Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
16 maja 1960 r. w Hughes Laboratory w kalifornijskim Cluver City Theodor "Ted" Maiman zainstalował jedną z dostarczonych właśnie z firmy General Electric spiralnych lamp błyskowych wokół różowego kryształu syntetycznego rubinu. Maiman nie działał po omacku - przeprowadzone przez niego w ostatnich miesiącach obliczenia wykazywały, mimo sceptycyzmu wielu ówczesnych badaczy, że rubin jest właściwym ośrodkiem, w którym można będzie uzyskać wzmocnienie światła dzięki wymuszonej emisji promieniowania. Kryształ, długości 1,5 cm i średnicy około 1 cm, pochłaniając światło z silnego błysku lampy, już przy pierwszej próbie wykazał niezwykłe własności emitowanego światła. Choć, co dziś wydaje się dziwne, nie próbowano zaobserwować wysyłanej wiązki, w owym rozbłysku czerwonego światła narodził się laser - wynalazek, który miał w ciągu następnego pół wieku odmienić oblicze naszej cywilizacji.
Wojenne wynalazki
Droga, na końcu której znalazł się pierwszy działający laser rubinowy, rozpoczęła się kilkadziesiąt lat wcześniej. Choć jest prawie pewne, że już w latach 30. wielu fizyków i inżynierów miało całą wiedzę potrzebną do zbudowania urządzenia wzmacniającego światło dzięki zjawisku emisji wymuszonej, potrzeba było kilku dekad, by doprowadzić 50 lat temu do pierwszej akcji laserowej.
II wojna światowa uświadomiła politykom i wojskowym, jak wielką rolę odgrywają na polu bitwy najnowsze technologie. W ciągu kilku lat nastąpił dramatyczny rozwój wielu dziedzin, w szczególności fizyki jądrowej, która doprowadziła koalicjantów do zbudowania bomby atomowej, oraz technologii radarowej, bez której nie sposób było prowadzić wojny na globalnych polach bitew, np. na oceanach. Amerykańska marynarka wojenna w pogoni za coraz dokładniejszymi celownikami do bombowców prowadziła podczas wojny badania nad rozwojem radarów, które używałyby coraz krótszych (czyli o większej częstości) fal radiowych. Typowy radar początku wojny pracował na falach o długości kilkudziesięciu centymetrów, co narzucało konieczność stosowania dużych anten, trudnych do zainstalowania na samolotach. W ciągu kilku lat udoskonalono techniki radarowe z użyciem fal dziesięcio-, a następnie trzycentymetrowych, co pozwoliło budować bardziej poręczne systemy naprowadzania. Po zakończeniu wojny fizycy z kilku grup w USA, pracujący do niedawna przy udoskonalaniu układów radarowych, kontynuowali prace nad źródłami mikrofal oraz ich zastosowaniami do badania struktury cząsteczek.
Rankiem 26 kwietnia 1951 r. jeden z nich, Charles H. Townes, podczas krótkiego pobytu w Waszyngtonie wybrał się na spacer do niewielkiego Franklin Park w centrum miasta. Rozmyślając o źródłach mikrofal na ławce otoczonej czerwonymi i białymi krzewami azalii, uświadomił sobie, że w ośrodku (np. gazie albo krysztale), który uda się doprowadzić do stanu nierównowagi termodynamicznej, tak że większość atomów znajdzie się w wyższym stanie energetycznym, możliwe będzie wzmocnienie promieniowania elektromagnetycznego - fal radiowych. Townes wiedział, jak przygotować wiązkę cząsteczek w stanie nierównowagi, wybierając tylko te z nich, które zostały wcześniej wzbudzone. Wiedział także, że do efektywnego wzmocnienia potrzebna będzie wnęka rezonansowa, do której doprowadzona zostanie wiązka wzbudzonych cząsteczek i słabe promieniowanie elektromagnetyczne, które ulegnie wzmocnieniu - zarówno wnęki rezonansowe, jak i cała technologia mikrofalowa została rozwinięta na potrzeby wojskowych układów radarowych dekadę wcześniej.
Życie z laserami
Prace nad prototypem wzmacniacza mikrofalowego, przy budowie którego użyto wielu elementów z wojskowych systemów radarowych, trwały do kwietnia 1954 r., kiedy to na Columbia University Townes wraz z dwoma studentami Jamesem P. Gordonem i Herbertem J. Zeigerem uruchomili pierwszy maser - czyli wzmacniacz mikrofal działający dzięki wymuszonej emisji promieniowania (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) w wiązce cząsteczek amoniaku. Zupełnie niezależnie od prac Amerykanów, w tym samym czasie w Moskwie dwaj radzieccy fizycy Aleksandr M. Prochorow i Nikołaj G. Basow zademonstrowali wzmacnianie mikrofal w wiązce molekularnej. Sześć kolejnych lat badań doprowadziło do budowy lasera - wzmacniacza działającego w zakresie fal optycznych.
Początek prac z laserami oznaczał również początek, trwającej bez mała trzydzieści lat, sądowej batalii o prawa patentowe. Mimo zakończenia w latach 80. sporów prawniczych, zdania historyków pozostają podzielone w kwestii tego, kto miał największy wkład w wypracowanie koncepcji lasera i komu należały się związane z tym profity. Podobnych wątpliwości nie miał komitet noblowski, w 1964 r. honorując Townesa, Prochorowa i Basowa nagrodą z fizyki "za fundamentalne prace w dziedzinie elektroniki kwantowej [termin stworzony przez Townesa], które doprowadziły do skonstruowania oscylatorów i wzmacniaczy wykorzystujących zasadę działania lasera-masera".
Pierwszy polski laser (helowo-neonowy) uruchomiono w Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie w zespole kierowanym przez (wówczas ppłk. dr. inż.) Zbigniewa Puzewicza 20 sierpnia 1963 r., zaś drugi - dwa dni później na Politechnice Warszawskiej.
Dziś miniaturowe lasery półprzewodnikowe pracują w każdym odtwarzaczu CD (podczerwone), DVD (czerwone) czy blu-ray (niebieskie). Telekomunikacja światłowodowa, która umożliwiła między innymi rozwój internetu, oparta jest na przesyłaniu impulsów laserowych mogących przenosić informacje z setek tysięcy rozmów telefonicznych i transmisji danych jednocześnie we włóknie światłowodowym średnicy ludzkiego włosa.
W medycynie użycie skalpeli laserowych, które podczas cięcia tkanek jednocześnie zamykają naczynia krwionośne, zmniejsza liczbę zabiegów, które trzeba wykonywać w pełnej narkozie. Standardową procedurą jest "spawanie" odklejonej siatkówki przy pomocy światła laserowego, coraz częściej wykonuje się też korekcję kształtu soczewki oka przy pomocy impulsów światła - tutaj istotne jest, by przezroczyste fragmenty rogówki można było błyskawicznie odparować, nie uszkadzając ich otoczenia.
Klasyczne ograniczenie rozdzielczości mikroskopu, używanego w każdym laboratorium biologicznym, wynikające z dyfrakcji światła, można pokonać dzięki użyciu chytrych sztuczek z zastosowaniem laserów. Jedną z nich jest barwienie niektórych części komórek i pobudzanie ich do świecenia światłem laserowym. Jeśli tak dobierzemy rodzaj barwnika oraz barwę i natężenie światła pobudzającego, że będzie możliwa tylko absorpcja dwóch fotonów jednocześnie, to zyskamy dwie rzeczy: poprawę rozdzielczości mikroskopu oraz możliwość zaglądania w głąb preparatu - można uzyskać obrazy tkanek i komórek w trzech wymiarach.
Nie sposób przecenić postępów, jakie dokonały się dzięki technologiom laserowym w nauce. Nasze rozumienie świata na poziomie atomów i molekuł, poznanie dynamiki reakcji chemicznych, właściwości niezliczonych materiałów - możliwe było dzięki dostępowi do bardzo wydajnych źródeł światła o doskonale kontrolowanych własnościach.
***
Jednym z problemów integracji układów laserowych w mikroskali jest ograniczenie rozmiarów rezonatora narzucone przez długość fali światła - w obszarze widzialnym około pół mikrometra. W ubiegłym roku zademonstrowano pierwszy spaser - mikroskopijnych rozmiarów układ optoelektroniczny, wykorzystujący tzw. plazmony powierzchniowe, mogący pracować jako generator lub wzmacniacz spójnego promieniowania elektromagnetycznego przy rozmiarach rzędu nanometrów. Układy tego typu pozwalają - na razie jedynie w teorii - osiągać niespotykane szybkości przełączania (milionowe miliardowych części sekundy) i wydają się bardzo obiecujące jako podstawowe komponenty, podobnie jak obecnie tranzystory krzemowe optycznych komputerów przyszłości, dziesiątki tysięcy razy szybszych od tych, które mamy do dyspozycji dziś.
Korzystałem z książki "How the Laser Happened" C. Townesa, zaś niepublikowane informacje o pierwszych polskich laserach uzyskałem dzięki uprzejmości pana Leszka Surażyńskiego z Wojskowej Akademii Technicznej.
Dr PIOTR WASYLCZYK jest adiunktem na Wydziale Fizyki UW. Pracuje w Laboratorium Procesów Ultraszybkich, m.in nad wytwarzaniem, pomiarami i zastosowaniami ultrakrótkich impulsów laserowych. Był stażystą Oksfordu, jest stypendystą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
