كيف يعمل الليزرز والذي اخترعهم

2024 مؤلف: Sherilyn Boyd | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 09:38

في 16 مايو 1960 ، قام تيودور ميمان بتلوين ضوء ذو قوة عالية على روبي مغلف جزئيا بالفضة وكانت النتيجة أول ليزر في العالم. ومع ذلك ، لم يتم إنشاء هذا الجهاز الرائد من قبل عبقري واحد في عزلة. بدلا من ذلك ، كان ذلك نتيجة للعديد من الأفكار المتقاربة التي تتبادل الأفكار… على الأقل حتى حان الوقت لتفتيت الأرباح

التاريخ المبكر

على أكتاف العملاق

يتتبع معظم المؤرخين تطور الليزر إلى ألبرت أينشتاين ، الذي شارك في إحدى تجاربه الفكريّة في عام 1917 ، هذه المرة حول ظاهرة انبعاث الطاقة. كما وصفه آخرون: "إذا كانت الذرة في حالة مثارة ، فإنها قد تتحلل تلقائيًا إلى مستوى طاقة أقل بعد مرور بعض الوقت ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة على شكل فوتون ، والذي ينبعث في اتجاه عشوائي. تسمى هذه العملية بالانبعاث التلقائي ".

ويعتقد أنه إذا كان الفوتون الصحيح متاحًا "عندما يمر الضوء عبر مادة ، فإنه يمكن أن يحفز انبعاث المزيد من الضوء:"افترض أينشتاين أن الفوتونات تفضل السفر معا في نفس الحالة…. إذا مرت فوتونا طائش من الطول الموجي الصحيح… فإن وجودها سيحفز الذرات على إطلاق فوتوناتها [تسمى الانبعاث المحفّز]… وستسافر تلك الفوتونات في نفس الاتجاه مع التردد والطور المتطابقين مثل الفوتون الشارد الأصلي. وينتج عن ذلك تأثير متسلسل: حيث يتنقل حشد الفوتونات المتطابقة عبر بقية الذرات ، فسوف ينبعث المزيد من الفوتونات من ذراتها للانضمام إليها.

في عام 1928 ، أكّد رودولف دبليو لاندنبرغ نظرية آينشتاين للانبعاث المحفّز ، وبدأ البحث عن ما أصبح في النهاية الليزر.

منطق

لاحظ وجود اختلاف جوهري بين هذين النوعين من الانبعاثات: عندما يحدث المرء تلقائياً ، يتم إطلاق الطاقة عشوائياً وفي مجموعة متنوعة من الترددات ؛ ولكن عندما يتم تحفيزها ، فإن الطاقة المنطلقة ستعكس التردد والسفر في نفس اتجاه الفوتون المحفّز ، مع القدرة على "تضخيم" الإدخال الأصلي للطاقة الإشعاعية.

هذه القدرة من الانبعاث المحفزة لتبقى تركز على نطاق ضيق جدا من الترددات، و منطق، هو المفتاح لجعل الإشعاع الكهرومغناطيسي تضخيم مفيد كأداة اتصالات (وكذلك مصدر للطاقة مكثفة): "المصادر السابقة للطاقة الضوئية مثل المصابيح المتوهجة ، هي مصادر "غير متسقة" لأنها تولد الطاقة في وقت واحد على جزء كبير نسبيا من الطيف الكهرومغناطيسي. ومن ناحية أخرى ، تكون مصادر التردد الراديوي متماسكة للغاية. مزايا مصدر متماسك كثيرة [وتتضمن القدرة على]… الحصول على معلومات من مصدر مطلوب أثناء تصفية جميع الآخرين. إذا كانت المحطة الإذاعية المفضلة لديك ستبث على جزء كبير من الطيف (وهذا إذا كانت ….). قد تواجه تداخلاً… ".

The MASER

في البداية ، اقتصرت قدرة العلماء على تضخيم وتوليد الطاقة على المدى الأدنى والمتوسط من الطيف الكهرومغناطيسي ، الذي يمتد من أدنى الترددات: "حيث يعمل جهاز الاستقبال الخاص بك. وتسمى الترددات العالية تدريجيا موجة قصيرة. VHF (للتردد العالي جداً) يحتوي على نطاقات FM و TV ؛ UHF (للترددات العالية جدًا) ؛ الموجات الدقيقة ، حيث تعمل معظم الرادارات ؛ الأشعة تحت الحمراء أو موجات الحرارة. ضوء؛ الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة andاما وأخيراً الأشعة الكونية."

في عام 1954 ، قام تشارلز تاونز وجيم جوردون من جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة ، ونيكولاي باسوف وألكساندر بروخوروف في روسيا ، بتطوير السلفة بشكل منفصل للليزر ، و MASER ، اختصارًا لتضخيم الموجات الميكروية عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز ، والذي أدى إلى تضخيم الموجات الدقيقة.

من الاستخدام المحدود ، جاءت تاونز وصهره المستقبلي ، آرثر شوالو ، بخطة نُشرت في مراجعة البدنية في عام 1958 ، لتضخيم الأشعة تحت الحمراء عالية التردد والضوء المرئي ، حيث: "تم تجهيز ليزر النموذج الأولي بزوج من المرايا ، واحد في كل طرف من نهاية تجويف الليزر. ومن ثم ، تعكس الفوتونات ذات أطوال موجية محددة المرايا وتتنقل ذهابًا وإيابًا عبر وسيط الليزر. من خلال القيام بذلك ، فإنها تتسبب في جعل الإلكترونات الأخرى تسترخي مرة أخرى في حالاتها الأرضية ، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الفوتونات بنفس طول الموجة … ".

الليزر

طرح مقترح Townes-Schawlow Theodore Maiman من مختبر أبحاث Hughes في ماليبو ، كاليفورنيا ، والذي كان في 16 مايو 1960 أول من نجح في تضخيم الإشعاع من الطيف المرئي: "مصدر الضوء ، على شكل مصباح أنبوب فائق قوي ، يشع بلورة من الياقوت الاصطناعي [مع وجهين متوازيين مغلفين بالفضة] يمتص الطاقة على نطاق واسع من الترددات. هذه الطاقة الضوئية تثير الذرات إلى حالة طاقة أعلى حيث يتم إعادة تدوير الطاقة في نطاق ضيق جدًا من الترددات. تقترن الذرات المثارة بمرنان بصري وتحفز على بث الإشعاع معا … "

على الرغم من عدم إرسال أي شعاع ضوئي ساطع في العرض الأول لقوة الليزر ، كما لاحظت تاونز ، إلا أن الجهاز كان ، مع ذلك ، ليزرًا لأنه أنتج الطاقة بـ:تضييق ملحوظ لمدى الترددات التي يحتوي عليها. كان هذا ما تم التنبؤ به [بواسطة ورقة 1958 ، وكان] دليل واضح على إجراء الليزر. بعد ذلك بوقت قصير ، في كل من مختبر ماين في هيوز وفي شاولو في مختبرات بيل في نيوجيرسي ، شوهدت بقع حمراء زاهية من أشعة ليزر الياقوت التي تصطدم بجدار المختبر… ".

معركة براءات الاختراع

كان أحد أوائل أعضاء فريق تاونز هو طالب الدراسات العليا بجامعة كولومبيا ، غوردون غولد ، الذي ابتكر عددًا من الأفكار المتعلقة بـ "ضخ" الذرات إلى حالات طاقة أعلى حتى يبعث الضوء "لأطروحته العليا التي شاركها مع تاونز. في الواقع ، كان غولد هو أول من صاغ عبارة "تضخيم الضوء" عن طريق انبعاث إشعاع الإشعاع (LASER).

توقع أن أفكاره ستدرج في أبحاث تاونز ، بدأ غولد ، في عام 1957 ، بحفظ سجلات لأفكاره ، حتى الذهاب إلى حد أن بعض صفحات مفكراته قد تم توثيقها. ومع تبلور أفكارهم ومقترحاتهم ، هرع كلا المعسكرين للحفاظ على حقوقهم:قام جولد بتقديم براءة اختراع ليزر في أبريل 1959 ولكن تم رفض ذلك من قبل مكتب براءات الاختراع الأمريكي لصالح براءة اختراع ميكروفونات Schawlow و Townes (منحت عام 1960) …“

ليس من الظلم كما يبدو ، فقد تقدمت تاونز وشوولو بطلب للحصول على براءة اختراع ، نيابة عن مختبرات بيل ، قبل تسعة أشهر من تقديم جولد. على أي حال ، بعد منح براءة الاختراع لبيل ، بدأت "حرب براءات الاختراع لمدة ثلاثين عامًا" ، مع بدلة غولد. بدأت التقاضي ، ولكن في النهاية ، ابتداء من عام 1987 ، بدأ غولد في الفوز بالمستوطنات بناء على ادعاءات براءة اختراعه. بحلول نهاية المعركة القانونية ، تم منح Gould في النهاية "48 براءة اختراع… للجوانب ذات القيمة التجارية من أشعة الليزر… ".