Il laser è così profondamente incorporato nella vita quotidiana, dagli scanner di codici a barre alle comunicazioni fibre ottiche e ai dispositivi medici, che è facile dimenticare le sue origini si trovano in una serie di scoperte scientifiche fondamentali che spaziano più di un secolo. Il viaggio dalle prime ipotesi sulla luce al primo laser operativo nel 1960 è stato pavimentato da intuizioni in elettromagnetismo, meccanica quantistica, struttura atomica, e la natura di una chiave di emissione stimolata.

La comprensione classica della luce

Prima dell’era quantistica, la luce era intesa principalmente come fenomeno d’onda. Nel XVII secolo, Christiaan Huygens propose una sofisticata teoria dell’onda, ma fu sovrastata per un secolo dalla visione corpuscolare di Isaac Newton, che raffigurava la luce come un flusso di piccole particelle.

Quantum Inizio e il Photon

Alla fine del XX secolo, la teoria dell'onda classica si scontrava con i dati sperimentali che non poteva spiegare, in particolare lo spettro della radiazione del corpo nero e l'effetto fotoelettrico. Nel 1900, Max Planck dimostrò che lo spettro del corpo nero poteva essere descritto con precisione solo se riteneva che l'energia elettromagnetica fosse emessa e assorbita in pacchetti discorretti, o quanta.

Struttura atomica e livelli energetici quantizzati

Nel 1913 Bohr propose che gli elettroni orbitano attorno al nucleo in livelli di energia distinti e stabili e potessero saltare da un livello all’altro solo assorbendo o emettendo un fotone la cui energia corrisponde esattamente alla differenza tra i livelli. Questo semplice modello spiegò con successo le linee spettrali dell’idrogeno e introdusse il concetto fondamentale di stati energetici quantizzati all’interno degli atomi.

Idea rivoluzionaria di Einstein: Emissione stimolata

Il salto intellettuale più critico verso il laser è venuto nel 1917, quando Einstein ha pubblicato la sua carta “Zur Quantentheorie der Strahlung” (Sull'Ente di Radiazione Quantistica) In esso, ha analizzato l'equilibrio termodinamico tra un gas di atomi e radiazioni elettromagnetiche, e ha concluso che tre processi fondamentali devono governare l'interazione: assorbimento, emissione spontanea, e - per la prima volta - la fase di derivazione stimolata17

La sfida di inversione della popolazione

Per stimolare l’emissione a dominare l’assorbimento e produrre un’amplificazione netta, ci devono essere più atomi in uno stato eccitato che in uno stato di energia inferiore, una condizione chiamata inversione di popolazione. In equilibrio termico, le statistiche di Boltzmann assicurano che gli stati di energia inferiore sono molto più densamente popolati, quindi qualsiasi fotone che entra in un mezzo è molto più probabile che sia assorbito che innescare un gemello.

Il Maser: Amplificare Microonde di Emissione Stimulata

La svolta è avvenuta nel 1954, quando Charles Townes, James Gordon, e Herbert Zeiger alla Columbia University costruirono il primo maser –Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – che utilizzava un campo elettrico per separare un raggio di molecole di ammoniaca in uno stato vibratore eccitato da quelli nello stato terreno, creando un’inversione della popolazione, e poi indirizzava le molecole eccitate in una cavità a microonde.

Da Maser a Maser Ottico

Nel loro libro di riferimento 1958, “Infrared and Optical Masers,” hanno proposto di utilizzare un brevettato Fabry-Pérot, due specchi paralleli, come la cavità risonante, con uno specchio fatto parzialmente trasparente per permettere ai suoi decessi coerenti

La prima luce: il laser Ruby di Maiman

Mentre molti gruppi hanno inseguito l'obiettivo utilizzando i gas, Theodore Maiman presso i laboratori di ricerca Hughes ha preso un percorso diverso. Ha scelto il rubino rosa, un cristallo di ossido di alluminio doppiato con una piccola concentrazione di ioni di cromo, che ha assorbito luce verde e blu e fluorescenza avvolto in rosso profondo.

Un'esplosione di tipi laser

Nel 1962, Robert Hall a General Electric ha creato il primo laser ad iniezione di semiconduttori da arsenide di galileo, convertendo la corrente elettrica direttamente in luce coerente, un passo cardine verso i dispositivi compatti ed efficienti che ora guidano gli ottici della fibra, gli scanner di codici a barre e i puntatori laser di Argo.

Come funziona un laser: i tre elementi essenziali

Indipendentemente dal tipo specifico, ogni laser è costituito da tre componenti fondamentali: un guadagno medio, una sorgente di pompa e un risonatore ottico. Il guadagno medio è il materiale attivo: gas, cristallo, semiconduttore, o fibra rara-terra-doppiata, in cui viene creato un inversione di popolazione. La pompa fornisce l’energia per sollevare atomi o molecole in stati eccitati; metodi comuni includono lampi, correnti elettriche o altri laser.

Applicazioni trasformative in società

La tecnologia di ultrasuoni e di sistemi laser a bassa velocità, che si basano su una tecnologia di analisi laser, sono stati utilizzati per la ricerca di sistemi di controllo laser, e per la ricerca di sistemi di controllo laser, e per la ricerca di sistemi di controllo di massa, per la ricerca di sistemi di controllo di massa, per la ricerca di sistemi di controllo di massa, per la ricerca di sistemi di controllo di sicurezza e di controllo.

Un'eredità di ricerca fondamentale

L’invenzione del laser è un monumento alla potenza della scienza guidata dalla curiosità. Nessun singolo scienziato ha inventato il laser da solo; piuttosto, è emerso da una catena di intuizioni che si estende alle equazioni di Maxwell, la quanta di Planck, l’emissione stimolata di Einstein, l’atomo di Bohr e l’ingegneria del microonde dell’era post-bellica.