1. Fundații
În 1917, Albert Einstein a stabilit bazele teoretice pentru laser și maser în lucrarea Zur Quantentheorie der Strahlung (Despre teoria cuantică a radiației) printr-o re-derivare a legii radiației lui Max Planck, bazată conceptual pe coeficienți de probabilitate (coeficienți Einstein ) pentru absorbția, emisia spontană și emisia stimulată a radiației electromagnetice. În 1928, Rudolf W. Ladenburg a confirmat existența fenomenelor de emisie stimulată și absorbție negativă. În 1939, Valentin A. Fabrikant a prezis utilizarea emisiei stimulate pentru a amplifica undele „scurte”. În 1947, Willis E. Lamb și R.C. Retherford a găsit emisii stimulate aparente în spectrele de hidrogen și a efectuat prima demonstrație a emisiei stimulate. În 1950, Alfred Kastler (Premiul Nobel pentru fizică 1966) a propus metoda pompării optice, confirmată experimental, doi ani mai târziu, de Brossel, Kastler și Winter.
2. Maser
a) Aleksandr Prokhorov
În 1951, Joseph Weber a trimis o lucrare privind utilizarea emisiilor stimulate pentru a face un amplificator cu microunde la Conferința de cercetare a tuburilor de vid din iunie 1952, la Ottawa, Ontario, Canada. După această prezentare, RCA i-a cerut lui Weber să susțină un seminar despre această idee, iar Charles Hard Townes i-a cerut o copie a lucrării.
b) Charles H. Townes
În 1953, Charles Hard Townes și studenții absolvenți James P. Gordon și Herbert J. Zeiger au produs primul amplificator cu microunde, un dispozitiv care funcționează pe principii similare cu laserul, dar amplificând radiația cu microunde mai degrabă decât radiația infraroșie sau vizibilă. Maserul lui Townes era incapabil de ieșire continuă. Între timp, în Uniunea Sovietică, Nikolay Basov și Aleksandr Prokhorov lucrau independent la oscilatorul cuantic și au rezolvat problema sistemelor de ieșire continuă utilizând mai mult de două niveluri de energie. Aceste medii de câștig ar putea elibera emisii stimulate între o stare excitată și o stare mai puțin excitată, nu starea fundamentală, facilitând menținerea unei inversiuni a populației. În 1955, Prokhorov și Basov au sugerat pomparea optică a unui sistem pe mai multe niveluri ca metodă pentru obținerea inversării populației, ulterior o metodă principală de pompare cu laser.
Townes relatează că mai mulți fizicieni eminenți - printre care Niels Bohr, John von Neumann și Llewellyn Thomas - au susținut că maserul a încălcat principiul incertitudinii lui Heisenberg și, prin urmare, nu ar putea funcționa. Alții precum Isidor Rabi și Polykarp Kusch se așteptau ca acest lucru să nu fie practic și să nu merite efortul. În 1964 Charles H. Townes, Nikolay Basov și Aleksandr Prokhorov au împărtășit Premiul Nobel pentru fizică, „pentru munca fundamentală în domeniul electronicii cuantice, care a dus la construirea de oscilatoare și amplificatoare bazate pe principiul maser-laser”.
3. Laser
La o conferință din 1959, Gordon Gould a publicat pentru prima dată acronimul „LASER” în lucrarea The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Intenția lui Gould era ca acronimele „-ASER” diferite să fie utilizate pentru diferite părți ale spectrului: „XASER” pentru raze X, „UVASER” pentru ultraviolete etc. „LASER” a ajuns să devină termenul generic pentru dispozitivele care nu sunt cu microunde. , deși „RASER” a fost pe scurt popular pentru denumirea dispozitivelor cu emisie de frecvență radio.
La 16 mai 1960, Theodore H. Maiman a operat primul laser funcțional la Hughes Research Laboratories, Malibu, California, înaintea mai multor echipe de cercetare, inclusiv a celor din Townes, la Columbia University, Arthur Schawlow, la Bell Labs, și Gould, la compania TRG (Technical Research Group). Laserul funcțional al lui Maiman a folosit un cristal de rubin sintetic pompat cu lampă pentru a produce lumină roșie laser la o lungime de undă de 694 nanometri. Dispozitivul a fost capabil să funcționeze doar în impulsuri, datorită schemei sale de proiectare a pompelor pe trei niveluri. Mai târziu în acel an, fizicianul iranian Ali Javan și William R. Bennett și Donald Herriott au construit primul laser cu gaz, folosind heliu și neon capabil să funcționeze continuu în infraroșu (brevetul SUA 3.149.290); mai târziu, Javan a primit premiul Albert Einstein în 1993. Basov și Javan au propus conceptul diodei semiconductoare laser. În 1962, Robert N. Hall a demonstrat primul dispozitiv cu diode laser, care a fost realizat din arsenidă de galiu și emis în banda infraroșu apropiat a spectrului la 850 nm. Mai târziu în acel an, Nick Holonyak, Jr. a demonstrat primul laser semiconductor cu emisie vizibilă. Acest prim laser semiconductor ar putea fi utilizat numai în funcționare cu fascicul pulsat și atunci când este răcit la temperaturi de azot lichid (77 K). În 1970, Zhores Alferov, în URSS, și Izuo Hayashi și Morton Panish de la Bell Telephone Laboratories au dezvoltat, de asemenea, în mod independent, lasere cu diode cu funcționare continuă la temperatura camerei, utilizând structura heterojuncțională.
4. Inovații recente
De la începutul perioadei de istorie a laserului, cercetarea laser a produs o varietate de tipuri de laser îmbunătățite și specializate, optimizate pentru diferite obiective de performanță, inclusiv:
-
noi benzi de lungime de undă
-
puterea medie maximă de ieșire
-
energia maximă a impulsului de vârf
-
puterea maximă a impulsului de vârf
-
durata minimă a impulsului de ieșire
-
lățimea minimă de linie
-
eficiență maximă a energiei
-
cost minim
În 2015, cercetătorii au realizat un laser alb, a cărui lumină este modulată de o nanofolie sintetică din zinc, cadmiu, sulf și seleniu care poate emite lumină roșie, verde și albastră în proporții diferite, fiecare lungime de undă acoperind 191 nm.
În 2017, cercetătorii de la TU Delft au demonstrat un laser cu microunde cu joncțiune AC Josephson. Deoarece laserul funcționează în regim supraconductor, este mai stabil decât alte lasere bazate pe semiconductori. Dispozitivul are potențial pentru aplicații în calculul cuantic. În 2017, cercetătorii de la TU München au demonstrat cel mai mic laser de blocare a modului capabil să emită perechi de impulsuri laser picosecunde cu blocare de fază cu o frecvență de repetare de până la 200 GHz.
În 2017, cercetătorii de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), împreună cu cercetătorii americani de la JILA, un institut mixt al Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și de la Universitatea din Colorado Boulder, au stabilit un nou record mondial prin dezvoltarea unui laser cu fibre dopate cu erbiu cu o lățime de linie de numai 10 miliherți.