекулярной пучковой эпитаксии. Когда через эти наномасштабные промежуточные слои проходит ток, фотоны, испускаемые при рекомбинации электронов и дырок в потенциальной яме, точно захватываются брэгговским рефлектором, формируя миниатюрный лазер с эффективностью более 90%.

Еще более удивительным является прорыв в области "топологических лазеров": фотоны движутся по спиральному пути на поверхности материала, как светящиеся муравьи, бегущие по ленте Мёбиуса, полностью не подвержены рассеивающим потерям традиционных лазеров. Эта структура даже позволяет передавать лазерный луч без потерь в волноводе, согнутом в узел, что приносит революцию в фотонные чипы.
Четвертый акт: Магический луч, переписывающий реальность

Рядом с радиотелескопом "Китайский Глаз Неба" в Гуйчжоу используется сверхпроводниковый нанопроволочный одиночный детектор фотонов с лазерами для интерпретации реликтового излучения космического микроволнового фона с расстояния 13,7 миллиардов световых лет. При прибытии каждого фотона происходит квантовый переход фазы в сверхпроводнике, который захватывается лазерным интерферометром с изменением сигнала в одну миллионную долю наносекунды.

В медицинской области фемтосекундные лазеры превратились в "безтеневые световые ножи", гравируя микронные линзы на роговице со скоростью, превышающей скорость нейронов в тысячи раз, корректируя зрение без нарушения окружающих тканей. В 2023 году появилась "фотоакустическая лазерная терапия": золотые наночастицы поглощают ближний инфракрасный лазер, создавая локальный плазменный резонанс, точно уничтожая раковые клетки без вреда для здоровых клеток.

От предсказания Эйнштейна до рубиновой вспышки Меймана, от лабораторных чудес до портативных устройств, история эволюции лазеров по сути является историей человеческого управления квантовым состоянием света.