โคมไฟควอนตัม: ประวัติความเป็นมาของหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ XX - เลเซอร์

แต่ความคิดในการสำรวจการปล่อยก๊าซเพื่อสังเกตการปล่อยก๊าซที่กระตุ้นในสมัยนั้นไม่ได้เกิดขึ้นกับใคร - หลังจากทั้งหมดนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สงสัยว่ามันมีอยู่จริง

และในปี 1913 อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ตั้งสมมติฐานว่าในการแผ่รังสีของดาวสามารถสร้างขึ้นภายใต้อิทธิพลของการกระตุ้นโฟตอน ในบทความคลาสสิก“ ทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสี” ซึ่งตีพิมพ์ในปี 2460 ไอน์สไตน์ไม่เพียง แต่อนุมานการดำรงอยู่ของรังสีดังกล่าวจากหลักการทั่วไปของกลศาสตร์ควอนตัมและอุณหพลศาสตร์ แต่ยังพิสูจน์ว่ามันสอดคล้องกันกับการแผ่รังสีกระตุ้น โพลาไรซ์) และอีกสิบปีต่อมา Paul Dirac ยืนยันและสรุปผลการวิจัยเหล่านี้อย่างเคร่งครัด

การทดลองครั้งแรก

งานของนักทฤษฎีไม่ได้สังเกตเลย ในปี 1928 Rudolf Ladenburg ผู้อำนวยการภาควิชาฟิสิกส์อะตอมที่สถาบันเคมีเชิงฟิสิกส์และเคมีไฟฟ้าของ Kaiser Wilhelm Society และนักเรียนของเขา Hans Kopfermann สังเกตการณ์การผกผันของประชากร (ดูภาพประกอบ "การขยายแสงควอนตัม") และแม่นยำในการทดลองกับหลอดนีออน แต่การกระตุ้นที่ปล่อยออกมานั้นอ่อนแอมากและเป็นการยากที่จะแยกความแตกต่างกับพื้นหลังของการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเอง มีเพียงขั้นตอนเดียวที่ยังคงอยู่ต่อหน้าเลเซอร์: เพื่อที่จะขยายการปล่อยก๊าซที่ถูกกระตุ้นมันเป็นสิ่งจำเป็นที่จะแนะนำการตอบรับเชิงบวกในสื่อกลางนั่นคือวางไว้ในเครื่องสะท้อน แต่เวลายังไม่มาสำหรับความคิดนี้

มีคนเพียงไม่กี่คนที่มีส่วนร่วมในการขยายสัญญาณแสงด้วยความช่วยเหลือของการกระตุ้นการปล่อยในช่วงทศวรรษที่ 1930 งานที่ร้ายแรงที่สุดในหัวข้อนี้คือวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของ Muscovite Valentin Fabrikant ตีพิมพ์ในปี 2483 2494 ใน Fabricant, F.A. Butaeva และ M.M. Vudinsky ยื่นคำร้องขอการประดิษฐ์วิธีการใหม่ของการขยายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการใช้สื่อที่มีการผกผันของประชากร น่าเสียดายที่งานนี้เผยแพร่หลังจาก 8 ปีและมีคนเพียงไม่กี่คนที่สังเกตเห็นและความพยายามในการสร้างแอมพลิฟายเออร์ออปติคัลที่ใช้งานได้ไร้ผล ในปี 1957 Fabrikant และ Butaeva ได้สังเกตการขยายควอนตัมของคลื่นแสงในการทดลองด้วยการปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านไอระเหยของปรอท แต่สิ่งนี้ยังคงเป็นความสำเร็จส่วนตัวของพวกเขา

ช้างนอนหลับได้อย่างไร

เส้นทางสู่การสร้างเลเซอร์ไม่ได้ถูกค้นพบโดยผู้เชี่ยวชาญด้านแว่นตา แต่โดยนักฟิสิกส์วิทยุผู้ซึ่งสามารถสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครื่องขยายเสียงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ตัวเรโซเนเตอร์และข้อเสนอแนะ พวกเขาคือผู้ที่ถูกกำหนดให้สร้างเครื่องกำเนิดควอนตัมแรกของรังสีที่ต่อเนื่องกันไม่ใช่แค่แสง แต่เป็นไมโครเวฟ

masers

ความเป็นไปได้ของการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้รับการยอมรับเป็นครั้งแรกโดย Charles Townes ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ความคิดนี้ทำให้เขาตกในฤดูใบไม้ผลิปี 2494 ขณะเดินไปตามแฟรงคลินสแควร์ในใจกลางกรุงวอชิงตัน (โดยวิธีการสวนสาธารณะขนาดเล็กนี้ถูกกำหนดให้ลงไปในประวัติศาสตร์ของทัศนศาสตร์ทางกายภาพมันอยู่ที่ 3 มิถุนายน 2423 ผู้ประดิษฐ์โทรศัพท์อเล็กซานเดอร์เบลล์ทดสอบอุปกรณ์ครั้งแรกซึ่งเขาคิดว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์หลักของเขา และด้วยลำแสงวันนี้ระฆังโฟโตโฟนถือเป็นระบบนำทางของระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง)

Townes ตระหนักว่ามันเป็นไปได้ที่จะสร้างเครื่องกำเนิดไมโครเวฟโดยใช้ลำแสงของโมเลกุลที่มีระดับพลังงานหลายระดับ ในการทำเช่นนี้พวกเขาจะต้องแยกจากกันโดยสนามไฟฟ้าสถิตและขับด้วยลำแสงของโมเลกุลที่ตื่นเต้นไปยังช่องโลหะที่พวกเขาจะไปที่ระดับต่ำกว่าปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อให้โพรงนี้ทำงานเป็น resonator ขนาดเชิงเส้นจะต้องเท่ากับความยาวของคลื่นที่ปล่อยออกมา Townes แบ่งปันความคิดนี้กับ James Gordon นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและผู้ร่วมงานวิจัย Herbert Zeiger สำหรับบทบาทของสื่อพวกเขาเลือกแอมโมเนียซึ่งเป็นโมเลกุลที่เมื่อผ่านจากระดับการสั่นสะเทือนที่น่าตื่นเต้นไปที่พื้นหนึ่งจะปล่อยคลื่นความยาว 12.6 มม. ในการสร้าง resonator ของโพรงที่มีคุณภาพสูงขนาดนี้ไม่ง่ายเกินไป แต่ก็ยังเป็นไปได้ ในเดือนเมษายนปี 1954 เมืองและกอร์ดอน (ซีเกอร์ออกจากมหาวิทยาลัยไปแล้ว) เปิดตัวเครื่องกำเนิดควอนตัมไมโครเวฟเครื่องแรกของโลก Townes เรียกอุปกรณ์นี้ว่า maser (MASER - Amplification ไมโครเวฟโดย Stimulated Emission of Radiation)

ในห้องปฏิบัติการการสั่นของสถาบันฟิสิกส์ของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสหภาพโซเวียตนักวิจัยอาวุโส Alexander Prokhorov และนักศึกษาระดับบัณฑิตของเขา Nikolai Basov จัดการกับหัวข้อเดียวกัน ในเดือนพฤษภาคมปี 1952 ที่การประชุม All-Union Conference ใน Radio Spectroscopy พวกเขาได้รายงานความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องขยายคลื่นไมโครเวฟไมโครเวฟควอนตัมที่ทำงานบนลำแสงของโมเลกุลของแอมโมเนียเดียวกัน ในปี 1954 ไม่นานหลังจากที่ปล่อยผลงานของ Townes, Gordon and Zeiger, Prokhorov และ "ตัดสินลง" Basov เผยแพร่บทความที่ให้เหตุผลทางทฤษฎีสำหรับการทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าว ในปีพ. ศ. 2507 Townes, Basov และ Prokhorov ได้รับรางวัลโนเบลจากการศึกษานี้

ตั้งแต่ไมโครเวฟจนถึงแสง

คงไม่เป็นการกล่าวเกินจริงที่จะกล่าวว่าในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ผีของเครื่องกำเนิดควอนตัมแบบออปติคัล (ซึ่งแตกต่างจากไมโครเวฟ) ปรากฏอยู่ในจิตใจของนักฟิสิกส์หลายคน - มากเกินไปที่จะบอกเรื่องทั้งหมด ในความเป็นจริงเพียงปัญหาของการขยายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่กระตุ้นโดยวิธีการตอบรับเชิงบวกไม่ได้รับการแก้ไข เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงถูกวัดในส่วนที่สิบของไมครอนการผลิตตัวสะท้อนเสียงปริมาณของขนาดดังกล่าวจึงไม่สมจริง อาจเป็นไปได้ว่าการสร้างแสงโดยใช้ตัวสะท้อนแสงแบบเปิดด้วยตาเปล่านั้นเป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Robert Dicke ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันรู้ตัวว่าในเดือนพฤษภาคมปี 1956 ได้นำแนวคิดนี้ไปใช้ในการยื่นขอสิทธิบัตร ในเดือนกันยายนปี 1957 ทาวน์สสรุปแผนสำหรับการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเช่นนี้ในสมุดบันทึกของเขาและเรียกมันว่าเป็นเครื่องฉายออปติคัล อีกหนึ่งปีต่อมาทาวน์สกับเพื่อนเก่าของเขาและน้องเขยอาเธอร์ชาฟลอฟและโปรเคฮอฟอิสระได้เขียนบทความที่มีเหตุผลทางทฤษฎีสำหรับวิธีการสร้างแสงที่สอดคล้องกันนี้

คำว่า "เลเซอร์" นั้นเกิดขึ้นก่อนหน้านี้ ตัวย่อภาษาอังกฤษ, การขยายแสงโดยการกระตุ้นการแผ่รังสี (ในการแปลความหมายของ "การขยายแสงโดยใช้การปล่อยรังสีกระตุ้น", แม้ว่าเลเซอร์จะไม่ได้เรียกกันทั่วไปว่าเลเซอร์ แต่เครื่องกำเนิดรังสีแทนการขยายด้วยรุ่น Gordon Gould นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของมหาวิทยาลัยโคลัมเบียผู้ซึ่งทำการวิเคราะห์อย่างละเอียดอย่างละเอียดเกี่ยวกับวิธีการได้รับรังสีกระตุ้นในช่วงแสง ในปลายฤดูใบไม้ร่วงปี 1957 คำนี้ปรากฏบนหน้าสมุดบันทึกซึ่งเขาเขียนความคิดและการคำนวณลงไป ในเวลานั้นโกลด์ไม่ได้เผยแพร่สิ่งใดดังนั้นจึงไม่ได้รับการยอมรับว่าเขาสมควรได้รับอย่างแน่นอน จริงในปี 1970 และ 1980 เขาประสบความสำเร็จในการอนุมัติคำขอสิทธิบัตรของเขาและในที่สุดก็เริ่มว่ายน้ำถ้าไม่ได้อยู่ในรัศมีแล้วในดอลลาร์

เลเซอร์

เลเซอร์ทำงานแรกออกมาจากมือของพนักงานของ Hughes Aircraft Corporation, Theodore Meyman ซึ่งเลือกทับทิมเป็นสื่อกลาง แร่นี้เป็นอลูมินาที่มีส่วนผสมของโครเมียมเล็กน้อยซึ่งให้สีแดง (อลูมินาบริสุทธิ์ไม่มีสี) Meiman ตระหนักว่าอะตอมของโครเมียมที่ถูกแยกด้วยช่องว่างขนาดใหญ่สามารถ“ ส่องแสง” ได้ไม่เลวร้ายไปกว่าอะตอมของก๊าซ เพื่อให้ได้รับการสะท้อนด้วยแสงเขาจึงพ่นเงินบาง ๆ บนปลายขนานที่ขัดของกระบอกทับทิมสังเคราะห์ กระบอกถูกผลิตขึ้นเป็นพิเศษโดยยูเนี่ยนคาร์ไบด์ซึ่งใช้เวลาห้าเดือนจึงจะเสร็จสมบูรณ์ Meiman วางคอลัมน์ทับทิมไว้ในหลอดเกลียวที่ให้แสงไฟกะพริบ เมื่อวันที่ 16 พฤษภาคม 1960 เลเซอร์ลำแรกของโลกที่ผลิตลำแสงแรก และในเดือนธันวาคมของปีนั้น Bell's Labs เปิดตัวเลเซอร์ฮีเลียม - นีออน (ใช้ส่วนผสมของฮีเลียมและนีออน) สร้างโดย Ali Javan, William Bennett และ Donald Harriot เรื่องบังเอิญเกิดขึ้น 50 ปีหลังจากที่ Claude หลงจินตนาการของผู้มาเยี่ยมชมงานนิทรรศการยานยนต์ของปารีสด้วยหลอดเรืองแสงของเขา เลเซอร์ของชวาและเพื่อนร่วมงานของเขาทำงานในอินฟราเรด แต่สองปีต่อมาไวท์และ Rigden บังคับเลเซอร์ฮีเลียม - นีออนให้เปล่งแสงสีแดง

คุณค่าทางวิทยาศาสตร์และประโยชน์ในทางปฏิบัติของเลเซอร์นั้นชัดเจนว่านักวิทยาศาสตร์และวิศวกรนับพันจากประเทศต่าง ๆ หยิบมันขึ้นมาทันที ในปีพ. ศ. 2504 ได้มีการเปิดตัวเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมตัวแรกเป็นเวลาห้าปีไดโอดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์, เลเซอร์ย้อมอินทรีย์, เลเซอร์เคมีและเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ ในปี 1963 Zhores Alferov และ Herbert Kremer ได้พัฒนาทฤษฎีของโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์เซมิคอนดักเตอร์อย่างอิสระบนพื้นฐานของเลเซอร์ที่ถูกสร้างขึ้นในภายหลัง (สำหรับงานนี้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลเมื่อ 6 ปีที่แล้ว) จนถึงปัจจุบันมันเป็นเรื่องยากที่จะหาสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่เลเซอร์ไม่ได้ใช้ แม้แต่การแจงนับอย่างง่ายของการปรับเปลี่ยนเลเซอร์ที่หลากหลายก็ยังสามารถพิมพ์ข้อความได้หลายหน้า แน่นอนนี่เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ XX เปลี่ยนแปลงชีวิตของเราไปตลอดกาล

บทความนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Popular Mechanics (ฉบับที่ 6 มิถุนายน 2549) คุณชอบบทความหรือไม่

ข่าวที่น่าสนใจที่สุดจากโลกแห่งวิทยาศาสตร์: การค้นพบใหม่ภาพถ่ายและข้อเท็จจริงที่น่าเหลือเชื่อในจดหมายของคุณ ตกลง ฉันเห็นด้วยกับกฎของเว็บไซต์ขอบคุณ เราได้ส่งอีเมลยืนยันไปยังอีเมลของคุณแล้ว

แนะนำ

Mitsubishi X-2 Shinshin: นักมวยญี่ปุ่นรุ่นที่ 5
2019
F-35 ของอังกฤษเป็นครั้งแรกที่บินด้วยกันกับ B-2 "ล่องหน"
2019
จักรวาลนี้อายุเท่าไหร่
2019