Skapandet av laser

Laser: Det kvantmekaniska magi som låter människor väva med ljus
I Mojaveöken i Kalifornien skjuter en grupp astronomer laserstrålar med en diameter på 10 meter upp i natten. Denna gröna ljusstrålen är inte avsedd att tävla med stjärnorna, utan att göra det möjligt för teleskop att fånga ett klarare bild av universum än Hubble-bilden genom att mäta atmosfärsturbulens. Essensen av denna ljusstråle är exakt en av de största uppfinningarna från 1900-talet - lasern. Dess födelse var inte slumpmässig, utan en ytterligare samarbete som sträckte sig över den långa floden av visdom bland fysiker, ingenjörer och materialvetare.
Akt ett: Den glömda 'spökteorin'
I 1917 härledde Einstein en uppsättning ekvationer i sitt kontor vid Humboldtuniversitetet i Berlin, där han förutsade existensen av "stimulerad emission". Detta fenomen, då känt som den "teoretiska spöken", beskriver hur fotoner, liksom dominobitar, utlöser att atomer släpper ut "kloner" som perfekt replikerar sig själva. Trots detta förblev upptäckten obemärkt i nästan 30 år – eftersom ingen kunde hitta någon metod för att göra den atomära armén kollektivt att "övergå".
Det var inte förrän en vårnatt 1951 som Charles Townes vid Columbia University fick en plötslig insikt medan han satt på en parkbänk: att bombardera ammoniamolekyler med elektromagnetiska vågor av en specifik frekvens kunde göra antalet hög-energi partiklar att överstiga det av låg-energi partiklar, skapande av en "energifjällan". Detta fenomen, känt som "partikelinversion", uppnåddes slutligen i mikrovågsbandet, vilket ledde till den första mikrovågslasern (Maser). Men snart insåg vetenskapsmannen att att förkorta våglängden en miljon gånger till synligt ljusområde skulle utlösa en teknologisk revolution.
Andra akt: Fotonfängret inom rubinen
I år 1960 var Theodore Maimans laboratorium fyllt med rubingranner som hade dömts till "döden" av andra forskare. På den tiden hävdade den dominerande teorin att energinivåövergångseffektiviteten hos rubiner var för låg, men Maiman upptäckte att kromioner skulle genomgå en unik "tre-nivå-övergång" under stark ljusstimulering. Han svepte den röda stenkolonnens yta med en spiralformad xenonlampa, som om han höll en regnbåge fångad av ljudernas blänk. Till slut pläterade han silver på båda sidorna av krystallen för att skapa en "foton echo-vägg".
I detta enhet, som bara är stor som en penna, reser fotoner fram och tillbaka med en hastighet på 300 miljoner gånger per sekund. Varje gång de passerar genom kromionarrayen utlöstas ny stimulerad strålning, och ljusintensiteten ökar exponentiellt. När fotonflödet bröt igenom den halvpermeabla silverfilmen såg människor första gången en djupröd laser med rumtidlig koherens – dess monokromatiska egenskaper var 100 000 gånger renare än solens och dess divergensvinkel var endast en tusendel av en sökelyks.
Akt 3: Ljusets dans på nanoskalannan
Laser teknik i det 21:a århundradet har brutit igenom begränsningarna hos makroskopiska material. I halvledarlaboratoriet har ingenjörer odlat kvantbrunnsstrukturer på galliumarsenidunderlagor som endast är en tiondedel av tjockleken på ett människohår genom molekylärv epitaxyteknik. När strömmen passerar dessa nanoskaliga mellanskikt, fångas fotonerna som släpps av rekombinationen av elektroner och hål i potentialbrunnen precis av Bragg-reflektorn, vilket bildar en miniatyr-laser med en effektivitet på över 90%.

Ännu mer förvånande är genombrottet inom "topologiska lasers": fotoner reser längs en spiralväg på materials ytan, likt ljusante som springer på en Möbiusband, helt immun mot spridningsförlusten hos traditionella lasers. Denna struktur möjliggör till och med förlustfri transmission i bågformade vågledare, vilket bringar en revolution till fotontekniska chip.
Akt fyra: Det magiska strålet som omskriver verkligheten

Bredvid "Kinas himmelska öga" radioteleskop i Guizhou används en superledande nanotrådssinglefton-detektor för att med lasers tolka kosmisk mikrovågsbakgrundsradiation från 13,7 miljarder lysår bort. När varje foton ankommer utlöser den en kvantfasövergång i det superledande materialet, vilket avläses av en laserinterferometer med en signaländring på en miljondel av en nanosekund.

Inom medicinskt område har femtosekundslasrar förvandlats till "skuggslösa ljusknivar", som skär mikronstora linser på kornhinnan tusentals gånger snabbare än nervernas hastighet, och rättar synen utan att störa omkringliggande vävnader. Året 2023 såg uppkomsten av "fotokustisk laserterapi": guldnanorodder absorberar nära-infraröda lasrar för att skapa lokal plasmaresonans, som precis spränger cancerceller utan att skada friska celler.

Från Einsteins förutsägelse till Maimans rubinbländning, från laboratoriemärkvärdigheter till handhållna enheter, är utvecklingshistorien av lasers egentligen en historia om mänsklig manipulering av det kvantmekaniska tillståndet hos ljuset.