Laser ma 50 lat

Właśnie w tym tygodniu upływa 50 lat od momentu, kiedy Theodore Maiman z Hughes Research Laboratories w kalifornijskim Malibu po raz pierwszy uzyskał wiązkę spójnego, monochromatycznego światła. Dzisiaj lasery znajdziemy w komputerach, odtwarzaczach płyt CD, DVD albo Blu-ray, światłowodowych systemach teletransmisyjnych, zakładach przemysłowych, szpitalach i Bóg jeden wie gdzie jeszcze. Także traktowana często rozrywkowo holografia, której teoretyczne podstawy opracował w 1920 roku polski fizyk Mieczysław Wolfke, nie jest w stanie obyć się bez laserów.

Najważniejszym elementem lasera Maimana był kryształ rubinu uformowany w walec, którego końce pokryto warstwami odblaskowymi; zwierciadła te spełniały funkcję rezonatora. Maiman otoczył rubin lampą błyskową; jej jaskrawobiałe światło wzbudzało znajdujące się w krysztale atomy chromu. Elektrony pochłaniały kwanty energii i przenosiły się na wyższe orbity. Ten stan był niestabilny, więc elektrony wracały na poziom podstawowy - tyle że nie robiły tego byle jak.

W normalnych warunkach elektrony spadłyby z wyższej orbity, emitując kwant energii w przypadkowym momencie. Doszłoby wtedy do sytuacji, w której światło byłoby co prawda monochromatyczne, ale zarazem niespójne; poza tym wyemitowane fotony poruszałyby się w dowolnym kierunku. Takie zjawisko - emisję spontaniczną - każdy obserwuje codziennie, zapalając zapałkę, żarówkę albo przyglądając się świecącemu kawałkowi próchna.

W aparacie Maimana rzeczy miały się inaczej: dochodziło do tzw. emisji wymuszonej, opisanej przez Alberta Einsteina jeszcze w 1916 roku. Wzbudzony elektron spadał z wyższej orbity, a wyemitowany przezeń foton mknął przez kryształ i inicjował reakcję łańcuchową: oddziałując z rubinem, doprowadzał do tego, że kolejny elektron spadał na poziom podstawowy. Pojawiał się zatem kolejny foton, przy czym pierwszy kwant energii nie znikał. Później szło już szybciej: dwa fotony inicjowały emisję kolejnych dwóch kwantów, w następnym kroku z czwórki fotonów robiło się osiem - i tak dalej. Fotony miotały się między lustrami na końcach rubinowego walca, a ponieważ jedno z nich było półprzepuszczalne, część światła wydostawała się na zewnątrz. Co ważne, wszystkie kwanty miały tę samą częstotliwość, fazę, płaszczyznę polaryzacji i poruszały się w tym samym kierunku co foton inicjujący reakcję. Światło obserwowane przez Maimana było więc jednobarwne i spójne.

Naukowiec wciąż błyskał lampą, wzbudzając od nowa atomy chromu. Taki proces nazywa się obecnie pompowaniem lasera, ale nie zawsze polega na zapalaniu lampy. Od czasów Maimana powstało wiele konstrukcji, które działając na tej samej zasadzie co laser rubinowy, wykorzystują inny ośrodek jako miejsce, w którym zachodzi emisja wymuszona. Przykładowo, popularne lasery helowo-neonowe przypominają jarzeniówkę, a są pompowane dzięki zderzeniom atomów gazu. Zmieniła się też wydajność laserów: sprawność urządzenia Maimana w porywach sięgała jednego procentu, a współczesne konstrukcje potrafią przeciąć stalową płytę.

Nawiasem mówiąc, to nie Maiman był pierwszą osobą, która wykorzystała zjawisko emisji wymuszonej do wygenerowania spójnej, jednobarwnej fali elektromagnetycznej. Niemal dziesięć lat wcześniej grupa naukowców zgromadzona wokół Arthura L. Schawlowa i Charlesa H. Townesa skonstruowała maser, czyli generator promieniowania mikrofalowego będący poprzednikiem lasera. Jednakże dopiero Maimanowi udało się zbudować coś, co naprawdę świeciło spójnie i w jednym kolorze.