Ang pagsisimula ng laser

Laser: Ang kuantong magik para sa mga tao upang ibuhos ang liwanag
Sa Desyerto ng Mojave sa California, isang grupo ng mga astronomo ay nagsusugat ng mga laser na may sukat na 10 metro pahaba patungo sa gabiang langit. Ang berdeng liwanag na ito ay hindi ipinapatakbo upang makipagtabing sa mga bituin, kundi upang paganahin ang mga teleskopo na makuha ang mas malinaw na imahe ng uniberso kaysa sa larawan ng Hubble sa pamamagitan ng pag-uukol sa atmosperikong turbulensya. Ang esensiya ng liwanag na ito ay talagang isa sa pinakamalaking invensyon ng ika-20 siglo - ang laser. Hindi ito nagbunga ng aksidente kundi isang ultimong kolaborasyon na tumataas sa mahabang ilog ng karunungan mula sa mga pisiko, inhenyerong pantekniko at siyentista ng anyo.
Unang Bahagi: Ang Kalimutang 'Ghost Theory'
Noong 1917, dedusyun ni Einstein ang isang set ng mga ekwasyon sa kanyang opisina sa Unibersidad ng Berlin, na naghihikayat ng pagkakaroon ng 'stimulated emission'. Ang fenomenong ito, na kilala noon bilang ang 'teoretikal na kapatid', ay naglalarawan kung paano ang mga photon, tulad ng domino, ay nagbabahagi ng mga atoms upang umalis ng 'mga klon' na eksaktong nagmumulat ng kanilang sarili. Gayunpaman, nananatiling tahimik ang talagang discoyerya ito sa loob ng halos 30 taon - dahil wala man lang makahanap ng paraan upang gawin ang pribadong hukbong atomic na kolektibong 'magduduwag'.
Hindi hanggang sa isang gabi ng tag-araw noong 1951 na si Charles Townes mula sa Columbia University ay nakamit ang isang sigilang pagkilos habang nakaupo sa isang bangko sa parke: pambobomba ng mga molekula ng amonya gamit ang elektromagnetikong alon ng isang tiyak na frekwensiya ay maaaring gawing higit ang bilang ng mga partikula sa mataas na enerhiya kaysa sa mababang enerhiyang estado, bumubuo ng isang "enerhiyang basi". Ang fenomenong ito, na kilala bilang "pagbaligtad ng bilang ng partikula", ay natupad sa huling bahagi ng microwave, nagdulot ng unang microwave laser (Maser). Ngunit prontong natanto ng komunidad ng agham na pagpapakli ng wavelength nito ng isang milyong beses patungo sa saklaw ng katamtaman ay magiging sanhi ng rebolusyon sa teknolohiya.
Segundo Acto: Ang Kubo ng Photon Sa Ruby
Noong 1960, ang laboratoryo ni Theodore Maiman ay puno ng mga kristal na rubyong itinakda na ng iba pang mga siyentipiko bilang "patay." Sa oras na iyon, tinatanggap na teorya ang mababa ang kamalian ng transisyon ng enerhiya ng mga ruby, ngunit nakita ni Maiman na ang mga ioni ng kromium ay magiging saktan sa isang unikong "tatlung antas na transisyon" kapag pinagbuhusan ng malakas na liwanag. Sinubok niya ang pulang gema sa pamamagitan ng pagbalot nito ng isang spiral na ilaw na may xenon, parang hinahaplos ang isang rainbow gamit ang kidlat. Huli pa, ginawa niya ang plating na pilak sa parehong dulo ng kristal upang bumuo ng isang "echo wall ng photon."
Sa device na ito, na may sukat lamang ng isang pencil, naglalakbay ang mga photon pabalik at forward sa bilis ng 300 milyong beses kada segundo. Bawat pagdaan nito sa array ng chromium ion, sinusugat ang bagong pagsisimula ng radiation, at ang intensidad ng liwanag ay tumataas nang eksponensyal. Nang ang talukot ng mga umuwi na photon ay sumira sa pang-kalahati ng silver film na penetrable, saksi ang mga tao sa unang pagkakita ng malalim na pula na laser na may spatio-temporal na koherensya - ang kanyang monokromaticity ay 100,000 beses mas malinis kaysa sa liwanag ng araw, at ang kanyang divergence angle ay lamang isang millesimo ng isang searchlight.
Kabanata 3: Ang Sayaw ng Liwanag sa Nanoscale
Ang teknolohiya ng laser sa ika-21 na siglo ay sumusunod sa mga limitasyon ng mga materyales na makroprasko. Sa semikonedyktor na laboratorio, naglulunsad ang mga inhinyero ng mga estraktura ng kuantum na good sa mga substrate ng galium arsenide na lamang isang sampung-milyong bahagi ng isang tao na buhok sa pamamagitan ng teknolohiya ng molekular beam epitaxy. Kapag dumadaan ang kasalukuyan sa mga ito na nanoscopic na pagitan-layaw, ang mga photon na inilabas sa pamamagitan ng rekomposisyon ng mga elektron at butas sa potensyal na good ay maaring madakila nang husto ng Bragg reflector, bumubuo ng isang miniature na laser na may ekonomiya ng higit sa 90%.

Higit pa rito ang pag-unlad sa 'topological lasers': ang mga photon ay lumalakad sa isang spiral na landas sa ibabaw ng materyales, tulad ng ilaw na langgam na tumatakbo sa isang Mobius strip, ligtas mula sa tradisyonal na pagkawala ng laser. Ang anyong ito ay kahit na pumapayag sa laser na ipasa nang walang sakuna sa isang waveguide na kinakapatid bilang isang sugat, nagdadala ng isang rebolusyon sa photonic chips.
Barko ng Araw 4: Ang Magikong Liwanag na Pinalitan ang Katotohanan

Sa tabi ng "China Sky Eye" radio telescope sa Guizhou, ginagamit ng isang superconducting nanowire single-photon detector ang mga laser upang maunawaan ang cosmic microwave background radiation mula sa 13.7 bilyong light years layo. Kapag dumadaglat bawat photon, ito ay nagiging sanhi ng isang quantum phase transition sa superconducting material, na kinakapture ng isang laser interferometer may signal change na isang milionesimo ng isang nanosecond.

Sa larangan ng medisina, ang femtosecond lasers ay nag-trabaho bilang "walang-senyang liham", naglilimbag ng mga lensa na may sukat ng micron sa kornea nang mabilis na libu-libong beses kaysa sa pag-uusad ng neurons, naayos ang paningin nang hindi sumasapinsalita sa paligid na mga istruktura. Noong 2023, lumitaw ang "photoacoustic laser therapy": ang gold nanorods ay nakakainom ng infrared lasers upang makapag-ambag ng lokal na plasma resonance, eksaktong binablast ang mga kanser na selula nang hindi sumasira sa mga ligtas na selula.

Mula sa paghula ni Einstein hanggang sa kardang rubi ni Maiman, mula sa kamangha-manghang mga sikat sa laboratorio hanggang sa mga hand-held na kagamitan, ang kasaysayan ng pag-unlad ng mga laser ay talagang isang kasaysayan ng manipulasyon ng tao sa kuantum na estado ng liwanag.