Wie Laser arbeiten wirklich

Am 16. Mai 1960 Theodore Maiman glänzte eine leistungsstarke Licht auf ein Rubin, teilweise mit Silber beschichtet und das Ergebnis war die weltweit erste Laser. Dieses bahnbrechende Gerät wurde jedoch nicht von einem einzigen Genie isoliert erstellt. Vielmehr war es das Ergebnis viele kluge Köpfe austauschen... an zumindest bis es Zeit war, die Gewinne aufzuteilen.

Frühe Geschichte

Die meisten Historiker verfolgen Sie die Entwicklung des Lasers zurück zu Albert Einstein, der im Jahre 1917, eines seiner "Gedankenexperimente", diesmal über das Phänomen der Energie Emission beteiligt war. Wie von anderen beschrieben: "ist ein Atom in einen angeregten Zustand, es kann spontan zerfallen in einem niedrigeren Energieniveau nach einiger Zeit Freisetzung von Energie in Form eines Photons, welche in eine zufällige Richtung ausgesandt wird. Diesen Vorgang nennt man spontane Emission."

Glauben, daß, wenn nur die richtigen Photon zur Verfügung standen "als Licht eine Substanz durchläuft, könnte es den Ausstoß von mehr Licht anregen:"Einstein postulierte, dass Photonen lieber gemeinsam reisen im gleichen Zustand.... Wenn ein streunender Photon die richtige Wellenlänge vergeht... seine Präsenz regt die Atome um ihre Photonen [stimulierte Emission genannt]... zu lösen und diese Photonen werden mit der identischen Frequenz und Phase als die ursprünglichen streunende Photon in die gleiche Richtung reisen. Erfolgt eine kaskadierende Wirkung: wie die Masse der identischen Photonen durch den Rest der Atome bewegt, werden je mehr Photonen emittiert werden, von ihren Atomen, sich ihnen anzuschließen. "

In 1928 Rudolph W. Landenburg bestätigt Einsteins Theorie der stimulierten Emission und begann die Suche nach was schließlich die Laser wird.

Kohärenz

Beachten Sie, es gibt ein fundamentalen Unterschied zwischen den beiden Arten von Emissionen: Wenn man spontan auftritt, wird Energie freigesetzt, zufällig und bei einer Vielzahl von Frequenzen; aber, wenn sie stimuliert wird, die frei werdende Energie spiegeln die Frequenz und Reisen in die gleiche Richtung wie die anregenden Photon mit der Wirkung, die in der Lage, "die ursprüngliche Eingabe von Strahlungsenergie zu verstärken".

Diese Fähigkeit der stimulierten Emission, weiterhin auf einem sehr engen Bereich der Frequenzen, seineKohärenzist der Schlüssel zur verstärkten elektromagnetischen Strahlung als ein Kommunikations-Tool (sowie eine intensive Energiequelle) nützlich machen: "vorherige Energiequellen Licht wie Glühlampen, sind"unzusammenhängend"Quellen, da sie gleichzeitig Energie über einen relativ großen Teil des elektromagnetischen Spektrums erzeugen. Radiofrequenz-Quellen, sind auf der anderen Seite sehr kohärent. Die Vorteile einer kohärenten Quelle sind viele [und umfassen die Möglichkeit,]... eine gewünschte Quelle beim Herausfiltern von allen anderen Informationen einzuholen. Würden Ihre Lieblings-Radiosender ausgestrahlt über einen breiten Teil des Spektrums (d. h. wenn es... waren... inkohärent...) würde treten Störungen.... "

Der MASER

Auf den ersten, Wissenschaftler verstärken und erzeugen Energie war eingeschränkt, die unteren und Mitte-Bereich des derelektromechanischen Spektrums, das von den tiefsten Frequenzen reicht: "wo Ihr AM Receiver betreibt. Nach und nach höhere Frequenzen werden Kurzwellen bezeichnet; VHF (bei sehr hoher Frequenz) mit den Bändern FM und TV; UHF (für ultra High Frequency); Mikrowellen, wo die meisten Radargeräte arbeiten; Infrarot oder Hitzewellen; Licht; Ultraviolett, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und schließlich der kosmischen Strahlung."

Im Jahr 1954 entwickelt Charles Townes und Jim Gordon der Columbia University in den USA, und Nicolay Basov und Alexsandr Prokhorov in Russland, den Vorläufer der Laser, MASER, kurze ForMicrowave Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, die Mikrowellen verstärkt separat.

Von begrenztem nutzen, Townes und seinem zukünftigen Schwager, Arthur Schawlow, kam mit einem Plan, veröffentlicht in Physical Review 1958, um höhere Frequenz Infrarot- und sichtbares Licht, wobei zu verstärken: "der Prototyp-Laser [wollte] mit ein paar Außenspiegel, eine an jedem Ende der erkennbare Kavität ausgestattet werden. Photonen von bestimmten Wellenlängen würde dann von den Spiegeln reflektiert und Reisen hin und her durch das erkennbare Medium. Auf diese Weise würden sie wiederum anderen Elektronen zurück in ihre Grundzuständen, noch mehr Photonen in der gleichen Wellenlänge emittieren entspannen verursachen.... "

Der LASER

Townes-Schawlow Vorschlag gerührt Theodore Maiman an Hughes Research Laboratory in Malibu, Kalifornien, war am 16. Mai 1960, der erste, der Strahlung aus dem sichtbaren Spektrum erfolgreich zu verstärken: "A Lichtquelle, in Form einer mächtigen Blitzröhre Lampe strahlt ein synthetischer Rubinkristall [mit zwei parallelen Flächen mit Silber beschichtet] die Energie über ein breites Band von Frequenzen absorbiert. Diese optische Energie regt die Atome zu einem höheren Energiezustand, aus denen die Energie in einem sehr schmalen Frequenzband reradiated ist. Die aufgeregt Atome sind mit einem optischen Resonator gekoppelt und angeregt, die Strahlung aussenden zusammen..."

Obwohl keine hellen Lichtstrahl in die erste Demonstration der Laserleistung, emittiert wurde, wie Townes erwähnt, das Gerät war, dennoch einen Laser weil es erzeugte Energie mit: " Eine Verengung der der Frequenzbereich darin enthaltenen gekennzeichnet. Dies war nur was vorhergesagt worden war [durch das Papier 1958 und war] definitive Beweis für Laser-Aktion. Kurz danach, wurden sowohl in Mainmans Labor bei Hughes Schawlow in den Bell Laboratories in New Jersey, leuchtende rote Flecken von Ruby Laserstrahlen gegen die Labor-Wand gesehen und bewundert...."

Patent Kampf

Ein frühes Mitglied von Townes' Team war Columbia University Student, Gordon Gould, die eine Reihe von Ideen in Bezug auf "" Pumpen"Atome zu höheren Energie damit sie Licht aussenden würde" für seine Diplomarbeit, die er mit Townes gemeinsam entwickelt. In der Tat war es Gould, die zunächst den Begriff Licht Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (LASER prägte).

Antizipation, dass seine Ideen in die Townes Forschung, Gould subsumieren würde begann, im Jahr 1957 Aufzeichnungen seiner Ideen, sogar so weit gehen und einige Seiten von seiner Notizbücher haben notariell beglaubigt. Wie ihre jeweiligen Ideen und Vorschläge kristallisiert wurde, stürzte beider Lager auf um ihre Rechte zu wahren: "Gould eingereicht eines Lasers patent im April 1959, aber dies wurde verweigert vom US-Patentamt zu Gunsten der Schawlow und Townes Optical Maser patent (verliehen 1960)... "

Nicht so unfair, wie es sich anhört, hatte Townes und Schawlow ihre Patent beantragt, im Auftrag von Bell Laboratories, neun Monate vor Gould eingereicht. Jedenfalls, nachdem das Patent erhielt Bell, ein "dreißig Jahr Patentkrieg," begann mit Gould Einreichung Anzug. Der Rechtsstreit zog sich jedoch schließlich im Jahre 1987 Gould begann gewinnende Siedlungen auf seine Patentansprüche. Bis zum Jahresende die juristische Schlacht Gould erhielt letztlich "48 Patente... für kommerziell wertvolle Aspekte des Lasers...."

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Für Verweise zu erweitern:

• Geniale Idee: Die ersten Laser
• Einstein sagt stimulierte Emission
• Elektromagnetischen Spektrums
• Der erste Laser (Townes)
• Eine Geschichte des Lasers
• Laser (Wikipedia)
• Laser-Fest: Frühe Geschichte
• Laser-Licht
• Besetzungsinversion (Wikipedia)
• Rede von Dr. Theodore H. Maiman (7. Juli 1960)
• Spontane und stimulierte Emission
• Angeregt von optischer Strahlung in Ruby

Melissa schreibt für die beliebten interessante Tatsache-Website TodayIFoundOut.com. Abonnieren Sie heute fand ich aus den "Täglich wissen" Newsletter, klicken Sie bitte hier oder wie sie auf Facebook hier. Sie können auch sie auf YouTube hier auschecken.

Dieser Beitrag wurde mit freundlicher Genehmigung von TodayIFoundOut.com neu aufgelegt wurden. Bild via Flickr / US Navy