Bogdan Miś

Niech stanie się światłość (spójna), czyli masery i lasery

Kiedy w 1953 roku Amerykanin Charles Hard Townes wraz ze swymi dwoma uczniami – J. P. Gordonem i H. J. Zeigerem – demonstrował na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku dziwne urządzenie o tajemniczo brzmiącej nazwie maser, nie sądził zapewne, że gwarantuje sobie tym samym w dziesięć lat później Nobla i rozpoczyna całą epokę w historii nauki – epokę elektroniki kwantowej. Z całą pewnością nie miał zaś pojęcia o tym, że nad analogicznym rozwiązaniem pracują też za oceanem jego późniejsi współlaureaci, dwaj uczeni radzieccy, Mikołaj Basow i Aleksander Prochorow, którzy konstrukcję masera opisali już rok wcześniej. Ich urządzenie było wprawdzie gotowe do użycia nieco później niż aparat Townesa, ale było też nieco doskonalsze: potrafiło pracować w sposób ciągły, czego nie umiał maser amerykański. A jeszcze wcześniej ogólną ideę aparatu tego typu podał w 1943 roku radziecki optyk W. A. Fabrikant; odkrycie jego opublikowane zostało jednak dopiero w roku 1954 ze względu na tajność tych prac.

Zresztą w analizie genezy wynalazku można się cofnąć w czasie jeszcze bardziej, aż do publikacji Alberta Einsteina w 1916 roku, prac R. W. Landenburga z roku 1928, pierwszych doświadczeń W. E. Lamba i R. C. Retherforda z roku 1947 czy pewnej propozycji późniejszego noblisty Alfreda Kastlera z roku 1950. Tak jednak jest w nauce, że każde odkrycie opiera się na pracach poprzedników…

Słowo „maser” to skrót angielskiego określenia Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, oznaczające przyrząd wytwarzający lub wzmacniający spójne fale elektromagnetyczne w zakresie mikrofalowym. Działanie urządzenia – mówiąc zgrubnie – polega na doprowadzeniu pewnego układu atomów najpierw do takiego stanu, aby przeważały w nim tzw. elementy wzbudzone, zdolne do wymuszonej emisji promieniowania; uzyskuje się to przez dostarczenie do układu energii z obcego źródła w procesie zwanym obrazowo „pompowaniem” (tę właśnie ideę sformułował wspomniany wyżej Kastler). Teraz, po wzbudzeniu układu, doprowadza się doń słabą falę elektromagnetyczną, wymuszającą (czy też „stymulującą” – patrz nazwa urządzenia) wyzwalanie zmagazynowanej energii w postaci kwantów promieniowania; fala wymuszająca zostaje przy tym wzmocniona, zaś emitowane promieniowanie jest spójne i jednobarwne. Działanie masera jest więc wyraźnie dwuetapowe: najpierw dostarcza mu się energię, którą on w sobie w pewien sposób magazynuje, potem zaś energia ta momentalnie wyzwala się wskutek działania skierowanej w odpowiednie miejsce fali elektromagnetycznej, dając efekt wzmocnienia tej fali i zamiany jej w bardzo „wąską” spójną wiązkę. Oba etapy przebiegają bardzo szybko, wyzwalane energie bywają zaś niezwykle potężne.

W roku 1957 Charles Hard Townes i Arthur Leonard Schawlow, pracujący wówczas w Bell Labs, skupili swoją uwagę na maserach, działających w zakresie promieniowania podczerwonego (cieplnego). Dość szybko jednak doszli do wniosku, że bardziej obiecujące technicznie i ciekawsze naukowo będzie zajęcie się promieniowaniem widzialnym; mówili wówczas o „maserze optycznym”, który firma Bell Labs opatentowała w rok później. Odpowiednia praca Schawlowa i Townesa została niemal jednocześnie z patentem opublikowana w prestiżowym Physical Review (Vol. 112, wyd. 6).

W tym samym czasie młody fizyk Gordon Gould, przygotowując swoją rozprawę doktorską w Columbia University, badał poziomy energetyczne we wzbudzonym talu. Spotkał Townesa, zaczęli rozmawiać o wspólnych zainteresowaniach – i Gould wymyślił dla masera optycznego inną nazwę. Tę, pod którą urządzenie to jest dziś szeroko znane na całym świecie i obecne w milionach domów: laser.

Publicznie słowo to zostało użyte po raz pierwszy w roku 1959 w szeroko dziś znanej publikacji Goulda. Jako ciekawostkę można tu podać, że autor proponował w niej masery rentgenowskie (pracujące w zakresie promieniowania X) nazwać „xaserami”, zaś działające w zakresie ultrafioletu „uvaserami”; obie te nazwy nie uzyskały jednak żadnej popularności.

Publikacja Goulda nie ograniczała się oczywiście do propozycji nazw. Młody uczony przewidział i wstępnie przeanalizował niesłychane możliwości zastosowania laserów w spektrometrii, interferometrii, konstrukcji wydajnych radarów – a nawet w syntezie termojądrowej. W toku dalszej swej pracy badawczej Gould złożył do amerykańskiego Urzędu Patentowego odpowiednie wnioski; zostały one jednak odrzucone: patent przyznano w roku 1960 firmie Bell Labs, i ta właśnie data jest powszechnie przyjmowana za datę narodzin lasera. Zapoczątkowało to długotrwały proces sądowy o chwałę naukową i ogromne pieniądze, który trwał ponad 28 lat. W roku 1977 przyznano Gouldowi pierwszy niewielki patent, całkowite zaś zwycięstwo odniósł on przed sądem federalnym dopiero w roku 1987.

Rok 1960 jest jednak uznawany za datę narodzin lasera nie tylko ze względów formalnoprawnych. W tymże roku urządzenie – dotychczas tylko opisywane w publikacjach naukowych – zostało rzeczywiście zbudowane przez Theodore H. Maimana w Hughes Research Laboratories w kalifornijskim Malibu. Maiman wyprzedził zarówno zespół Townesa z Columbia University, jak i konkurencyjną grupę Schawlowa z Bell Labs, czy wreszcie samego Goulda z jego TRG (Technical Research Group).

Maiman użył w swym laserze syntetycznego kryształu rubinu i uzyskał spójną wiązkę światła czerwonego o długości fali 694 nanometrów. Nie udało mu się jednak uzyskać promieniowania ciągłego: jego laser pracował pulsacyjnie. Nieco później w tym samym roku 1960 fizyk z Iranu Ali Javan, pracując wspólnie z Williamem Bennetem i Donaldem Herriotem, zbudował pierwszy laser gazowy używając helu i neonu. Javan otrzymał za to w roku 1993 prestiżową nagrodę Albert Einstein Award.

Wkrótce pojawiła się idea budowy lasera półprzewodnikowego, ściślej zaś – półprzewodnikowej diody laserowej. Zaproponowali jej stworzenie wspomniany wyżej Javan oraz radziecki fizyk Mikołaj G. Basow, ten sam, który w roku 1954 zbudował z Prochorowem maser amoniakalny, zaś diodę taką rzeczywiście zademonstrował publicznie w 1962 roku Robert N. Hall. Użył on do budowy swego urządzenia arsenku galu, uzyskując emisję o długości fali 850 nm; to już był obszar promieniowania bliski podczerwieni. W tymże roku Nick Holonyak, Jr. zbudował laser emitujący promieniowanie widzialne. W roku 1970 Żores Alfierow z ZSRR oraz Morton Panish i Izuo Hayashi z Bell Telephone Laboratories niezależnie od siebie zbudowali lasery działające w sposób ciągły w temperaturze pokojowej.

Dziś laser jest w naszym życiu niemal wszechobecny. Używa się go w technologii materiałów do precyzyjnego cięcia, spawania i wiercenia otworów w trudno topliwych materiałach, zautomatyzowanego cięcia papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp. Używa się go do precyzyjnych pomiarów długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu, prędkości ruchu obrotowego. Używa się go do wytyczania torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, do precyzyjnego pozycjonowania złożonych konstrukcji. Jest obecny w medycynie i biologii, gdzie wykonuje się za jego pomocą mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, oczyszczanie zębów z próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne. Używa się go do zapisywania i odtwarzania dźwięków i obrazów. Służy w wojsku (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania), używany jest w holografii, w technologii chemicznej i w telekomunikacji (łącze laserowe, telekomunikacja światłowodowa). Bez niego nie byłoby w naszych komputerach napędów CD i DVD, nie mielibyśmy odtwarzaczy telewizyjnych, konsol z grami… Nie do pomyślenia byłby cały dzisiejszy przemysł fonograficzny i w ogóle show-business.

Użycie laserów zrewolucjonizowało więc nie tylko technikę i naukę, ale i życie codzienne – a nawet politykę: przypomnijmy, że istotą reaganowskich Wojen Gwiezdnych, których sama perspektywa złamała ekonomikę Związku Radzieckiego i przyczyniła się do jego upadku, były właśnie kosmiczne bronie laserowe. Lasery przyczyniły się do odkrycia i zbadania wielu zjawisk, a nawet stymulowały powstanie i rozwój całych nowych dziedzin nauki, takich jak elektronika kwantowa, optyka nieliniowa, holografia, optoelektronika.

Co nas czeka dalej? Fachowcy są zdania, że lasery nie wyczerpały jeszcze całego pola możliwych zastosowań; twierdzą oni, że urządzenia te czeka jeszcze – i to niebawem – piękna przyszłość. Chodzi teraz o uzyskanie większych mocy i energii promieniowania, zwiększenie sprawności i niezawodności działania, wreszcie uzyskania promieniowania spójnego w zakresie rentgenowskim. Czekają nas zastosowania w trójwymiarowym filmie i trójwymiarowej telewizji. Wielkie nadzieje łączy się z użyciem lasera w kontrolowanej syntezie termojądrowej, od kilkudziesięciu lat nieziszczonym marzeniu energetyków i fizyków. Słowem, laser – to bez wątpienia jeden z najdonioślejszych wynalazków minionego stulecia.