Hoe Lasers werken en wie ze uitvonden

Hoe Lasers werken en wie ze uitvonden

Op 16 mei 1960 scheen Theodore Maiman een krachtig licht op een robijn gedeeltelijk bedekt met zilver en het resultaat was 's werelds eerste laser. Dit baanbrekende apparaat is echter niet door één genie geïsoleerd gemaakt. Het was eerder het resultaat van vele briljante geesten die ideeën deelden. . . in ieder geval totdat het tijd was om de winst te verdelen.

Vroege geschiedenis

Op de schouders van een reus

De meeste historici traceren de ontwikkeling van de laser terug naar Albert Einstein, die in 1917 bezig was met een van zijn 'gedachte-experimenten', dit keer over het fenomeen van energie-uitstoot. Zoals beschreven door anderen: "Als een atoom zich in een geëxciteerde toestand bevindt, kan het na verloop van tijd spontaan in een lager energieniveau vervallen, waarbij energie wordt vrijgegeven in de vorm van een foton, dat in een willekeurige richting wordt uitgezonden. Dit proces wordt spontane emissie genoemd. "

Geloven dat als precies het juiste foton beschikbaar was "licht het door een stof passeert, de emissie van meer licht zou kunnen stimuleren:"Einstein postuleerde dat fotonen de voorkeur geven om samen in dezelfde staat te reizen. . . . Als er een strooifoton met de juiste golflengte voorbijgaat. . . de aanwezigheid ervan zal de atomen stimuleren om hun fotonen vrij te maken [de zogenaamde gestimuleerde emissie]. . . en die fotonen zullen in dezelfde richting reizen met dezelfde frequentie en fase als het oorspronkelijke verdwaalde foton. Er treedt een cascade-effect op: terwijl de menigte identieke fotonen door de rest van de atomen beweegt, zullen steeds meer fotonen uit hun atomen worden uitgestoten om zich bij hen te voegen. "

In 1928 bevestigde Rudolph W. Landenburg Einstein's theorie van gestimuleerde emissie en de zoektocht naar wat uiteindelijk de laser wordt, begon.

Samenhang

Merk op dat er een fundamenteel verschil is tussen de twee soorten emissies: wanneer er spontaan gebeurt, wordt energie willekeurig en op verschillende frequenties vrijgegeven; maar wanneer het wordt gestimuleerd, zal de vrijgekomen energie de frequentie spiegelen en in dezelfde richting bewegen als het stimulerende foton, met het effect dat het in staat is om de oorspronkelijke invoer van stralingsenergie te "versterken".

Dit vermogen van een gestimuleerde emissie om gefocust te blijven op een heel klein bereik van frequenties, zijn samenhang, is de sleutel om versterkte elektromagnetische straling nuttig te maken als een communicatiemiddel (evenals een intense energiebron): "Eerdere bronnen van lichtenergie, zoals gloeilampen, zijn "incoherente" bronnen omdat ze tegelijkertijd energie opwekken over een relatief groot deel van het elektromagnetische spectrum. Radiofrequentie bronnen, aan de andere kant zijn zeer coherent. De voordelen van een coherente bron zijn veel [en omvatten het vermogen om]. . . informatie verkrijgen van een gewenste bron terwijl alle andere worden uitgefilterd. Als je favoriete radiostation uitzendt over een breed deel van het spectrum (dat wil zeggen als het ... niet coherent was ...) zou je interferentie ervaren. . . .”

De MASER

In eerste instantie was het vermogen van wetenschappers om energie te versterken en te genereren beperkt tot het lagere en middenbereik van het elektromagnetische spectrum, dat zich uitstrekt van de laagste frequenties: "Waar uw AM-ontvanger werkt. Geleidelijk hogere frequenties worden kortegolf genoemd; VHF (voor zeer hoge frequentie) met de FM- en TV-banden; UHF (voor ultra hoge frequentie); microgolven, waar de meeste radars werken; infrarood- of hittegolven; licht; ultraviolet, röntgenstraling, gammastraling en tenslotte kosmische straling. "

In 1954 ontwikkelden Charles Townes en Jim Gordon van de Columbia University in de VS, en Nicolay Basov en Alexsandr Prokhorov in Rusland, afzonderlijk de voorloper van de laser, de MASER, een afkorting voor Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, die microgolven versterkte.

Van beperkt gebruik, kwamen Townes en zijn toekomstige zwager, Arthur Schawlow, met een plan, gepubliceerd in de Fysieke beoordeling in 1958, om hoger frequentie infrarood en zichtbaar licht te versterken, waarbij: "De prototype-laser [moest] worden uitgerust met een paar spiegels, één aan elk uiteinde van de lasing-holte. Fotonen met specifieke golflengten zouden dan van de spiegels reflecteren en heen en weer reizen door het lasermedium. Door dit te doen, zouden ze op hun beurt ervoor zorgen dat andere elektronen zich terug ontspannen in hun grondtoestanden en zelfs nog meer fotonen uitzenden in dezelfde golflengte. .”

De LASER

Het voorstel Townes-Schawlow leidde Theodore Maiman van het Hughes Research Laboratory in Malibu, Californië, die op 16 mei 1960 de eerste was die straling uit het zichtbare spectrum met succes kon versterken: "Een lichtbron, in de vorm van een krachtige flitsbuislamp, bestraalt een synthetisch robijnkristal [met twee evenwijdige zijden bekleed met zilver] dat energie absorbeert over een breed gebied van frequenties. Deze optische energie exciteert de atomen naar een hogere energietoestand waaruit de energie opnieuw wordt uitgestraald in een zeer smalle frequentieband. De aangeslagen atomen worden gekoppeld aan een optische resonator en gestimuleerd om de straling samen uit te zenden ... "

Hoewel er geen heldere lichtstraal werd uitgezonden tijdens de eerste demonstratie van laservermogen, zoals Townes opmerkte, was het apparaat niettemin een laser omdat het energie produceerde met: "Een duidelijke versmalling van het bereik van de frequenties die het bevatte. Dit was precies wat voorspeld was [door het papier uit 1958] en was het definitieve bewijs van laseractie. Kort daarna, zowel in het laboratorium van Mainman in Hughes als in Schawlow's in Bell Laboratories in New Jersey, werden heldere rode vlekken van robijnrode laserstralen op de laboratoriummuur gezien en bewonderd. . . .”

Patent Fight

Een vroeg lid van Townes 'team was de universiteitsstudent van de Columbia University, Gordon Gould, die een aantal ideeën bedacht met betrekking tot het' pompen 'van atomen naar hogere energietoestanden, zodat ze licht zouden uitstralen' voor zijn afstudeerscriptie, die hij deelde met Townes. In feite was het Gould die als eerste de uitdrukking Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) bedacht.

Anticiperend op het feit dat zijn ideeën zouden worden ondergebracht in het onderzoek van Townes, begon Gould in 1957 met het bijhouden van zijn ideeën en ging zelfs zo ver dat sommige pagina's van zijn notities notarieel waren. Toen hun respectieve ideeën en voorstellen uitgekristalliseerd raakten, haastten beide kampen zich om hun rechten te behouden: "Gould diende in april 1959 een laseroctrooi in, maar dit werd door het Amerikaanse octrooibureau afgewezen ten gunste van het optische maser-octrooi van Schawlow en Townes (uitgereikt in 1960) ...

Niet zo oneerlijk als het lijkt, hadden Townes en Schawlow negen maanden voordat Gould een aanvraag indiende voor hun patent, namens Bell Laboratories ingediend. In elk geval, nadat het patent aan Bell was toegekend, begon een 'Dertig jaar patentoorlog' met Gould-aanklacht. Het proces ging door, maar uiteindelijk begon Gould in 1987 nederzettingen te winnen van zijn octrooiconclusies. Tegen het einde van de juridische strijd kreeg Gould uiteindelijk "48 patenten. . . voor commercieel waardevolle aspecten van lasers. . . .”

Laat Een Reactie Achter