تاریخچه ای از لیزر
بخش اول
سفری در دنیای خارق العاده نور
در متن قصد داریم مرور زمانی از قابل توجه ترین پیشرفت های علمی مربوط به تقویت نور به روش گسیل القایی تابش (لیزر) ارائه کنیم. مطالب این مرور زمانی به صورت فهرست وار افراد و وقایعی که به تحول لیزر تا به امروز منجر شده اند را در بر می گیرد.
حقیقتاً کشف لیزر بدون درک این موضوع که نور شکلی از تابش الکترومغناطیسی است، امکان پذیر نبود.
مکس پلانک در سال ۱۹۱۸ جایزه نوبل فیزیک را برای کشف
اولیه انرژی کوانتومی دریافت کرد. پلانک برروی ترمودینامیک کار می کرد، تلاش او برای درک اینکه چرا تابش جسم سیاه تمام طول موج های نور را جذب می کند و هنگامی که گرم می شود تمام فرکانس های نور را به طور مساوی متشعشع نمی کند، به کشف انرژی کوانتومی انجامید.
پلانک در مهم ترین بخش کارهایش که در سال ۱۹۰۰ منتشر شد، رابطه ای بین انرژی و فرکانس تابش کشف کرد. او بیان می کرد که انرژی تنها می تواند در بسته های گسسته به نام کوانتا منتشر یا جذب شود. این نظریه، نقطه عطفی در فیزیک بود و به فیزیکدانانی همچون انیشتین الهام بخشید. در سال ۱۹۰۵، انیشتین مقاله خود را در رابطه با اثر فوتوالکتریک منتشر کرد، که طبق آن نور نیز انرژی خود را به صورت بسته هایی منتشر می کند، به این ترتیب ذرات کوانتومی گسسته نور به نام فوتون ها شناخته شدند.
فیزیکدانان جان امت[۱] (سمت چپ) و جان ناکلز[۲] از پیشگامان علوم رایانه در
آزمایشگاه لارنس لایومور[۳] در زمینه علوم و فنون لیزر و فیوژن به حساب می آمدند. در ضمن امت به عنوان مخترع معماری لیزری چند منظوره که امروزه استفاده می شود نیز شناخته می شود (آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور).
در سال ۱۹۱۷ انیشتین فرآیندی را مطرح کرد که امکان ساخت لیزر را فراهم می ساخت. این فرآیند گسیل القایی نام داشت. او بر این باور بود که علاوه بر جذب و گسیل نور به صورت خود به خود، الکترون ها را می توان تحریک کرد تا نور با طول موجی خاص منتشر شود. اما تقریباً ۵۰ سال پیش، دانشمندان توانستند این انتشارات را تقویت کنند. اثبات انیشتین کاملاً درست بود و مسیری را فراهم کرد تا امروزه لیزر به یک ابزار قدرتمند و در دسترس تبدیل گردد.
۲۶ آوریل ۱۹۵۱: چارلز هارد تاونز[۴] از دانشگاه کلمبیا در نیویورک، درحالیکه
روی نیمکتی در پارک واشنگتن نشسته بود ایده میزر (تقویت امواج ماکروویو توسط گسیل القایی تابش) در ذهنش شکل گرفت.
در ۱۹۵۴: تاونز با همکاری هربرت زیگر[۵] و دانشجوی کارشناسی ارشد جیمز گوردون[۶] اولین میزر را در دانشگاه کلمبیا به نمایش گذاشتند.
میزر آمونیاک، اولین دستگاهی بود که براساس پیش بینی های انیشتین ساخته شد و به این ترتیب نخستین تقویت کننده و تولید کننده امواج الکترومغناطیس توسط گسیل القایی ایجاد شد. میزر در طول موجی کمی بیشتر از یک سانتی متر تابش می دهد و تقریباً ۱۰ نانووات توان تولید می کند.
۱۹۵۵: در مؤسسه فیزیک پی. ان لبدو[۷] در مسکو، نیکلای باسف[۸] و الکساندر پروخف[۹] در حال تلاش برای طراحی و ساخت نوسانگرها بودند. آن ها یک روش برای تولید انرژی از جذب منفی پیشنهاد کردند که روش پمپاژ نامیده می شد.
۱۹۵۶: نیکلاس بلومبرگن[۱۰] از دانشگاه هاروارد، میزر حالت جامد ماکروویو را توسعه داد.
از این پس شمارش معکوس برای ظهور لیزر آغاز شد. این نخستین صفحه از نوشته معروف گوردون گلد[۱۱] است. او کسی است که در دست نوشته خود مخفف لیزر را تعریف کرد و عناصر ضروری برای ساختن آن را توصیف کرد. این نوشته نبرد سی ساله دادگاه برای حق ثبت اختراع لیزر بود. مهر و موم دفتر اسناد رسمی در گوشه بالا سمت چپ صفحه، تاریخ ۱۳ نوامبر ۱۹۵۷ قابل توجه است.
۱۴ سپتامبر ۱۹۵۷: تاونز طرح اولیه میزر اپتیکی را در یادداشت های آزمایشگاهی خود طراحی کرد.
۱۳ نوامبر ۱۹۵۷: دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کلمبیا، گوردن گلد ایده های خود را برای ساخت لیزر در یادداشت های خود ثبت کرد. این اولین بار بود که از مخفف لیزر استفاده شده است. چند سال بعد گلد از دانشگاه خارج می شود تا به شرکت تحقیقاتی خصوصی تی آر جی[۱۲] بپیوندد.
۱۹۵۸: تاونز، مشاور آزمایشگاه بل و همکارش آرتور شالو[۱۳]، محقق آزمایشگاه بل، مقاله ای مشترک در Physical Review Letters منتشر کردند که در آن نشان دادند که میزرها می توانند در مناطق نوری و مادون قرمز کار کنند و پیشنهاد می کنند که چگونه می توان از آن ها استفاده کرد. از طرفی در مؤسسه لبدو[۱۴]، باسف و پروخف در حال بررسی امکان استفاده میزر در مناطق نوری بودند.
آوریل ۱۹۵۹: گلد و تی ار جی برای ثبت اختراعات مرتبط با لیزر از ایده های
گاولد درخواست دادند.
۲۲ مارچ ۱۹۶۰: مجوز شماره ۲،۹۲۹،۹۲۲ ایالات متحده برای میزر اپتیکی که اکنون به نام لیزر شناخته شده است به تاونز و شالو اعطا می شود. درخواست گلد و تی آر جی رد می شود و این تبدیل به یک اختلاف حقوقی سی ساله بر سر اختراع لیزر می گردد.
۱۶ می ۱۹۶۰: تئودور میمن[۱۵]، فیزیکدان آزمایشگاه های تحقیقاتی هاگز[۱۶]در مالیبو، کالیفرنیا، اولین لیزر را با استفاده از یک استوانه از یاقوت مصنوعی راه اندازی می کند، یاقوتی که قطر آن ۱ سانتیمتر و طول آن ۲ سانتیمتر و پوشش انتهایی آن از جنس نقره است. این پوشش نقره ای انتهای استوانه را بازتابنده می کند تا به صورت یک رزوناتور فابری-پرو[۱۷] عمل کند.
۷ جولای ۱۹۶۰: هاگز یک کنفرانس مطبوعاتی برای اعلام موفقیت میمن برگزار کرد.
۷ ژوین ۱۹۶۰: پیتر سوروکین[۱۸] و میرک استونسون[۱۹] از مرکز تحقیقاتی آی بی ام توماس واتسون، لیزر اورانیوم یعنی یک دستگاه چهار مرحله ای حالت جامد را نمایش دادند.
دسامبر ۱۹۶۰: علی جوان، ویلیام بنت[۲۰] و دانالد هریوت[۲۱] از آزمایشگاه بل، لیزر هلیوم-نئون را توسعه دادند. اولین پرتو پیوسته نور در ۱٫۱۵ میکرون از لیزر هلیم-نئون آن ها ساطع شد.
۱۹۶۱: لیزرها از طریق شرکت هایی مانند تریون اینسترومنت[۲۲]، پرکین المر[۲۳] و اسپکترا-فیزیکس[۲۴] به بازار تجاری وارد می شوند.
مارس ۱۹۶۱: روبرت هلورث[۲۵] از آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز، در دومین گردهمایی بین المللی کوانتوم الکترونیک نشان داد که بهبود لیزر یاقوت با افزایش پالس قابل پیش بینی و کنترل است. او پیش بینی می کند که یک بازتاب از لیزرها و آینه ها به طور ناگهانی از یک مقدار بسیار کم به مقداری دیگر متغیر است.
اکتبر ۱۹۶۰: شرکت اپتیکی آمریکایی الیاس[۲۶]، اولین شرکت لیزر شیشه نیودیم (شیشه : Nd) را معرفی کرد.
دسامبر ۱۹۶۱: اولین درمان پزشکی با استفاده از لیزر توسط دکتر چالز کمپبل[۲۷] از مؤسسه چشم پزشکی در مرکز پزشکی پرزبیتاریان کلمبیا[۲۸] و چارلز کاوستر[۲۹] از یک شرکت اپتیکی در بیمارستان پرزبیتاریان کلمبیا در منهتن انجام شد. این درمان با کمک یک لیزر یاقوت آمریکایی برای از بین بردن یک تومور شبکیه استفاده شد.
۱۹۶۲: فرد مک کلانگ[۳۰] نظریه لیزری خود را اثبات می کند. این تئوری بیان می کند که تولید قله توان با استفاده از شاتر سلول کر[۳۱] سوئیچ شده الکتریکی، ۱۰۰ برابر بیشتر از لیزرهای معمولی یاقوت است. این تکنیک به منظور تشکیل یک پالس عظیم، Q سوئیچ کردن[۳۲] نامیده می شود. از مهم ترین برنامه های کاربردی اولیه این روش می توان به استفاده از آن در جوشکاری فنر ساعت اشاره کرد.
۱۹۶۲: گروه هایی از جی ای و آی بی اِم و آزمایشگاه لینکولن در اِم آی تی، همزمان یک لیزر گالیوم آرسنید تولید کردند که این لیزر یک دستگاه نیمه هادی بود و انرژی الکتریکی را مستقیما به نور مادون قرمز تبدیل می کرد، اما برای عملیات تولید پالس باید خنک می شد.
ژوئن ۱۹۶۲: آزمایشگاه های بل اولین لیزر بلور آلومینیم ایتریم (YAG) را ارایه دادند.
اکتبر ۱۹۶۲: نیکل هالونیاک[۳۳] محقق مشاور در یک آزمایشگاه عمومی الکتریک در سیارکوز- نیویورک، کار خود را بر روی لیزر دیود “قرمز مرئی” GaAsP (گالیوم آرسنید فسفید) منتشر کرد. منبعی متراکم و کارآمد از نور همدوس مرئی که امروزه پایه ای برای ال ای دی های قرمز در محصولاتی مانند سی دی ها، پخش کننده های دی وی دی و تلفن های همراه است.
تکنیک های نوری غیرخطی بی نهایت، موفق به تبدیل نور لیزر مریی به اشعه ایکس شده اند. که یک منبع سطح بالا از اشعه ایکس همدوس نرم را می سازد.
اوایل سال ۱۹۶۳: مجله بارون فروش سالیانه را برای بازار تجاری لیزر، ۱ میلیون دلار تخمین زد.
۱۹۶۳: لوگان هارگروو[۳۴]، ریچارد فورک[۳۵] و پلاک[۳۶] اولین لیزر با قفل شدگی مد را ارائه کردند؛ یک لیزر هلیوم-نئون با مدولاتور آکوستو اپتیک. حالت قفل شدگی برای مخابرات لیزری و همچنین لیزرهای فمتوثانیه بسیار اهمیت دارد.
۱۹۶۳: هربرت کرومر[۳۷] از دانشگاه سنتا باربارا کالیفرنیا، و تیم رادلف کازارینف[۳۸] و ژورس آلفرف[۳۹] از مؤسسه فنی فیزیک ای. اف ایوف[۴۰] در سن پترزبورگ روسیه؛ هر کدام به صورت مستقل ایده های خود را برای ساخت لیزر نیمه هادی از دستگاه های چندساختاری[۴۱] پیشنهاد دادند. در نهایت کرومر و آلفرف موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۰ شدند.
مارس ۱۹۶۴: پس از دو سال کار بر روی لیزرهای هلیوم-نئون و زنون، ویلیام بریجز[۴۲] از آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز موفق به کشف پالسی از لیزر یونی آرگون شد. اگر چه این لیزر بسیار ناکارآمد و بزرگ بود اما می توانست خروجی را در چندین طول موج قابل مشاهده و فرابنفش تولید کند.
۱۹۶۴: تاونز، باسوف و پروخروف جایزه نوبل فیزیک را برای کارهای اساسی خود در الکترونیک کوانتومی که منجر به ساخت نوسانگرها و تقویت کننده ها بر اساس اصول لیزر (میزر) شد، دریافت کردند.
۱۹۶۴: لیزر دی اکسیدکربن توسط کومار پاتل[۴۳] در آزمایشگاه بل اختراع شد. لیزری قدرتمند که در زمان خود به طور مداوم مورد استفاده قرار می گرفت و در حال حاضر نیز به عنوان یک ابزار برش در جراحی و صنعت استفاده می شود.
۱۹۶۴: لیزر Nd:YAG[44] توسط ژوزف ژیسیک[۴۵] و ریچارد اسمیت[۴۶] در آزمایشگاه بل اختراع شد. بعدها این لیزر برای کاربردهای زیبایی مورد استفاده قرار می گیرد؛ مانند تصحیح بینایی با لیزر[۴۷] و چسبندگی پوست.
یک لیزر در آزمایشگاه اپتیک فضایی مرکز تحقیقات الکترونیک[۴۸] توسط لول روزن[۴۹] (سمت چپ) و دکتر نورمن نیبل[۵۰] بررسی می شود. آن ها سطوح انرژی اتم ها را در حالت های برانگیخته به عنوان یک گام برای بهبود عملکرد لیزر در فضا مورد بررسی قرار دادند. مرکز تحقیقات الکترونیک در سپتامبر ۱۹۶۴ افتتاح شد. این آزمایشگاه در مدیریت قراردادها، کمک های مالی و کسب و کارهای دیگر ناسا را در New England از اداره سابق عملیات شمال شرقی (که در سال ۱۹۶۲ ایجاد شده بود) سبقت می گرفت، و در نهایت در سال ۱۹۷۰ بسته شد. تحقیق در مرکز منابع الکترونیک در ۱۰ آزمایشگاه مختلف انجام شد: هدایت فضایی، سیستم ها، کامپیوتر، تحقیقات ابزاری، اپتیک فضایی، تهویه مطبوع و توزیع قدرت، تابش مایکروویو، اجزای الکترونیک، شرایط و استانداردها و سیستم های کنترل و اطلاعات. محققین آن در زمینه هایی مانند ارتباطات مایکروویو و لیزر نیز کاوش می کردند. همچنین مینیاتورسازی و مقاوت تابش از سیستم های الکترونیکی، سیستم های کنترل و هدایت، تبدیل انرژی فتوولتائیک، دستگاه های نمایش اطلاعات، ابزارها و کامپیوترها و پردازش داده ها نیز از این تحقیقات بود. اگر چه مرکز تحقیقات الکترونیک ناسا بالاخره بسته شد، اما واقعیت این بود که این مرکز تا زمانی که ناسا برنامه های اصلی اش را حذف کرد و کارمندان حوزه های دیگر را کاهش داد رشد می کرد. بین سالهای ۱۹۶۷ و ۱۹۷۰، ناسا کارکنان خدمت حقوقی دائم خود را در کلیه مراکز به استثناء مرکز تحقیقات الکترونیک، که پرسنل آن سالانه تا تعطیل شدن آن در ژوئن ۱۹۷۰ افزایش یافته بود، تعدیل کرد (بایگانی ناسا).
۱۹۶۵: برای اولین بار در آزمایشگاه بل دو لیزر با فاز قفل شده[۵۱] ایجاد می شوند. این اختراع گامی بزرک در جهت ارتباطات نوری بود.
۱۹۶۵: جریوم کاسپر[۵۲] و جورج پیمنتل[۵۳] اولین لیزر شیمیایی، یک دستگاه هیدروکلرید ۳٫۷ میکرومتری را در دانشگاه کالیفرنیا برکلی به نمایش گذاشتند.
۱۹۶۶: چارکز کایو[۵۴] با همکاری جورج هاکهام[۵۵] در آزمایشگاه های استاندارد مخابرات کشفی می کنند که منجر به پیشرفت در فیبر نوری می شود. او محاسبه کرد که چگونه می توان نور را از طریق فیبرهای نوری شیشه ای در مسافت های طولانی انتقال داد. تصمیم گرفت تا با فیبر خالص شیشه ای، سیگنال های نور را در مسافت ۱۰۰ کیلومتر انتقال دهد، در حالی که در ۱۹۶۰ نور تنها در طول ۲۰ متر فیبر انتقال یافته بود. کایو موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۹ گردید.
۱۹۶۶: فیزیکدان فرانسوی، آلفرد کاستلر[۵۶] جایزه نوبل فیزیک را برای به کارگیری روش خود در برانگیختن اتم ها به حالت های انرژی بالاتر دریافت کرد. این تکنیک با نام “پمپاژ نوری” گامی مهم در جهت ساخت میزر و لیزر بود. او در بین سال های ۱۹۴۹ تا ۱۹۵۱ بر روی این روش کار کرده بود.
مارس ۱۹۶۷: برنارد سافر[۵۷] و بیل مک فارلند[۵۸] لیزر رنگینه قابل تنظیم را اختراع کردند (در کراد کورپ[۵۹] در سانتامونیکا-کالیفرنیا).
فوریه ۱۹۶۸: میمن و دیگر پیشگامان لیزر انجمن صنعتی لیزر را در کالیفرنیا تأسیس کردند که در سال ۱۹۷۲ به عنوان مؤسسه لیزر آمریکا معرفی گردید.
۱۹۷۰: گلد حق اختراع خود را از طریق دریافت یک دلار به علاوه ۱۰ درصد از سود آینده فروش TRG به دست می آورد.
۱۹۷۰: دانیلیچف[۶۰]، باسف و پاپف[۶۱] لیزر اکسایمر را در مؤسسه فیزیک پی. ان لبدو ساختند.
بهار ۱۹۷۰: گروه آلفرف[۶۲] در مؤسسه فنی فیزیک loffe و مورت پنیش[۶۳] و ایزو هایاشی[۶۴] در آزمایشگاه بل، اولین لیزرهای نیمه هادی دماسنجی پیوسته تولید می کنند. این لیزرها راه را برای تجاری کردن ارتباطات فیبر نوری باز می کنند.
۱۹۷۰: در کورنینگ گلاس ورکز[۶۵] (در حال حاضر با نام شرکت کورنینگ)، دکتر روبرت مورر[۶۶] و پیتر شولتز[۶۷] و دونالد کک[۶۸] نخستین فیبر نوری را با اتلافی به میزان ۲۰ دسی بل بر کیلومتر گزارش دادند. این گزارش نشان از قابلیت فیبر نوری در ارتباطات مخابرات داشت.
۱۹۷۰: آرتور اشکین[۶۹] از آزمایشگاه بل، دام اندازی نوری را کشف کرد. فرآیندی که در آن اتم ها توسط نور لیزر به دام می افتند. این کار اشکین را در زمینه دام اندازی و انبرک نوری به یکی از پیشگامان عرصه تبدیل کرده است. در حقیقت کار او پیشرفت مهمی در زیست شناسی و فیزیک محسوب می شود.
با گذشت تنها یک دهه از اختراع لیزر مشخص شد که لیزر نقطه عطفی در تحولات دانش و فناوری دنیا است. این تازه آغاز راه بود و تحولات ناشی از ظهور لیزر به صورت روز افزون به توانایی تحقیقاتی دانشمندان و توسعه کسب و کار فعالان صنعتی می افزود. در شماره بعد به ادامه این تحولات می پردازیم.
منبع
Source: https://www.photonics.com/Articles/A_History_of_the_Laser_1960_-_2019/a42279
[۱] John L. Emmett
[۲] John H. Nuckolls
[۳] Lawrence Livermore
[۴] Charles Hard Townes
[۵] Herbert J. Zeiger
[۶] James P. Gordon
[۷] P.N. Lebedev
[۸] Nikolai G. Basov
[۹] Alexander M. Prokhorov
[۱۰] Nicolaas Bloembergen
[۱۱] Gordon Gould
[۱۲] TRG (Technical Research Group)
[۱۳] Arthur L. Schawlow
[۱۴] Lebedev
[۱۵] Theodore H. Maiman
[۱۶] Hughes
[۱۷] Fabry-Perot
[۱۸] Peter P. Sorokin
[۱۹] Mirek J. Stevenson
[۲۰] William Bennett Jr
[۲۱] Donald Herriott
[۲۲] Trion Instruments
[۲۳] Perkin-Elmer
[۲۴] Spectra-Physics
[۲۵] Robert W. Hellwarth
[۲۶] Co.’s Elias
[۲۷] Charles J. Campbell
[۲۸] Columbia-Presbyterian Medical Center
[۲۹] Charles J. Koester
[۳۰] Fred J. McClung
[۳۱] Kerr Cell
[۳۲] Q-switching
[۳۳] Nick Holonyak Jr
[۳۴] Logan E. Hargrove
[۳۵] Richard L. Fork
[۳۶] M.A. Pollack
[۳۷] Herbert Kroemer
[۳۸] Rudolf Kazarinov
[۳۹] Zhores Alferov
[۴۰] A.F. Ioffe
[۴۱] Heterostructure
[۴۲] William B. Bridges
[۴۳] Kumar Patel
[۴۴] Neodymium-doped YAG
[۴۵] Joseph E. Geusic
[۴۶] Richard G. Smith
[۴۷] lasik
[۴۸] Electronics Research Centers
[۴۹] Lowell Rosen
[۵۰] Norman Knable
[۵۱] Phase-Locked
[۵۲] Jerome V.V. Kasper
[۵۳] George C. Pimentel
[۵۴] Charles K. Kao
[۵۵] George Hockham
[۵۶] Alfred Kastler
[۵۷] Bernard Soffer
[۵۸] Bill McFarland
[۵۹] Korad Corp
[۶۰] V.A. Danilychev
[۶۱] Yu. M. Popov
[۶۲] Alferov
[۶۳] Mort Panish
[۶۴] Izuo Hayashi
[۶۵] Corning Glass Works
[۶۶] Robert D. Maurer
[۶۷] Peter C. Schultz
[۶۸] Donald B. Keck
[۶۹] Arthur Ashkin