Inventarea laserului

Inventarea laserului

Inventarea laserului, Invenţii, Laser

Inventarea laserului datează din anul 1958, odată cu apariţia în publicaţia Physical Review a articolului „Masere din domeniul infraroşu şi vizibil” de Arthur L. Schawlow şi Charles H. Townes, ambii fizicieni angajaţi în cadrul Laboratoarelor Bell. Astfel se năştea un nou domeniu, care avea să ducă la apariţia unei industrii de miliarde de dolari. Schawlow şi Townes au început cercetările în anii 1940-1950, fiind interesaţi de domeniul spectroscopiei cu microunde şi de explorarea diferitelor caracteristici ale moleculelor. Aceştia nu-şi planificaseră să inventeze un dispozitiv care să revoluţioneze comunicaţiile sau medicina, ci încercau doar să creeze unul cu care să poată studia structuri moleculare.

Townes, având un doctorat în fizică obţinut la California Institute of Technology, s-a angajat în cadrul Laboratoarelor Bell în 1939, unde a studiat tuburile electronice cu vid, generatoarele de microunde şi sisteme magnetice, cu fizica stării solide şi cu emisiile de electroni de pe suprafeţe. La scurt timp după sosirea sa, grupului din care făcea parte i s-a cerut să înceapă realizarea unui sistem de bombardare cu navigare prin radar. Al doilea război mondial se purta atât pe câmpurile de luptă europene şi asiatice, cât şi în laboratoarele de cercetare. Deşi interesat de radioastronomie, Townes a lucrat la radar, ceea ce l-a ţinut concentrat asupra spectroscopiei cu microunde.

Radarul emite semnale radio cu lungimi de undă specifice care lovesc obiecte solide, cum ar fi navele de război sau avioanele, şi sunt reflectate înapoi la sistemul radar, unde pot fi corelate pentru identificarea obiectului şi a poziţiei acestuia. Sistemul de bombardare cu navigare prin radar dezvoltat de Townes utiliza lungimi de undă de 10 şi de 3 cm. Armata dorea folosirea unor lungimi de undă de 1,25 cm pentru ca avioanele să poată utiliza antene mai scurte. Townes era nedumerit: ştia că moleculele de gaz absorb undele cu anumite lungimi, ceea ce putea însemna că vaporii de apă atmosferici - sub formă de ceaţă, ploaie sau nori - ar fi absorbit semnalele de radar mai mici. Îngrijorarea lui s-a dovedit fondată: semnalul era într-adevăr afectat de prezenţa vaporilor de apă.

În 1948, după război, Townes a părăsit Laboratoarele Bell, mutându-se la Universitatea Columbia. Cei de acolo erau mai interesaţi de principiile de fizică, lucru care-l provoca. În plus, îi plăcea viaţa universitară. Schawlow, cu un doctorat în fizică obţinut la Universitatea din Toronto, a ajuns la Columbia cu o bursă de studii. A început să lucreze cu Townes în 1949. Townes a continuat să mediteze la posibilitatea folosirii unor emisii stimulate pentru studierea structurii moleculare a diferitor gaze.

Această provocare a dus la inventarea „maserului” (amplificare a microundelor prin emisie stimulată a radiaţiei), iar ulterior a „laserului” (amplificare a luminii prin emisie stimulată a radiaţiei). Townes a înţeles că, pe măsură ce lungimea de undă a radiaţiei microundelor se micşora, interacţiunile acesteia cu moleculele se intensificau, transformând-o într-un instrument spectroscopie mai puternic. Insă construirea unui dispozitiv capabil să genereze lungimile de undă necesare depăşea posibilităţile tehnice de fabricaţie ale acelei perioade. După un timp, Townes a avut ideea utilizării moleculelor pentru generarea frecvenţelor dorite.

Mai întâi trebuia rezolvate totuşi unele probleme de natură tehnică, de exemplu evitarea celei de-a doua legi a termodinamicii. Această lege spune, în principiu, că moleculele nu pot genera decât o cantitate limitată de energie, dar ideea eludării acestei legi i-a venit în timp ce participa la o conferinţă. În timpul unei plimbări matinale în Parcul Franklin (din Washington D.C.), Townes era profund frământat de această problemă. „Dar credeam că... ia stai puţin! Legea a doua a termodinamicii este valabilă în condiţii de echilibru termic. La noi nu este obligatoriu!” Scoase un plic din buzunarul hainei şi începu să calculeze de câte molecule avea nevoie într-un „rezonator” pentru a obţine energia de ieşire pe care o dorea. Întors la hotel, i-a împărtăşit această idee lui Schawlow, aflat şi el la Washington pentru o conferinţă. „Am discutat cu el despre acest lucru, iar Art a înţeles imediat şi a afirmat: Interesant.”

După ce s-a întors la Columbia, Townes l-a întrebat pe James P. Gordon, un doctorand, dacă doreşte să colaboreze la proiect, spunându-i: „Cred că o să meargă, dar nu pot fi sigur”. Ulterior, l-a angajat şi pe H.L. Zeiger să-l ajute. Schawlow nu lucra la maser, dar a spus: „Am observat rezultatele din caieţelul său de notiţe”. Mai târziu în cursul aceluiaşi an, Schawlow părăsea Columbia pentru un post de cercetător în cadrul Laboratoarelor Bell.

Lucra în domeniul supraconductibilităţii, astfel că nu a luat parte la dezvoltarea maserului în primii ani. Townes s-a hotărât să folosească amoniacul, un absorbant puternic care modifică lungimile de undă. Această substanţă era o „veche preferinţă” a sa, despre care ştia multe; avea cavităţile cu lungimea de undă necesară (1,25 cm), tehnicile, precum şi ghidurile de unde. Nu erau mulţi interesaţi de ideea lui cu privire la maser, astfel că şi-a continuat cercetarea „într-un stil de lucrare de doctorat”. După 3 ani, reuşise să-l pună în funcţiune.

În 1953, el, Gordon şi Zeiger au făcut demonstraţia unui dispozitiv funcţional pe care l-a numit „maser” (amplificare a microundelor prin emisie stimulată a radiaţiei), şi pe care l-a brevetat prin intermediul Universităţii Columbia. Townes a hotărât că unele lungimi de undă mai mici decât cele ale microundelor (cele din spectrul infraroşu şi vizibil) ar putea fi mai bune pentru spectroscopie decât lungimile de undă produse de maser. În 1956, Laboratoarele Bell i-au oferit lui Townes, aflat în continuare la Columbia, un post de consultant care i-ar fi permis să viziteze laboratoarele, să discute cu oamenii, să analizeze proiectele şi să facă schimb de idei. „Era un post de consultant foarte interesant, aşa că am acceptat.”

Townes se gândea în continuare la stimularea emisiei luminoase. Aflat la Laboratoarele Bell, a trecut şi pe la Schawlow (care îi devenise cumnat), aflat acolo de 5 ani. Ei colaboraseră şi înainte, fiind coautorii cărţii Spectroscopia cu microunde, apărută în 1955. Mai târziu, Schawlow povestea despre cercetarea lor: „începusem să mă gândesc serios la posibilitatea extinderii principiului maserului din regiunea microundelor în cea a lungimilor de undă mai mici, precum infraroşul. S-a dovedit că şi el se gândea la acelaşi lucru, astfel că ne-am hotărât să analizăm problema împreună”.

Schawlow a dorit să folosească un set de oglinzi, aşezate la fiecare capăt al cavităţii, pentru a respinge lumina pe un traseu de du-te-vino în vederea eliminării razelor de amplificare cu alte direcţii. Schawlow şi Townes au discutat problema în amănunt şi au început să lucreze la principiile unui dispozitiv capabil să furnizeze aceste lungimi de undă mai mici. Schawlow s-a gândit că dimensiunile oglinzilor ar putea fi ajustate pentru ca laserul să aibă o frecvenţă unică. Se putea alege o frecvenţă în cadrul unei lăţimi a liniei spectrale, iar dimensiunea oglinzii putea fi adaptată pentru amortizarea oricărei mişcări cu un unghi diferit.

Rezultatul final a fost eliminarea celei mai mari părţi a cavităţii, păstrându-se doar cele două capete. Cei doi au lucrat la proiect cu intermitenţe în următoarele luni. Schawlow lucra la dispozitiv, iar Townes la teorie. Schawlow s-a gândit şi la folosirea unor materiale solide pentru construirea unor laseri rezistenţi. Ei nu realizaseră încă un laser, dar colaboraseră în 1958, după cum am menţionat, la un articol ce extindea principiile maserului la regiunile optice ale spectrului. Au depus o cerere de brevet prin intermediul Laboratoarelor Bell, obţinându-l în 1960, acelaşi an în care Theodore Maiman construia un laser funcţional la Hughes Aircraft Company.

În 1961, Schawlow părăsea Laboratoarele Bell pentru a ocupa un post de profesor şi de cercetător la Universitatea Stanford („mi-au făcut o ofertă pe care nu am putut-o refuza”, povestea el), unde a dezvoltat procesul utilizării laserului în spectroscopie. În 1964, Townes a împărţit Premiul Nobel pentru fizică cu Aleksandr Prokhorov şi Nicolai Basov de la Institutul Lebedev din Moscova, pentru „realizări fundamentale în domeniul electronicii cuantice care au dus la construirea oscilatoarelor şi amplificatoarelor bazate pe principiul maser-laser”.

În 1981, Schawlow a împărţit, de asemenea, Premiul Nobel pentru fizică pentru „contribuţia sa la dezvoltarea spectroscopiei laser”. În acel moment, comentând distincţia primită de colegul său, Townes spunea: „A venit cu multă întârziere”. Schawlow şi-a amintit de anii în care lucrau la inventarea acestui dispozitiv: „Ne-am gândit că ar putea să aibă unele utilizări în ştiinţă şi în comunicaţii, dar nu ne gândeam la nici o aplicaţie specifică. Dacă ne-am fi gândit, poate că acest lucru ne-ar fi stânjenit şi nu ar mai fi mers la fel de bine”.

Check Also

Inventarea telegrafului

Ceea ce este interesant de remarcat este că Samuel F.B. Morse, inventatorul telegrafului, şi-a început …

Inventarea telefonului

Inventarea telefonului Inventarea telefonului, Invenţii, Telefon În mod ironic, inventarea telefonului a fost marcată de o lipsă …

Inventarea tancului

Ca armă militară, tancul a schimbat pentru totdeauna aspectul bătăliilor terestre. Acesta a apărut ca …

Inventarea şurubului

Se spune că în timpul unei vizite în Egipt, filozoful grec Arhimede ar fi realizat un …

Inventarea submarinului

Nu este nevoie să ne gândim prea mult pentru a putea aprecia efectul submarinului asupra …