Формування лазера

Лазер: Квантове чарівництво для людей, щоб плести світло
У пустелі Мохаве в Каліфорнії група астрономів випускає лазерні промені діаметром 10 метрів у нічне небо. Цей зелений промінь світла не призначений для конкуренції із зорями, але допомагає телескопам отримувати більш чіткий зображення Всесвіту, ніж у зображенні Хаббла, вимірюючи атмосферну турбуленцію. Сутність цього променя світла саме одна з найбільших винаходів XX століття - лазер. Його появи не було б без співробітництва фізиків, інженерів та матеріалознавців.
Дія перша: Забутий "привидний теорія"
У 1917 році Ейнштейн вивів набір рівнянь у своєму кабінеті у Університеті Берліна, передбачуючи існування "стимульованого випромінювання". Це явище, яке тоді називалося "теоретичним привидом", описує, як фотони, як доміно, спонукують атоми викидати "клони", які досконало репlicюють себе. Проте ця відкриття залишилася незаміченою майже 30 років - бо ніхто не міг знайти шлях, щоб зробити атомне військо колективно "перешло на бок".
Не варто було чекати до весняної ночі 1951 року, коли Чарльз Таус з Колумбійського університету мав раптове прозріння, сидячи на паркуві скам'янці: обстріляння молекул амоніаку електромагнітними хвилами певної частоти могло зробити кількість частинок у стані високої енергії більшою за кількість у стані низької енергії, утворюючи "енергетичний маятник". Це явище, відоме як "інверсія числа частинок", було врешті досягнуто у мікроталевому діапазоні, що призвело до створення першого мікроталевого лазера (Maser). Але наукова спільнота швидко зрозуміла, що скорочення хвильових довжин у мільйон разів до діапазону видимого світла викличе технологічну революцію.
Друга частина: Фотонна клітка всередині рубіна
У 1960 році лабораторія Теодора Меймана була наповнена рубіновими кристалами, які інші вчені вважали призначенними на "смертний вирок". У той час господарська теорія стверджувала, що ефективність переходу енергетичних рівнів у рубінах занадто низька, але Мейман виявив, що хромові іони під дією сильного світлового випромінювання перехідять у унікальний "трьохрівневий переход". Він обмотав червоної гематитової колонки спіральною ксеноновою лампою, наче обмежуючи радугу молниєю. Нарешті, він наніс срібло на обидва кінці кристалу, створюючи "фотонний ехо-стін".
У цьому пристрої, розміром лише з олівець, фотони переміщуються взаємно з швидкістю 300 мільйонів разів на секунду. Кожен раз, коли вони проходять через масив хромових іонів, запускається нове стимуловане випромінювання, і інтенсивність світла зростає експоненційно. Коли потік утекаючих фотонів розривав напівпроникний срібний слой, людство вперше бачило глибоко червоний лазер з просторово-часовою когерентністю - його монохромність була в 100 000 разів чистішою за сонячне світло, а його кут дивергенції складав лише одну тисячну від кута прожектора.
Дія 3: Танець світла на нанорівні
Лазерна технологія в XXI столітті перешла межі макроскопічних матеріалів. У напівпровідниковій лабораторії інженери створили квантові структури на субстратах з галію-арсеніку, які тонші в десять тисяч разів за людиний волосinnь через технологію молекулярно-пучкового епітаксію. Коли потік проходить через ці наномасштабні шари, фотони, що випускаються при сполученні електронів і дірок у потенціальній ямці, точно захоплюються браґівським рефлектором, утворюючи мініатюрний лазер з ефективністю більше 90%.

Ще більш дивувальний - прогрес у "топологічних лазерах": фотони рухаються по спіралі на поверхні матеріалу, подібні до світливих мурах, що бігать по стрічці Мебіуса, повністю імунні до розсіяння втрат традиційних лазерів. Ця структура навіть дозволяє передавати лазер без втрат у хвильоводі, загнутому у вузол, що приносить революцію для фотонних чипів.
Четверта частина: Чарівний промінь, що переписує реальність

Поруч радіотелескопу "Китайський небесний око" у Гуйчжоу використовується суперпровідний нанопроводковий детектор одиночних фотонів, який лазерами інтерпретує космічне мікрохвильове тло з відстані 13,7 мільярда світлових років. Коли кожен фотон прибуває, він викликає квантову фазову переходу в суперпровідному матеріалі, яка зафіксовується лазерним інтерферометром зі зміною сигналу в один мільйонний частину наносекунди.

У медичній галузі фемтосекундні лазери перетворилися на "тіньові світлові ножи", вирізаючи лінзи розміром в мікрони на роговиці швидше, ніж працюють нейрони, виправляючи зор без збурення оточуючих тканин. У 2023 році з'явилася "фотоакустична лазерна терапія": золоті наночастинки поглинають ближнійнічервоні лазери, створюючи локальний плазменний резонанс, точково руйнуючи ракові клітинки без шкоди здоровим клітинкам.

Від прогнозу Ейнштейна до рубінового всполоху Меймана, від лабораторних чудес до портативних пристроїв, історія еволюції лазерів фактично є історією людського впливу на квантовий стан світла.