بیست و یک کشفی که باعث تغییر علم و جهان شد

هنگامی که اولین لیزر فعال در سال 1960 گزارش شد ، به عنوان "راه حلی برای یافتن یک مشکل" توصیف شد. اما طولی نکشید که خصوصیات متمایز لیزر - توانایی تولید پرتوی شدید و بسیار باریک از نور با طول موج واحد - برای علم ، فناوری و پزشکی مهار می شد. امروزه لیزرها همه جا هستند: از آزمایشگاه های تحقیقاتی در لبه فیزیک کوانتوم گرفته تا کلینیک های پزشکی ، صندوق های خرید سوپرمارکت ها و شبکه تلفن.

تئودور میمن اولین لیزر را در 16 مه 1960 در آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز در کالیفرنیا با تاباندن یک چراغ فلاش با قدرت بالا بر روی یک میله یاقوت با سطوح پوشش داده شده نقره کار کرد. او بی درنگ گزارش کوتاهی از کار را به مجله Physical Review Letters ارائه کرد ، اما سردبیران آن را رد کردند. برخی فکر کرده اند که این امر به این دلیل است که Physical Review اعلام کرده است که مقالات زیادی را در مورد میزرها - اسلاف با طول موج طولانی تر لیزر - دریافت کرده و اعلام کرده است که هر مقاله دیگری رد می شود. اما سیمون پاسترناک ، که در آن زمان ویراستار Physical Review Letters بود ، گفته است که او این مقاله تاریخی را رد کرد زیرا مایمن در ژوئن 1960 ، مقاله ای در مورد تحریک یاقوت با نور ، با بررسی زمانهای آرامش بین حالتهای کوانتومی ، و اینکه کار جدید به نظر می رسد به سادگی بیشتر از همان باشد. واکنش پاسترناک شاید نشان دهنده درک محدود در زمان ماهیت لیزرها و اهمیت آنها باشد. مایمن که مشتاق بود کار خود را به سرعت در معرض چاپ قرار دهد ، سپس به طبیعت روی آورد ، معمولاً حتی انتخابی تر از Physical Review Letters ، جایی که مقاله در 6 آگوست بهتر دریافت و منتشر شد.

با در دست انتشار رسمی اولین لیزر مایمن ، آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز اولین اعلان عمومی را در 7 ژوئیه 1960 برای رسانه ها انجام داد. این موضوع با بحث در مورد روزنامه های صفحه اول درباره اشعه احتمالی مرگ ، اما همچنین برخی از بدبینی ها دانشمندان ، که هنوز قادر به دیدن مقاله دقیق و منطقی کامل Nature نبودند. منبع دیگر تردید از این واقعیت ناشی می شد که مایمن گزارش نکرده است که یک پرتو روشن نور ، که مشخصه مورد انتظار لیزر است ، دیده است. من خودم از چند نفر از گروه هیوز س askedال کردم که آیا آنها پرتوی درخشان را دیده اند یا خیر ، جای تعجب دیده است. آزمایش میمن برای ایجاد یک پرتوی ساده از آن تنظیم نشده است ، اما او طیف نوری را که تجزیه و تحلیل می کند و یک محدودیت مشخص از دامنه فرکانس های موجود را یافته است. این فقط همان چیزی بود که توسط مقاله نظری مربوط به میزرهای نوری (یا لیزر) توسط Art Shawlow و خودم پیش بینی شده بود و در maser هایی که تابش مایکروویو با طول موج طولانی تر تولید می کردند دیده شده بود. این شواهد ، ارائه شده در شکل 2 مقاله طبیعت Maiman ، اثبات قطعی عمل لیزر است. اندکی پس از آن ، هم در آزمایشگاه مایمن در هیوز و هم در شاولو در آزمایشگاه های بل در نیوجرسی ، لکه های قرمز روشن ناشی از پرتوهای لیزر یاقوتی که به دیواره آزمایشگاه برخورد می کردند ، دیده و مورد تحسین قرار گرفتند.

لیزر مایمن چندین جنبه داشت که در مقاله نظری ما مورد توجه قرار نگرفته و قبل از نمایش یاقوت توسط دیگران مورد بحث قرار نگرفته است. ابتدا مایمن از یک منبع نور پالسی استفاده کرد که فقط چند میلی ثانیه طول می کشد تا یاقوت را تحریک کند (یا "پمپ کند"). بنابراین لیزر فقط یک فلاش کوتاه از نور را تولید می کند تا یک موج مداوم ، اما چون انرژی قابل توجهی در مدت زمان کوتاهی آزاد می شود ، انرژی بسیار بیشتری از آنچه در بیشتر بحث های قبلی در نظر گرفته شده بود ، فراهم می کند. طولی نکشید که تکنیکی موسوم به "سوئیچینگ Q" در آزمایشگاه هیوز معرفی شد ، که باعث کاهش پالس نور لیزر و افزایش قدرت لحظه ای آن به میلیون ها وات و فراتر از آن می شود. قدرت لیزرها اکنون به یک میلیون میلیارد (1015) وات می رسد! شدت زیاد نور لیزر پالسی اجازه می دهد تا طیف گسترده ای از انواع جدیدی از آزمایش ها ، و زمینه اپتیک غیرخطی را که اکنون رشد می کند ، آغاز کند. فعل و انفعالات غیرخطی بین نور و ماده باعث می شود که فرکانس نور دو برابر یا سه برابر شود ، بنابراین برای مثال می توان از لیزر قرمز شدید استفاده کرد.

من در آن زمان که گروه های مختلف سعی می کردند لیزرهای اولیه را بسازند ، کار شلوغی در واشنگتن داشتم. اما من همچنین بر دانشجویان تحصیلات تکمیلی دانشگاه کلمبیا که سعی در ساخت لیزر مادون قرمز مداوم با پمپ داشتند ، نظارت می کردم. اندکی پس از بیرون آمدن لیزر یاقوت ، من به آنها توصیه کردم که این کار را متوقف کنند و در عوض از انرژی لیزر یاقوت جدید استفاده کنند تا آزمایش تحریک دو فوتونی اتم ها را انجام دهند. این یکی از آزمایش های اولیه در اپتیک غیرخطی بود و اکنون تحریک دو فوتونی به طور گسترده ای برای مطالعه اتم ها و مولکول ها استفاده می شود.

لیزرها با افزودن انرژی به اتم ها یا مولکول ها کار می کنند ، به طوری که در حالت با انرژی بالا ("هیجان زده") بیشتر از حالت کم انرژی وجود دارد. این به عنوان "وارونگی جمعیت" شناخته می شود. وقتی این اتفاق می افتد ، امواج نوری که از طریق مواد عبور می کنند ، تابش بیشتری را از حالت های برانگیخته تحریک می کنند تا اینکه در اثر جذب اتم ها یا مولکول های حالت پایین ، از بین می روند. این "انتشار تحریک شده" مبنای میزرها (که نام آنها مخفف "تقویت مایکروویو با تابش تحریک شده اشعه" است) و لیزرها (همان ، اما برای نور به جای مایکروویو) است.

قبل از کاغذ مایمان ، یاقوت به طور گسترده ای برای میزرها استفاده می شد ، که امواج را با فرکانس مایکروویو تولید می کنند و همچنین برای لیزرهایی که امواج نور مادون قرمز یا مرئی را تولید می کنند ، در نظر گرفته شده بود. اما دومین ویژگی شگفت آور لیزر مایمن ، علاوه بر منبع پالسی ، این بود که وی توانست کمترین انرژی ("زمین") یاقوت را به اندازه کافی تخلیه کند تا انتشار تحریک شده از حالت برانگیخته به زمین رخ دهد. این غیرمنتظره بود در حقیقت ، شاولو ، که روی یاقوت سرخ کار کرده بود ، در ملا عام اظهار نظر کرده بود که انتقال مربوط به حالت اصلی یاقوت برای لیزر مناسب نخواهد بود زیرا تخلیه کافی برای آن دشوار است. وی توصیه کرد که تغییر دیگری در یاقوت سرخ ایجاد شود ، که واقعاً کارساز بود ، اما تنها پس از موفقیت مایمن. مایمن ، که دوره های آرامش یاقوت سرخ یاقوت را با دقت مطالعه می کرد ، به این نتیجه رسید که حالت زمینی ممکن است به اندازه کافی توسط یک لامپ فلاش تخلیه شود تا بتواند عمل لیزر را انجام دهد - و این نتیجه داد.

از لیزر یاقوت در بسیاری از آزمایش های دیدنی و اولیه استفاده شده است. یکی از سرگرم کننده ها ، در سال 1969 ، پرتوی نوری را به ماه فرستاد ، جایی که از منعکس کننده یکپارچهسازی با سیستمعامل واقع در سطح ماه توسط فضانوردان در برنامه آپولو ایالات متحده منعکس شد. زمان سفر پالس رفت و برگشت اندازه گیری فاصله تا ماه را ارائه می دهد. بعداً ، پرتوهای لیزر یاقوت فرستاده شده و توسط تلسکوپ ها دریافت می شوند و مسافت ها را با دقت حدود سه سانتی متر به ماه اندازه گیری می کنند - استفاده بسیار خوب از پالس های کوتاه لیزر یاقوت.

وقتی اولین لیزر ظاهر شد ، دانشمندان و مهندسان واقعاً برای آن آمادگی نداشتند. بسیاری از مردم به من گفتند - بخشی از آن به عنوان یک شوخی بلکه به عنوان یک چالش - که لیزر "یک راه حل برای یافتن یک مشکل" است. لیزرها با کنار هم قرار دادن اپتیک و الکترونیک زمینه های جدید و گسترده ای از علم و فناوری را باز کردند. و بسیاری از انواع مختلف لیزر و برنامه های کاربردی خیلی زود ظاهر شدند. در آزمایشگاههای تحقیقاتی IBM در Yorktown Heights ، نیویورک ، پیتر سوروکین و میرک استیونسون دو لیزر را نشان دادند که از روشهای مشابه مایمن اما با فلورید کلسیم ، به جای یاقوت ، به عنوان ماده لیزر استفاده می کرد. به دنبال آن - و هنوز در سال 1960 - لیزر بسیار مهم هلیوم-نئون علی جوان ، ویلیام بنت و دونالد هریوت در آزمایشگاه های بل بود. این باعث تولید تابش مداوم در توان کم اما با فرکانس بسیار خالص و باریک ترین پرتو ممکن می شود. سپس لیزرهای نیمه هادی ارائه شد که برای اولین بار در سال 1962 توسط رابرت هال و همکارانش در آزمایشگاه های جنرال الکتریک در شنکتادی ، نیویورک به کار افتادند. لیزرهای نیمه هادی اکنون مواد و فرمهای مختلفی را شامل می شوند ، می توانند کوچک و ارزان باشند و تا حد زیادی رایج ترین نوع لیزر هستند. به عنوان مثال ، در بارکد خوان های سوپرمارکت ، در ارتباطات فیبر نوری و اشاره گرهای لیزری استفاده می شوند.

در حال حاضر ، لیزرها انواع مختلفی دارند. آنها شامل لیزر "خوراکی" است که شوالو از ژلاتین طعم دار به شوخی ساخته است (اما در حقیقت به دلیل رنگی که برای رنگ آمیزی آن خورده نشده است) و همراه آن لیزر "قابل آشامیدن" است که از مخلوط الکلی ساخته شده است. در آزمایشگاه های ایستمن کداک در روچستر ، نیویورک. اکنون لیزرهای طبیعی در اجرام نجومی یافت شده است. به عنوان مثال ، نور مادون قرمز توسط دی اکسید کربن در جو مریخ و ونوس تقویت می شود ، در اثر تابش خورشید تحریک می شود ، و تابش شدید ستاره ها عمل لیزر را در اتم های هیدروژن در ابرهای گازی حاشیه ای تحریک می کند. این س theال را به ذهن متبادر می کند: چرا لیزر مدتها پیش اختراع نشده است ، شاید تا سال 1930 که تمام فیزیک لازم حداقل از سوی برخی افراد قابل درک بود؟ کدام پدیده مهم دیگر امروز کورکورانه گم شده ایم؟

مقاله مایمان آنقدر کوتاه و دارای انشعابات بسیار قدرتمندی است که من معتقدم این مقاله مهمترین مقاله در مورد کل مقاله های شگفت انگیز قرن گذشته در Nature است. لیزرها امروزه قدرت بسیار بالاتری تولید می کنند