การก่อตัวของเลเซอร์

เลเซอร์: พลังเวทมนตร์ควอนตัมสำหรับมนุษย์ในการถักทอแสง
ในทะเลทรายโมฮาว์ฟแห่งรัฐแคลิฟอร์เนีย กลุ่มนักดาราศาสตร์กำลังยิงลำแสงเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตรขึ้นสู่ท้องฟ้ายามราตรี ลำแสงสีเขียวเหล่านี้ไม่ได้มีจุดประสงค์เพื่อแข่งขันกับดวงดาว แต่เป็นการช่วยให้กล้องโทรทรรศน์สามารถจับภาพของจักรวาลได้ชัดเจนกว่าภาพจากฮับเบิล โดยการวัดความอลหม่านในชั้นบรรยากาศ สาระสำคัญของลำแสงนี้คือหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 20 - เลเซอร์ การเกิดของมันไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เป็นความร่วมมืออย่างลึกซึ้งระหว่างนักฟิสิกส์ วิศวกร และนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ
บทที่หนึ่ง: ทฤษฎี "ผี" ที่ถูกลืม
ในปี 1917 อينสไตน์ได้สรุปชุดสมการที่สำนักงานของเขาในมหาวิทยาลัยเบอร์ลิน โดยทำนายถึงการมีอยู่ของ "การปลดปล่อยแบบกระตุ้น" เฟ็นโนเมนอนนี้ซึ่งในขณะนั้นรู้จักกันในนาม "ผีทางทฤษฎี" บรรยายถึงวิธีที่โฟตอนเหมือนโดมิโน่กระตุ้นให้อะตอมปล่อย "โคลน" ที่สามารถจำลองตัวเองได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม การค้นพบนี้เงียบหายไปเกือบ 30 ปี เพราะไม่มีใครหาทางทำให้กองทัพอะตอม "หันหลังให้" กันอย่างพร้อมเพรียงได้
ไม่ใช่จนกระทั่งในคืนฤดูใบไม้ผลิของปี 1951 ที่ 查尔斯 ทอว์ส จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียเกิดความ顿悟ขณะนั่งอยู่บนม้านั่งในสวนสาธารณะ: การยิงโมเลกุลแอมโมเนียด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่เฉพาะสามารถทำให้จำนวนอนุภาคที่อยู่ในสถานะพลังงานสูงมากกว่าอนุภาคที่อยู่ในสถานะพลังงานต่ำ ซึ่งสร้าง "สมดุลพลังงาน" ได้ เหตุการณ์นี้ที่เรียกว่า "การกลับสถานะของอนุภาค" ได้สำเร็จในช่วงคลื่นไมโครเวฟ และนำไปสู่การประดิษฐ์เลเซอร์ไมโครเวฟ (Maser) อันแรก แต่ชุมชนทางวิทยาศาสตร์ก็รู้เร็วว่าการลดความยาวคลื่นลงหนึ่งล้านเท่าไปยังช่วงแสงที่มองเห็นจะกระตุ้นให้เกิดการปฏิวัติทางเทคโนโลยี
บทที่สอง: เซลล์โฟตอนภายในไพลิน
ในปี 1960 ห้องทดลองของธีโอดอร์ เมมันน์เต็มไปด้วยผลึกไพลินที่ถูกนักวิทยาศาสตร์คนอื่นตัดสินว่า "ไร้คุณค่า" ในขณะนั้น ทฤษฎีหลักเชื่อว่าประสิทธิภาพของการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของไพลินต่ำเกินไป แต่เมมันน์ค้นพบว่าไอออนโครเมียมจะเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบพิเศษที่เรียกว่า "การเปลี่ยนแปลงสามระดับ" เมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยแสงที่แรง เขาห่อแท่งอัญมณีสีแดงด้วยหลอดไฟซีนอนเกลียว ราวกับกำลังกักขังสายรุ้งด้วยฟ้าผ่า สุดท้าย เขาเคลือบเงินที่ปลายทั้งสองของผลึกเพื่อสร้าง "กำแพงเสียงโฟตอน"
ในอุปกรณ์นี้ ซึ่งมีขนาดเท่ากับดินสอดำ เฟอตอนเคลื่อนที่ไปมาด้วยความเร็ว 300 ล้านครั้งต่อวินาที ทุกครั้งที่ผ่านผ่านอาร์เรย์ของไอออนโครเมียม จะเกิดการแผ่รังสีจากการกระตุ้นใหม่ และความเข้มของแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ เมื่อกระแสของเฟอตอนที่หลุดออกมาทะลวงฟิล์มเงินกึ่งโปร่งใส มนุษยชาติได้เป็นพยานครั้งแรกถึงเลเซอร์สีแดงเข้มที่มีความสอดคล้องทางเวลาและปริภูมิ - ความบริสุทธิ์ของสีเดียวของมันมากกว่าแสงแดด 100,000 เท่า และมุมการเบี่ยงเบนของมันมีเพียงหนึ่งในพันของไฟส่องหาทาง
บทที่ 3: การเต้นรำของแสงในระดับนาโนเมตร
เทคโนโลยีเลเซอร์ในศตวรรษที่ 21 ได้ผ่านพ้นข้อจำกัดของวัสดุขนาดมหึมาแล้ว ในห้องปฏิบัติการกึ่งตัวนำ วิศวกรได้เติบโตโครงสร้างเวลล์ควอนตัมบนแผ่นรองฐานแกลเลียมอาร์เซนด์ที่มีความหนาเพียงหนึ่งหมื่นส่วนของเส้นผมมนุษย์ โดยใช้เทคโนโลยีโมเลกุลเบมอีพิเทเชียล เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านชั้นนาโนเหล่านี้ โฟตอนที่ถูกปล่อยออกมาจากการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลในเวลล์ศักยภาพจะถูกจับอย่างแม่นยำโดยสะท้อนแสงบราก ทำให้เกิดเลเซอร์ขนาดจิ๋วที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 90%

ยิ่งไปกว่านั้นคือความก้าวหน้าใน "เลเซอร์โทโพโลจี" : โฟตอนเคลื่อนที่ตามเส้นทางแบบเกลียวบนพื้นผิวของวัสดุ เหมือนมดที่วิ่งบนแถบโมบิอุส ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากความสูญเสียจากการกระจายตัวของเลเซอร์แบบเดิม โครงสร้างนี้ยังสามารถทำให้เลเซอร์ถูกส่งผ่านไปในสายนำคลื่นที่โค้งเป็นปมโดยไม่มีความสูญเสีย นำมาซึ่งการปฏิวัติสำหรับชิปโฟโตนิก
บทที่สี่: ลำแสงมหัศจรรย์ที่เขียนใหม่ความเป็นจริง

ข้างเคียง "China Sky Eye" กล้องโทรทรรศน์วิทยุในกุ้ยโจว มีเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบนาโนเส้นใยซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่กำลังใช้เลเซอร์เพื่อตีความรังสีพื้นหลังไมโครเวฟจากจักรวาลที่ห่างออกไป 13.7 พันล้านปีแสง เมื่อโฟตอนแต่ละตัวมาถึง จะกระตุ้นการเปลี่ยนเฟーズควอนตัมในวัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ ซึ่งจะถูกบันทึกโดยอินเตอร์เฟียรอมิเตอร์เลเซอร์ผ่านการเปลี่ยนแปลงสัญญาณหนึ่งล้านส่วนของนาโนวินาที

ในวงการแพทย์ เลเซอร์แบบเฟมโตวินาทีได้กลายเป็น "มีดแสงไร้เงา" แกะเลนส์ขนาดไมโครเมตรบนกระจกตาด้วยความเร็วหลายพันเท่าของเส้นประสาท ช่วยปรับสายตาโดยไม่รบกวนเนื้อเยื่อรอบข้าง ในปี 2023 การบำบัดด้วย "โฟโตอะคูสติกเลเซอร์" ได้ปรากฏขึ้น: นาโนแท่งทองคำดูดซับเลเซอร์อินฟราเรดใกล้เพื่อสร้างพลาสมาเรโซแนนซ์ในท้องถิ่น ทำลายเซลล์มะเร็งอย่างแม่นยำโดยไม่ทำลายเซลล์ปกติ

จากคำทำนายของไอน์สไตน์ถึงแสงรูบี้ของเมiman, จากความมหัศจรรย์ในห้องปฏิบัติการถึงอุปกรณ์พกพา ประวัติศาสตร์การพัฒนาของเลเซอร์นั้นเป็นประวัติศาสตร์ของการควบคุมสถานะควอนตัมของแสงโดยมนุษย์