Formiranje lasera

Laser: Kvantna magija za ljudska da prepleću svetlo
U pustinji Mojave u Kaliforniji, grupa astronoma pušta laser zrake prečnika od 10 metara u noćno nebo. Ova zelena zraka svetla nije namenjena da takmiči sa zvezdama, već da omogući teleskopima da prikupe jasniju sliku svemira nego što je slika Hubble-a merenjem atmosferske turbulentnosti. Svojstvo ove zrake svetla jeste tačno jedno od najvećih izuma 20. veka - laser. Njegovo rođenje nije bilo slučajno, već konačna saradnja koja se prožimao dugim tokom mudrosti među fizičarima, inženjerima i naučnicima o materijalima.
Prva scena: Zaboravljena 'duhova teorija'
1917. godine, Ajnštajn je u svom uredu na Univerzitetu u Berlinu izveo skup jednačina koje su predviđale postojanje "stimulisanog emisija". Ovo pojava, tada poznata kao "teorijski duh", opisuje kako fotoni, poput domena, podstiču atome da otpuste "klone" koji savršeno replikuju sami sebe. Međutim, ovo otkriće je ostalo tiho skoro 30 godina - jer nikome nije bilo moguće pronaći način da saopšteno "pobunjuje" atomska vojska.
Nije bilo do prolećne noći 1951. kada je Čarls Taus sa Kolumbijskog univerziteta imao naglo uvideno šižu dok je sjedio na parkovoj klupi: bombardeovanje amonijak molekula elektromagnetskim talasima određene frekvencije može da uzrokuje da broj čestica u visokoenerskom stanju premaši one u niskoenerskom stanju, formirajući "energetske kipove". Ovo pojava, poznata kao "inverzija broja čestica", je konačno postignuta u mikrotalasnom opsegu, dajući početak prvom mikrotalasnom laseru (Maser). Međutim, naučna zajednica uskoro je shvatila da skraćivanje talasne dužine milion puta do opsega vidljive svetlosti bi izazvalo tehnološku revoluciju.
Drugi deo: Fotonska kavezina unutar rubina
U 1960., Theodore Maimanov laboratorij je bio popunjen rubinima koji su drugi naučnici odbili kao "neupotrebljive". U to vreme, dominantna teorija je bila da su rubini premašeni u pogledu efikasnosti prijelaza energetske razine, ali Maiman je otkrio da se hromski ioni pod jakim svjetlosnim izražavanjem ponose jedinstvenim "tri nivoa prijelazom". Oborio je crvenu draguljinu spiralom xenonove lampe, kao da prilazi dužinom oblaku uz pomoć munje. Konačno, oblio je srebrnom pladnom oba kraja kristala kako bi formirao "zid fotonskog odziva".
U ovom uređaju, koji je samo veličine olovke, fotoni putuju napred-nazad brzinom od 300 miliona puta sekundu. Svaki put kada prolaze kroz niz hromijumskih iona, izaziva se nova stimulirana emisija, a intenzitet svetla raste eksponencijalno. Kada je potok izbjeglih fotonâ prodrljao polupropustivu srebrnu membranu, ljudi su prvi put sv证ekli duboko crveni laser sa prostorno-vremenskom koherentnošću - njegova monohromatičnost je bila 100.000 puta čišća od one sunčeve svetlosti, a njegov ugao divergencije je bio samo jedna tisućina od onog searchlighta.
Deo 3: Ples svetla na nanoskali
Laser tehnologija u 21. veku je prekinula ograničenja makroskopskih materijala. U poluprovodničkom laboratoriju, inženjeri su izrastili kvantne joške na substrukatima od galijum arsenida koji su samo jedna desetotisućina debljine ljudske kose putem tehnologije molekulske zrake epitaksije. Kada struja prolazi kroz ove nanoskale međuslojeve, fotoni koji se emituju rekombinacijom elektrona i rupa u potencijalnoj joški tačno su uhvaćeni od strane Braggovog reflektora, formirajući miniaturni laser sa efikasnošću preko 90%.

Još neverovatnije je dolazak "topoloških laser-a": fotoni putuju duž spiralne staze po površini materijala, kao svetlosne mravovi koje trče po Mobijusovoj traci, potpuno imuni na rasipivanje gubitaka tradicionalnih laser-a. Ova struktura čak omogućava da se laser prenosi bez gubitaka u valovodu zakrivljenom u čvor, donošeći revoluciju u fotoničkim čipovima.
Četvrti deo: Magični zrak koji prepisuje stvarnost

Pored "kineskog nebeskog oka" radioteleskopa u Gvijoju, superprovodni nanoprovodni detektor jednog fotona koristi laser za tumačenje kosmičkog mikrotalasnog zračenja sa udaljenosti od 13.7 milijardi svetlosti. Kada svaki foton stigne, izaziva kvantnu faznu tranziciju u superprovodnom materijalu, koja se prati laser interferometrom sa promenom signala od jedne miliontine nanosekunde.

U medicinskoj oblasti, femtosekundni laseri su se transformisali u "senceve laser noževe", režući mikron veličine leće na korneji brzinom hiljadima puta bržom od brzine neurona, ispravljajući vid bez poremećaja okolnih tkiva. U 2023., pojavio se "fotouzvukovski laser terapija": zlatne nanopale absorbiraju bliskouvične laserove, generišući lokalnu plazmu resonancu, precizno uništavajući rakovinske ćelije bez štetivanja zdravih ćelija.

Od Einsteinske predikcije do Maimanovog rubinovog bljeska, od laboratorijskih čuda do prilaznih uređaja, istorija evolucije lezera je u suštini istorija ljudske manipulacije kvantnim stanjem svetla.