Laserul. Cine l-a inventat şi cum funcționează?

În data de 16 mai 1960, Theodore Maiman a îndreptat o lumină puternică asupra unui cristal de rubin acoperit parțial cu argint şi rezultatul a fost primul laser din lume. Cu toate acestea, acest aparat inovator nu a fost inventat de un singur geniu izolat. Mai degrabă el a fost rezultatul efortului depus de mulţi oameni de ştiinţă care şi-au împărtăşit reciproc propriile idei… cel puţin până când a venit vremea să-şi împartă câştigurile obţinute.

Pe umerii unui gigant

Majoritatea istoricilor consideră că dezvoltarea laserului a început odată cu Albert Einstein, cel care în anul 1917 studia fenomenul de emisie a energiei electromagnetice. Pe scurt, acesta este descris astfel: „Dacă un atom se află într-o stare excitată atunci el se poate dezintegra spontan, prin emisia de energie sub forma unui foton, pentru a ajunge pe un nivel de energie mai mică. Fotonul este emis într-o direcție aleatorie. Acest proces este denumit emisie spontană”.

Einstein credea că un foton cu lungimea de undă corespunzătoare ce străbate substanţa respectivă „poate stimula o emisie suplimentară de fotoni”. „Einstein a postulat că fotonii preferă să călătorească împreună în aceeași stare… Dacă un foton izolat, având lungimea de undă corespunzătoare, străbate substanţa respectivă… atunci prezenţa sa va stimula atomii să-şi elibereze fotonii (proces denumit emisie stimulată)… iar fotonii emişi vor avea aceeaşi direcţie de deplasare, aceeaşi frecvenţă şi aceeaşi fază cu a fotonului izolat.. În acest fel, efectul se produce în cascadă: pe măsură ce o mulţime de fotoni cu aceleaşi caracteristici vor străbate mediul respectiv, din ce în ce mai mulţi fotoni emişi spontan de la ceilalţi atomi li se vor alătura”.

În anul 1928 Rudolph W. Landenburg a confirmat teoria lui Einstein cu privire la emisia stimulată şi astfel au început cercetările pentru realizarea a ceea ce va fi, în cele din urmă, laserul.

Coerenţa

Trebuie remarcat că există o diferenţă fundamentală între cele două tipuri de emisii: în cazul emisiei spontane fotonii sunt eliberaţi la întâmplare şi aceştia au o mulţime de frecvenţe, pe când în cazul emisiei stimulate fotonii emişi vor avea aceeaşi frecvenţă şi se vor deplasa în aceeaşi direcţie ca şi fotonul ce a stimulat emisia. În acest fel este „amplificată” energia radiaţiei de intrare.

Proprietatea emisiei stimulate de a rămâne concentrată într-un domeniu foarte îngust de frecvențe, precum şi coerența acesteia, reprezintă motivele pentru care amplificarea radiațiilor electromagnetice devine un instrument util de comunicare, dar şi o sursă intensă de energie: „Sursele utilizate anterior de energie luminoasă cum ar fi lămpile cu incandescență erau „incoerente”, deoarece acestea generau energie într-un domeniu relativ larg al spectrului electromagnetic. Pe de altă parte, sursele de frecvență radio sunt foarte coerente. Avantajele unei surse coerente sunt numeroase, dintre acestea putându-se menţiona posibilitatea de a se obține informații de la o sursă dorită în timp ce sunt filtrate toate celelalte. În cazul în care postul vostru de radio preferat ar emite într-un domeniu larg al spectrului electromagnetic, atunci am spune că avem de-a face cu o emisie incoerentă şi ne-am confrunta cu fenomenul de interferență…”.

Maserul

La început oamenii de ştiinţă au reuşit să amplifice și să genereze energie în domeniul frecventelor joase şi al frecventelor medii ale spectrului electromagnetic, „acolo unde funcţionau receptoarele radio AM (N.t. modulate în amplitudine). Progresiv, frecvenţele mai mari corespund domeniului undelor scurte, domeniului VHF (pentru frecvențele foarte mari) şi care conține benzile FM și TV, domeniului UHF (pentru ultraînaltă frecvență), domeniului microundelor, unde funcţionează cele mai multe radare, domeniului infraroşu, domeniului optic sau al spectrului vizibil, domeniului razelor ultraviolete, razelor X, razelor gamma şi în cele din urmă al razelor cosmice”.

În anul 1954, Charles Townes și Jim Gordon de la Columbia University din SUA precum și Nicolay Basov și Aleksandr Prokhorov din Rusia au dezvoltat separat precursorul laserului şi anume Maserul (N.t. Acesta reprezintă acronimul din limba engleză „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, adică „Amplificarea microundelor prin emisia stimulată a radiației”).

Townes și Arthur Schawlow au propus o metodă, publicată în Physical Review în anul 1958, pentru amplificarea radiaţiei electromagnetice din domeniul infraroșu și al luminii vizibile în care: „prototipul laserului urma să fie echipat cu o pereche de oglinzi, câte una la fiecare capăt al dispozitivului. Fotonii având anumite lungimi de undă se reflectă de cele 2 oglinzi și se deplasează înainte și înapoi. În acest fel ei ar face ca şi alţi electroni să revină înapoi în starea lor fundamentală, emiţând mai mulţi fotoni cu aceeași lungime de undă… „.

Laserul

Propunerea lui Townes și Arthur Schawlow l-a inspirat pe Theodore Maiman de la Hughes Research Laboratory din Malibu, California, cel care în data de 16 mai 1960 a fost primul care a amplificat cu succes radiațiile electromagnetice din spectrul vizibil: „O sursă de lumină sub forma unui tub de descărcare iradiază un cristal sintetic de rubin având două fețe paralele acoperite cu argint şi care absoarbe energia într-o gamă largă de frecvențe. Această energie optică excită atomii către o stare energetică mai mare de la care energia este re-emisă într-o gamă foarte îngustă de frecvențe. Atomii excitaţi sunt cuplaţi la un rezonator optic și stimulaţi să emită radiații împreună…”.

Chiar dacă la prima demonstraţie de utilizare a laserului nu a fost emis niciun fascicul de lumină, așa cum a menționat Townes, dispozitivul s-a dovedit, totuși, un laser pentru că el a generat energie printr-o „reducere importantă a gamei de frecvențe din interiorul său. Este exact ce s-a prezis în anul 1958 și acest lucru a reprezentat o dovadă certă pentru funcţionarea laserului. La scurt timp după aceea, atât în laboratorul lui Mainman de la Hughes cât și la Bell Laboratories din New Jersey, acolo unde lucra Schawlow, pete luminoase roșii de la fasciculele laser de rubin au lovit pereţii laboratoarelor și au putut fi observate și admirate…

Lupta pentru patent

Gordon Gould, un absolvent al Columbia University, a fost un membru al echipei lui Townes care a conceput diferite procedee pentru „pompajul energetic necesar pentru ca atomii să ajungă pe nivele de energie superioare stării lor fundamentale” (pentru ca aceştia să emită lumină) pentru teza sa de absolvire şi pe care le-a împărtășit cu Townes. De fapt, Gould a fost primul care a utilizat denumirea de LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) adică amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiaţie.

Anticipând că ideile sale ar putea fi utilizate în cercetările întreprinse de Townes, Gould a început încă din anul 1957 să-şi legalizeze propriile însemnări. Pe măsură ce ideile și propunerile respective s-au cristalizat, ambele tabere s-au grăbit să-şi protejeze drepturile de autor: „Gould a depus un brevet pentru laser în aprilie 1959, dar acesta i-a fost respins de către US Patent Office în favoarea brevetului lui Schawlow şi Townes pentru maserul optic (acordat în anul 1960)… „.

Adevărul este că Townes şi Schawlow şi-au depus patentul, în numele Bell Laboratories, cu nouă luni înainte ca Gould să-şi depună propriul brevet. În orice caz, după ce Bell a primit brevetul, „războiul de treizeci ani pentru brevet” a început cu plângerea în justiție depusă de Gould. Litigiul a trenat până când, în cele din urmă, în anul 1987 Gould a obţinut recunoaşterea drepturilor pentru brevetul său. Până la sfârşitul acestei dispute în justiţie, Gould a obținut „48 brevete… pentru aspectele comerciale legate de utilizarea laserelor…”.

Traducere şi adaptare după How Lasers Work and Who Invented Them