عيد ميلاد الليزر الخمسين

في 16 مايو 1960، قام ثيودور ميمان باكتشاف مثير في مختبرات هيوز في ماليبو: أطلق أول ليزر فعال.

بمناسبة عيد ميلاد الليزر الخمسين.. الولايات المتحدة الأمريكية اليوم وخرج تحت عنوان "ألبرت أينشتاين، وليس دارت فيدر، أول من فكر في تكنولوجيا الليزر". في 16 مايو 1960، قام ثيودور ميمان باكتشاف مثير في مختبرات هيوز في ماليبو: أطلق أول ليزر فعال. يعد هذا أحد أكثر الاكتشافات إثارة على الإطلاق التي تم التوصل إليها من مختبر علمي. لكن بالطبع أينشتاين هو الذي يقف وراء الاختراع العبقري، كما يحدث عادة في الفيزياء. وهو الذي كتب المعادلات وراء الليزر. في عام 1917 - أثناء إتقان نظريته في النسبية العامة والعمل على النموذج الساكن وغير المتوسع للكون، كتب أينشتاين ورقة تقترح فكرة الانبعاث القسري، وهي خاصية الذرات لإصدار الضوء بتردد واحد عند اصطدامه بالضوء.

1916 - 17: أينشتاين، الهروب القسري

في مقال نشره أينشتاين عام 1916 في مجلة زيوريخ وبعد ذلك بعام في مجلة ألمانية، حدد ثلاثة أنواع من التفاعل بين المادة والضوء، الامتصاص، والانبعاث التلقائي، والانبعاث القسري: عن طريق امتصاص كمية من الضوء، أو جزيء أو مادة. تقوم الذرة بالانتقال إلى حالة طاقة أعلى. ستعود الذرة تلقائيًا - دون تحفيزها للقيام بذلك - إلى حالة الطاقة المنخفضة وفي هذه العملية ستصدر كمية من الضوء. وأخيرًا، سوف يصدر كمًا وينتقل إلى طاقة أقل إذا تم تحفيزه للقيام بذلك بواسطة كم ضوئي آخر. في هذه الحالة، يكون للكم المثير والكم المنبعث نفس الطول الموجي ونفس الطور. مهدت هذه الميزة الطريق للمازر والليزر.

لا يُرى الانبعاث القسري في المادة العادية التي تكون في حالة توازن حراري، لأن حالات الطاقة المنخفضة تميل إلى أن تكون أكثر كثافة من حالات الطاقة الأعلى. لإنشاء انبعاث قسري، تحتاج إلى إنشاء موقف حيث يوجد ذرات عالية الطاقة أكثر من الذرات منخفضة الطاقة. يُطلق على هذا الوضع اسم "الانعكاس السكاني" وتم عرضه لأول مرة في عام 1950 بواسطة بورسيل وباوند في سياق الرنين المغناطيسي النووي. لقد استخدموا فكرة الانعكاس السكاني والانبعاث القسري كمبدأ مضخم هندسي. ظهرت الفكرة في مقالات أخرى في سياق هندسي في نفس الوقت ولم تجذب الكثير من الاهتمام.

خلال عشرينيات القرن العشرين، ادعى مخترعون مثل نيكولاس تاليس أنهم اخترعوا "أشعة الموت". أعلن تسلا أنه اخترع عوارض قادرة على تدمير عشرة آلاف طائرة معادية على مسافة 400 كيلومتر. ولكن فقط بعد الحرب العالمية الثانية، ومع نجاح عرض تكنولوجيا الرادار، عاد العلماء إلى فكرة أينشتاين حول الطرد القسري.

مايو 1954: الميزر

في مايو 1954، نُشرت رسالة في Physique Rabio بقلم جوردون وسيجر وتشارلز تاونز، وهي مجموعة صغيرة في جامعة كولومبيا في نيويورك بقيادة تاونز. لم ينشروا الفكرة فحسب، بل وصفوا أيضًا جهازًا يعتمد على الفكرة وقدموا النتائج الأولى التي تم الحصول عليها باستخدام الجهاز الجديد.
أثناء زيارة تاونز لحضور اجتماع للعلماء في واشنطن عام 1951، أدرك تاونز أن عكس السكان يمكن تحقيقه من خلال تقنيات تستخدم حزمة من الجزيئات. لم يذكر الفكرة في اجتماع العلماء، ولكن عندما عاد إلى كولومبيا جلس على الفور لتحقيقها مع جوردون، وهو طالب دراسات عليا، ومع سيجر، زميل ما بعد الدكتوراه الذي كان في زمالة من الصناعة. في الواقع - في الماضي - الجهاز الذي ابتكره تاونز ومجموعته هو ليزر يعمل في الموجات الدقيقة.

وبعد عدة محاولات فاشلة باستخدام موجات ملليمتر، قرروا استخدام موجات 1.5 سم لأن التكنولوجيا كانت متاحة من أبحاث الرادار في حقبة الحرب العالمية الثانية. لقد اختاروا الأمونيا باعتبارها الجزيء المناسب لحزمة الجزيئات لتحقيق الانقلاب السكاني من خلال إنشاء كلتا الحالتين. ولذلك خططوا لإخراج معظم الجزيئات من الحالة الأدنى.

مازر المدن ومجموعته. يمر شعاع من الأمونيا عبر البؤرة الكهروستاتيكية لفصل الجزيئات إلى الحالة الكمومية العليا.

تم تحقيق الانقلاب السكاني الأول باستخدام جزيء الأمونيا - ذرة نيتروجين مع ثلاث ذرات هيدروجين. يتم الحصول على الانقلاب السكاني في الأمونيا عن طريق فصل الجزيئات في الحالة الكمومية العليا عن تلك الموجودة في الحالة الكمومية السفلية. تم تحقيق الفصل نفسه في جهاز الميزر من خلال تسليط شعاع جزيئي، وهو شعاع من جزيئات الأمونيا من خلال نظام تركيز الأقطاب الكهربائية. هذه خلقت مجال كهرباء مع اتجاه الشعاع. شعرت الجزيئات في الحالة الكمومية السفلية بقوة خارجية وغادرت الشعاع بسرعة كبيرة. بينما شعر أولئك الموجودون في الحالة الكمومية الأعلى بقوة مركزة داخليًا ودخلوا الفضاء أخيرًا. عندما تنتقل طاقة الموجات الصغرية ذات تردد الرنين المناسب عبر الفضاء، يحدث التضخيم بسبب انعكاس السكان.

ووصف الثلاثة الجهاز على النحو التالي: "يستخدم الجهاز شعاعًا جزيئيًا يتم فيه اختيار الجزيئات في حالة مثارة في انتقال الموجات الميكروية. التفاعل بين هذه الجزيئات المثارة ومجال الموجات الدقيقة يخلق إشعاعًا إضافيًا وبالتالي يزيد من الانبعاث القسري. نحن نطلق على الجهاز الذي يستخدم هذه التقنية اسم "مازر"، وهو اختصار لعبارة "مضخم الميكروويف عن طريق الانبعاث القسري للإشعاع".

نُشرت فكرة مايزر في عام 1954 في شكل مستقل نظريًا من قبل مجموعة أخرى في الاتحاد السوفييتي، باسوف وبروكروف من معهد ليبيديف في موكفا. في عام 1956، قام نيكولاس بلومبرج من جامعة هارفارد بتحسين جهاز مايزر وأضاف فكرة الضخ، وحقن الطاقة في النظام لخلق حالة الانعكاس السكاني.

ديسمبر 1958

تم نشر مقال بعنوان "أجهزة الأشعة تحت الحمراء والبصرية". في هذه المقالة، تناول آرثر شولوف وتاونز إمكانية توسيع مبدأ مازر إلى أطوال موجية أقصر بكثير. شولوب، الذي عمل في مختبرات الهاتف التي ارتبط بها بيل مع تاونز وتزوج إحدى أخوات الأخير. عمل العالمان معًا، للتفكير في توسع الميزر إلى آفاق جديدة، وهو ما أدى أيضًا على الأرجح إلى أفكار جديدة.

كان يُعتقد في الأصل أن الانقلاب السكاني، وهو أمر ضروري لكي يعمل الميزر، لا يمكن تحقيقه من خلال اختلاف مستوى الطاقة المتوافق مع الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء. لكن تاونز بدأ يفكر في الوضع بجدية أكبر في نهاية عام 1957 وتوصل إلى استنتاج مفاده أنه لا يوجد حظر مطلق على مثل هذا الانعكاس السكاني. وكل هذا بشرط توافر الشروط الصحيحة.

مايو 1960: الليزر

تتطلب أجهزة الميكروويف ذات الأطوال الموجية النموذجية التي تبلغ حوالي سنتيمتر واحد تجاويف يسهل بناؤها إلى حد ما. لكن السؤال المطروح هو ما المساحة الفعالة التي يمكن استخدامها للضوء المرئي بأطوال موجية أقصر بعشرة آلاف مرة؟ وحتى لو كانت هناك طرق لصنع هذا الصندوق الصغير، فكيف يمكن وضع العينة داخله؟ اعتقد تاونز في البداية أن هناك صندوقًا مربعًا بجدران مصنوعة من المرايا، والتي من شأنها أن تعكس أطوال موجية ذات ترددات مختلفة. ناقش هذه الفكرة مع شولوب. ثم جاء شولوف بفكرة وجود مرآتين تفصلان موجات موجهة للغاية بشكل عمودي على أسطح المرآة. لقد ظنوا أنه ربما إذا ثقبوا الطبقة العاكسة للمرآة شبه الفضية في ثقب صغير فسيكون هذا هو الحل. لكن هذه الحلول لم "تخرج من الصندوق" من حيث التفكير.

أدت ورقة تاونز وشولوف البحثية إلى بحث أجراه جولد، وهو طالب دكتوراه كان يعمل في القاعة على بعد بضعة أبواب من تاونز. لقد اخترع اسم الليزر - "مضخم الضوء عن طريق الانبعاث القسري للإشعاع" لجهاز الليزر الضوئي.

وفي النهاية، تم تصنيع أول ليزر باستخدام الهيدروجين من مختبر هيوز في ماليبو، كاليفورنيا. قلل الهيدروجين من وزن المازر بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، انتقل أيضًا للعمل مع الياقوتة. الياقوت عبارة عن بلورة من الألومينا - أكسيد الألومنيوم مع إضافة الكروم. مكنت مستويات ذرات الكروم الفردية المنتشرة في البلورة من نشاط الميزر. في حين أن بلورة الألومينا النقية تبدو شفافة مثل الزجاج، فإن الياقوت يكون لونه ورديًا أو أحمرًا ساطعًا ولذلك يسمى "ياقوت"، ويعتمد ذلك على محتوى الكروم. يحدث انبعاث الضوء بتردد الضوء الأحمر بسبب تسليط ضوء بتردد أعلى على الياقوت. قرر الهيدروجين أن يصل إلى انعكاس سكاني في مستويات طاقة الكروم المقابلة لانبعاث هذا الضوء الأحمر.

في سبتمبر 1959 شارك مايمان في المؤتمر الدولي الأول الذي تناول الإلكترونيات الكمومية. وأوضح شولوف أن الياقوت ربما لن يكون مناسبًا كمادة لليزر. لكن ميمان كان يعتقد خلاف ذلك. عاد إلى مختبره وقام ببناء أول ليزر يعمل لأول مرة منذ خمسين عامًا بالضبط، في 16 مايو 1960.

كان الليزر الأول عبارة عن جهاز بسيط بشكل مدهش: كتلة من الياقوت ذات طرفين فضيين متوازيين كانت بمثابة المرايا. كان أنبوب الفلاش العادي ذو الشكل الحلزوني، مثل الذي كان يستخدم في ذلك الوقت للتصوير الفوتوغرافي، يحيط بكتلة الياقوت. هذا زود مضخة الإشعاع. كان الجهاز أبسط بكثير من أي جهاز مازر تم تصنيعه في ذلك الوقت.