Hatvan éve született meg a lézer

További Tech-Tudomány cikkek

Manapság senki sem lepődik meg azon, ha lézerrel találkozik. Sőt, inkább talán azon lepődhet meg az ember, hogy milyen sok helyen találkozik lézerrel: az irodában a nyomtatótól kezdve a boltokban a vonalkód-leolvasókon át az otthon a fiók mélyén tengődő gagyi lézermutatóig, vagy a manapság egyre kevésbé releváns DVD-lejátszókig. A lézerektől régóta nem lehet megszabadulni, már a popkultúrába is rég beették magukat – elég csak arra gondolni, amikor James Bondot majdnem kettészelte egy lézernyaláb az 1964-es Goldfingerben. A Star Warsra viszont semmiképpen ne gondoljanak, azok nem lézer-, hanem fénykardok, oké?

A lézer a mai napig elég futurisztikus koncepciónak tűnik, pedig az elméleti alapjait már több mint száz éve lefektették, az első működő eszközt pedig egészen pontosan ma 60 éve, 1960. május 16-án hozták működésbe. Ugyan a gyakorlati hasznát akkoriban még nem igazán értette senki, az idő a lézert igazolta, és mára tényleg nélkülözhetetlen eszközévé vált a mindennapjainknak. De pontosan mi a fene az a lézer, ki csinálta meg először, és hogy jutott el idáig?

Minden medve szereti a mézer

A lézer (és a mézer) alapjait Albert Einstein fektette le 1917-ben Zur Quantentheorie der Strahlung című tanulmányában [.pdf], melyben a legendás német fizikus Max Planck sugárzáselméletére alapozva arra jutott, hogy a közegen áthaladó fény bizonyos feltételek teljesülése mellett nemcsak gyengülni, hanem erősödni is tud. Az elektronok alapjáraton is vesznek fel, illetve bocsátanak ki fényt, Einstein azonban feltételezte, hogy lehet őket úgy gerjeszteni, hogy ne véletlenszerűen, hanem egy megadott hullámhosszon bocsássák ki a fényt. Ez a jelenség a stimulált emisszió, amelynek létezését 1928-ban bizonyították be, 1947-ben pedig demonstrálni is tudták a működését.

A stimulált emissziót először a legelső mézer (eredeti nevén maser, vagyis microwave amplification by stimulated emission of radiation) 1953-as megalkotásánál vetették be, amelynek működési elve hasonlít a lézeréhez, ám infravörös vagy látható sugárzás helyett mikrohullámokat erősített fel. A mézerrel kapcsolatban sok tudós elég szkeptikus volt, egyesek úgy gondolták, hogy eleve nem is fog működni, mások szerint nem érte meg a ráfordított erőfeszítést.

később Aztán viszonylag gyorsan kiderült, hogy a kétkedők ennél nagyobbat nem is tévedhettek volna.

Az eredeti mézert megalkotó Charles Hard Townes 1957-ben Arthur Leonard Schawlow oldalán vágott bele az infravörös lézerre vonatkozó kutatásba, menet közben azonban társával úgy döntöttek, hogy az általuk optikai mézernek hívott eszköz megalkotásánál inkább a látható fényre fordítják a figyelmüket. Az akkoriban a kutatókat foglalkoztató Bell Labs egy évvel később be is nyújtotta az erre vonatkozó szabadalmat, Townes és Schawlow pedig a Physical Review szaklapban közölték a számításaikat.

Velük párhuzamosan amúgy egy amerikai doktorandusz, Gordon Gould, valamint egy orosz, a harmonikus oszcillátorral áttörést elérő kutatócsoport is dolgozott a lézeren, végül pedig mindannyian arra jutottak, hogy optikai rezonátorral lehet létrehozni egy ilyen eszközt. A lézer névvel Gould állt elő egy 1959-es konferencián, bejegyeztetni azonban nem tudta az ötletét, mert a szabadalmi hivatal a Bell Labsnek tulajdonította azt. Ennek aztán közel három évtizeden át húzódó pereskedés lett a vége, de ez a történet szempontjából nem annyira számít, az első lézer megalkotása ugyanis egyiküknek sem jött össze.

Színre lép a lézer

Hogy működik a lézer?

A lézer feladata nagyon leegyszerűsítve annyi, hogy több milliárd atomot kényszerítsen rá arra, hogy fotonok billióit bocsássák ki, amelyek aztán szépen sorba állnak, és egy nagyon erősen koncentrált nyalábot alkotnak.

Ehhez nyilván szüksége van egy csomó atomra, valamint egy eszközre (például egy erős lámpára, vagy egy másik lézerre) amivel az elektronjaikat gerjeszteni lehet. Egy hagyományos vörös lézerben a fényforrás a rubin köré van tekerve, a felvillanásokkal pedig folyamatosan fotonokat pumpál a kristályba. A benne található elektronok ezek hatására magasabb energiaszintre kerülnek, majd kisvártatva visszatérnek nyugalmi állapotba, eközben pedig maguk is fotonokat bocsátanak ki.

Ez a spontán emisszió, ami természetes esetben is zajlik, ha azonban az így kibocsátott fotonok egy már gerjesztett állapotban lévő elektronnal találkoznak, akkor egy helyett két másik fotonunk lesz, így pedig a kibocsátott fény felerősödik – ez már a stimulált emisszió. A lézer egyik felén egy tükör található, ahonnan a fotonok folyamatosan visszapattannak, a másik felén pedig egy részleges tükör, amiről néhány foton visszapattan, néhány viszont átjut rajta. Ezekből lesz a lézersugár.

Pedig nem arról volt szó, hogy nem próbálkoztak volna, egyszerűen csak az történt, hogy a kaliforniai Hughes Kutatóintézetben dolgozó Theodore Maiman előbb építette meg a szerkezetet 1960-ban. Maiman május 16-án hozta először működésbe a saját lézerét, ami egy nagy teljesítményű lámpából, valamint egy ezüsttel bevont szintetikus rubinból állt, és 694 nanométeres hullámhosszú, vörös lézerfényt hozott létre. Maiman annak rendje és módja szerint leírta a tapasztalatait, majd a beszámolót benyújtotta a Physical Review szaklaphoz, ami azonban

mai szemmel nézve érthetetlen módon elutasította a történelmi kutatást.

Akkoriban többen azt gondolták, hogy ennek oka az lehetett, hogy a szaklap annyi tanulmányt kapott a mézerekről, hogy bejelentették, időlegesen nem is fogadnak be többet. A kutatást elutasító szerkesztő, Simon Pasternack azonban később bevallotta, hogy nem ez állt a háttérben. Elmondása szerint azért nem fogadták be Maiman tanulmányát, mert a kutató pont ekkor egy másik kutatásban is foglalkozott a rubin fénnyel való gerjesztésével, és számára úgy tűnt, hogy csak ugyanezt bontotta ki kicsit jobban. Maiman ennek ellenére nem adta fel, a Nature-höz fordult a felfedezéssel, az általában még válogatósabb lap pedig úgy döntött, hogy bevállalja a dolgot, és augusztus 6-án közölte a tanulmányt [.pdf].

A Hughes Kutatóintézet meg sem várta a publikáció napját, majdnem egy hónappal előbb bejelentették, hogy kutatójuk megalkotta az első lézert, ami rögtön elég nagy zűrzavart kavart. A nagyobb lapok címlapjain rögtön megjelent a halálsugaraktól való félelem, a teljesen logikus és érthető tanulmánnyal egyelőre nem találkozó tudósok nagy része pedig szkepticizmussal állt hozzá a dologhoz. Különösen azért, mert Maiman nem számolt be az eszköz által kibocsátott fényes nyalábról, pedig az akkori vélekedés alapján ez alapvető tulajdonsága volt a lézernek. A tudós ugyanakkor azt leírta, hogy a kibocsátott fény spektrumának vizsgálata során látszott, hogy abban jelentősen leszűkült a frekvenciák kiterjedése, ez pedig egybevágott azzal, amit a korábban megjelent, lézerre vonatkozó elméleti kutatásokban megjósoltak.

Maiman lézere ugyanakkor a korábban felmerült ötletek mellett egy sor olyan tulajdonsággal is rendelkezett, melyekre a demonstráció előtt nem számított senki:

Az egyik ilyen volt az, hogy Maiman olyan fényforrást használt, ami csak néhány milliszekundum erejéig villant fel, és gerjesztette az ásványt. Így a lézer csak rövid időre villant fel, ezalatt azonban sokkal erősebb volt, mint amire korábban számítottak. Az intézetben emiatt később még tovább csökkentették a felvillanás idejét, ezzel pedig több millió wattos energiaszintet tudtak elérni. A mai lézerek pedig már ezen is bőven túltesznek.
A másik érdekesség az volt, hogy Maiman lézere képes volt a rubinban egy lámpával elérni azt, hogy több részecske legyen nagyobb energiájú állapotban, mint kisebb energiájú állapotban, pedig korábban többek közt Schawlow is úgy vélte, hogy a rubint csak más módszerrel lehet kellőképpen gerjeszteni.

Problémák a megoldáshoz

Az első hagyományos lézer megjelenésekor a kutatók és a mérnökök sem igazán voltak felkészülve rá. Akkoriban félig viccesen, félig a kihívást felismerve csak úgy fogalmaztak, hogy

a lézer nem más, mint egy probléma után kutató megoldás.

Szerencsére hamar feltalálták magukat, a lézereket már a korai időszakban is több, elég érdekes kísérlethez használták fel. Elég csak arra gondolni, amikor 1969-ben lézerrel küldtek fénynyalábot a Holdon elhelyezett tükörre, a fény utazási idejéből pedig sikerült megbecsülni az égitest távolságát a Földtől. Maiman lézerét még 1960-ban követte az első infravörös gázlézer, és 1962-ben megalkották az első félvezető lézert is – ami azóta a leggyakoribb lézertípus lett, és mára a lézerek legfontosabb képviselőjének számít. Mostanáig csak az Egyesült Államokban több tízezer, a lézerhez köthető szabadalmat jegyeztek be.

Manapság szinte megszámlálhatatlan alfaja létezik már a lézereknek, és szinte nem is lehet olyan helyre menni, ahol ne találkoznánk valamilyen formában velük. Precíz lézerekkel vágják többek közt a ruháinkhoz használt anyagot, de az orvostudományban is népszerű a technológia – elég csak az anyajegyek eltávolítására, vagy a lézeres szemműtétekre gondolni. A kommunikációban szintén nélkülözhetetlen szerepe van, a száloptika mellett a lézert is gyakran használják adatok továbbítására. De az önvezető autók jelenlegi generációja is lézerek segítségével méri fel a saját környezetét.

Egy taktikai nagy energiatartalmú lézer (THEL) sugárirányító eleme 2002. november 4-én a San Francisco-i White Sands-ben.

Fotó: Getty Images / Getty Images Hungary

A haditechnikában szintén kiemelt szerepe van a lézereknek, és bár a Goldfingerben szereplő, sci-fibe illő lézerfegyverek a mai napig nem léteznek, a lézerirányítású rakéták és a lézeres irányzékok elég népszerűnek számítanak. Kísérletek persze előbbire is vannak, az űrbe telepített, nagy hatótávú lézerfegyverek annak idején kulcsszereplői voltak Ronald Reagan csillagháborús tervének. Ez ugyan a hidegháború végeztével feledésbe merült, a kutatók azonban nem adták fel a lézerfegyverek megalkotásának tervét, az amerikai légierő pedig tavaly májusban bejelentette, hogy a készülő lézerfegyverükkel le tudtak szedni több levegőből kilőtt rakétát. Két éve egy kínai cikk állította azt, hogy az ország hadserege működő lézerpuskát fejlesztett, de ennek hatékonyságával alighanem túloztak egy icipicit a kínaiak.

Az idők során az univerzumban több helyen találtak természetes lézereket is: a Mars és a Vénusz légkörében található, a napsugárzás által gerjesztett szén-dioxid felerősíti az infravörös fényt, és az univerzum gázfelhőiben is megfigyelhető a jelenség. Pont emiatt érdekes, hogy az összes elméleti tudás birtokában is évtizedeket vett igénybe az első lézer megalkotása, és felveti annak kérdését, hogy hány olyan jelenséget nem ismerünk még, és nem tudunk létrehozni, ami az univerzumban valahol természetesen történik. Szerencsére Theodore Maimannek köszönhetően a lézer már nem ilyen, a felfedezés jelentőségének fényében pedig elég különös, hogy míg az elméleti alapokat lefektető Townes és Schawlow egyaránt megkapták a Nobel-díjat, Maiman sosem részesült az elismerésben.