Πώς καταφέρνουμε να δαμάζουμε το φως: η επανάσταση του λέιζερ

Ο κόσμος ήταν πολύ διαφορετικός το 1960. Παρά την ειρήνη που επιτεύχθηκε μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, η Ψυχρός πόλεμος Κάλυψε το μέλλον της ανθρωπότητας με ένα ζοφερό συναίσθημα. Ένα μέλλον που φαινόταν πολλά υποσχόμενο, οδηγούμενο από αγώνας στο διαστημα και η κατάκτηση του διαστήματος, η έλευση της τηλεόρασης στα σπίτια σε όλο τον κόσμο και το κύμα κοινωνικών αλλαγών που συνέβαιναν εκείνη την περίοδο. Η ανθρωπότητα βίωνε μια από τις περιόδους της μεγαλύτερης οικονομικής και δημογραφικής ανάπτυξης. Αυτός έκρηξη γεννήσεων έφερε μαζί του μια γενιά που θα αμφισβητούσε το status quo και θα επανεφεύρει τον τρόπο που ζούμε στην κοινωνία. Μέσα σε αυτόν τον ξέφρενο και περίπλοκο κόσμο, το λέιζερμια τεχνολογία που θα έφερε επανάσταση στον πολιτισμό μας, μερικές φορές σιωπηλά.

Πώς λειτουργεί ένα λέιζερ;

Όμως τα θεμέλια του λέιζερ χρονολογούνται πολύ πριν από το 1960. Στις αρχές του 20ου αιώνα συνειδητοποιήσαμε ότι ο υποατομικός κόσμος κβαντίστηκε. Τα σωματίδια και τα άτομα δεν θα μπορούσαν να έχουν καμία ποσότητα ενέργειας, αλλά μάλλον αυτή θα μπορούσε να αυξηθεί ή να μειωθεί σε βήματα συγκεκριμένων μεγεθών. Αυτό σήμαινε ότι το φως έπρεπε να συντεθεί “Ενεργειακά πακέτα” ή ότι τα ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να καταλάβουν καμία τροχιά γύρω από τον ατομικό πυρήνα. Κατά συνέπεια, όταν ένα ηλεκτρόνιο πέφτει από ένα τροχιακό με υψηλότερη ενέργεια σε ένα άλλο με χαμηλότερη ενέργεια, έβγαζε λίγο φως, ένα από αυτά τα μικρά πακέτα, με ακριβώς τη διαφορά ενεργειών μεταξύ των δύο τροχιακών. Αυτή η αυθόρμητη εκπομπή ενέργειας συμβαίνει με άτακτο και τυχαίο τρόπο. Ξεκινώντας το 1916, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι αυτή η εκπομπή θα μπορούσε να διεγερθεί ακτινοβολώντας ένα άτομο με φως ενέργειας παρόμοιας με τη διαφορά μεταξύ δύο τροχιακών. Αυτό διεγερμένη εκπομπή Μετά από αρκετές δεκαετίες έγινε το θεωρητικό θεμέλιο του λέιζερ. Το ίδιο το όνομα γεννήθηκε ως ακρωνύμιο του «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», που σημαίνει «ενίσχυση φωτός μέσω της διεγερμένης (ή επαγόμενης) εκπομπής ακτινοβολίας».

Εάν κάνουμε ένα συγκεκριμένο υλικό μέσο, ​​όπως ένα αέριο ή κρύσταλλο, να περιέχει αρκετά άτομα σε διεγερμένη κατάσταση, στην οποία το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε τροχιακό υψηλότερης ενέργειας, μπορούμε να εκπέμψουμε φωτόνια που διεγείρουν την εκπομπή περισσότερων φωτονίων σε σύγκριση με το αντίστοιχο του Ίσως θα τονώσουν περισσότερες εκπομπές. Αυτό αλυσιδωτή αντίδραση Μας επιτρέπει να λάβουμε μεγάλο αριθμό φωτονίων με την ίδια ενέργεια και που εκπέμπονται από κοινού. Αυτό δίνει στο φως που εκπέμπεται από ένα λέιζερ μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητές του: το συνοχή. Αυτό μπορεί να είναι τόσο χωρικό όσο και χρονικό. Η χωρική συνοχή μεταφράζεται σε α πολύ στενή δέσμη φωτός, με πολύ μικρή απόκλιση, που επιτρέπει τη συγκέντρωση όλης της ενέργειας λέιζερ σε μια πολύ μικρή περιοχή. Η χρονική συνοχή υποδηλώνει ότι αυτή η δέσμη θα σχηματιστεί από το φως που προέρχεται από μια ενιαία συχνότητα. Σε αντίθεση με το φως από τον Ήλιο ή έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως, που είναι ένα κράμα διαφορετικών συχνοτήτων, το λέιζερ έχει μία (ή σχεδόν μοναδική) συχνότητα και γι’ αυτό το βλέπουμε σε ένα συγκεκριμένο χρώμα, συνήθως κόκκινο ή πράσινο.

Λίγα ταραχώδη χρόνια

Το λέιζερ έχει αναδειχθεί ως η φυσική εξέλιξη του τεχνολογικού αδελφού του χαμηλότερης ενέργειας: ο μέιζερ. Το “m” που διαφοροποιεί το μέιζερ από το λέιζερ αναφέρεται στα μικροκύματα που εκπέμπονται. Το 1951 ο Αμερικανός φυσικός Τζόζεφ Βέμπερ εξήγησε σε μια επιστημονική εργασία πώς η διεγερμένη εκπομπή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός μέιζερ, κάτι που θα πετύχαινε Τσαρλς Τάουνς και η ομάδα του μόλις δύο χρόνια αργότερα. Ταυτόχρονα στη Σοβιετική Ένωση, φυσικοί Νικολάι Μπάσοφ και Αλεξάντερ Προκόροφ Εργάστηκαν πάνω σε αυτό το πρόβλημα και κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα πιο στιβαρό σχέδιο από το Townes. Και οι τρεις θα λάβουν το Νόμπελ Φυσικής το 1964 για αυτές τις εξελίξεις. Λίγα χρόνια μετά την κατασκευή των πρώτων μέιζερ, προτάθηκε η δυνατότητα κατασκευής παρόμοιων συστημάτων που εκπέμπουν ορατό φως. Το 1960 Theodore H. Maiman τα καταφερε. Από τότε αυτή η τεχνολογία έχει εξελιχθεί και ως εκ τούτου έφερε επανάσταση στον κόσμο μας.

Οι χίλιες χρήσεις του λέιζερ

Οι χρήσεις των λέιζερ σήμερα είναι τόσες πολλές και τόσο ποικίλες που θα μπορούσαμε να αφιερώσουμε ένα ολόκληρο κομμάτι μόνο για να τις αναφέρουμε. Μεταξύ των χρήσεων που βλέπουμε πιο συχνά είναι γραμμωτούς κώδικεςπου χρησιμοποιούν λέιζερ για ανάγνωση, εκτυπωτές λέιζερ, δείκτες λέιζερ ή θερμόμετρα λέιζερ, το οποίο κέρδισε ιδιαίτερη δημοτικότητα κατά τους χειρότερους μήνες της πανδημίας COVID-19. Μεγάλη παρουσία είχαν και στη βιομηχανία του θεάματος, αν και λιγότερο τώρα, με την εμφάνιση του CD και DVD. Το λέιζερ χρησιμοποιείται επίσης για την ανάγνωση παλαιών δίσκων βινυλίου, εξαλείφοντας την αρχική βελόνα που χρησιμοποιήθηκε για την αναπαραγωγή τους. Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται και ως διακοσμητικά σε πολλές παραστάσεις.

Σε τομείς που σχετίζονται με την ιατρική και το ανθρώπινο σώμα, το λέιζερ έχει βρει πολλαπλές χρήσεις. Ο επεμβάσεις με λέιζερ είναι κοινές, εκτός από τις θεραπείες με λέιζερ κατά της ακμής, αποτρίχωση με λέιζερ ή για την εξάλειψη των λίθων στα νεφρά. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται επίσης για την καταπολέμηση του καρκίνου προσβάλλουν όγκους μαζί της. Στη βαριά βιομηχανία, τα λέιζερ επιτρέπουν την κοπή, τη συγκόλληση, τη χάραξη, τη θέρμανση ή τον καθαρισμό διαφόρων υλικών, μεταξύ πολλών άλλων χρήσεων.

Στην επιστημονική έρευνα, τα λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί ξανά και ξανά σε αμέτρητα πειράματα. Στη διάρκεια Αποστολές Απόλλωνα από τη NASA Στη Σελήνη έμειναν ανακλαστήρες που σήμερα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της απόστασης από τον δορυφόρο μας με μεγάλη ακρίβεια. Οι ανιχνευτές βαρυτικά κύματα Χρησιμοποιούν τη μετατόπιση φάσης που προκαλείται στο λέιζερ που ρέει μέσω των βραχιόνων του ανιχνευτή για να τους ανιχνεύσει. Στην αστρονομία, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται συνήθως βαθμονομούν τηλεσκόπια. Αυτός ψύξη με λέιζερ Χρησιμοποιείται για να φτάσουμε στις χαμηλότερες δυνατές θερμοκρασίες, επιτρέποντάς μας να φτάσουμε σε λίγα εκατομμυριοστά του Kelvin από το απόλυτο μηδέν. Στους αντιδραστήρες πυρηνική σύντηξη Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για να προκαλέσουν αυτή τη διαδικασία, εστιάζοντας τη δέσμη πολλών ισχυρών λέιζερ σε δείγματα δευτερίου και τριτίου. Στο τηλεπικοινωνίες μεταξύ δορυφόρων ή λέιζερ χρησιμοποιούνται επίσης μεταξύ αυτών και των επίγειων σταθμών. Η δυνατότητα δημιουργίας ηλιακή ενέργεια σε τροχιά και να το μεταδώσει στο έδαφος χρησιμοποιώντας λέιζερ. Όπως μπορείτε να δείτε, οι χρήσεις αυτής της τεχνολογίας καλύπτουν ουσιαστικά όλες τις ανθρώπινες γνώσεις και ενέργειες. Χωρίς λέιζερ ο κόσμος μας θα ήταν πολύ διαφορετικός. Αλλά φυσικά όλα αυτά μόλις άρχισαν. Ο αριθμός των βραβείων Νόμπελ (όχι μόνο για τη φυσική) που απονέμονται για έρευνα που σχετίζεται με το λέιζερ καταδεικνύει την ευελιξία και τη σημασία αυτής της τεχνολογίας. Αυτή η ποσότητα αναμφίβολα θα συνεχίσει να αυξάνεται στο μέλλον και αναμφίβολα θα συνεχίσουμε να βρίσκουμε χρήσεις για αυτήν την διεγερμένη εκπομπή φωτός.

Βιβλιογραφικές αναφορές: