La invención del transistor fue el producto tecnológico más apasionante después de la Segunda Guerra Mundial, que impulsó en gran medida el desarrollo de la sociedad humana y el progreso de la civilización material en la segunda mitad del siglo XX. Sin embargo, casualmente, durante este período nació otro invento tecnológico importante: el máser y el láser. La invención de los másers y los láseres aprovechó los ricos logros de la teoría cuántica, la radioelectrónica, la espectroscopia de microondas y la física del estado sólido en el siglo XX, y también reunió los esfuerzos de un gran número de físicos. Muchos de estos físicos trabajaron en los Laboratorios Bell, el más destacado de los cuales fue el físico estadounidense C.H Townes, originario de Carolina del Sur, EE.UU., recibió su doctorado en el Instituto de Tecnología de California en 1939. Enter Bell. Laboratorios. Trabajó en radar durante la Segunda Guerra Mundial. Le gustaba mucho la física teórica, pero los militares tuvieron que obligarlo a participar en trabajos experimentales para que pudiera familiarizarse con tecnologías como las microondas. En aquella época se intentaba mejorar la precisión de las mediciones aumentando la frecuencia de funcionamiento del radar. La Fuerza Aérea de Estados Unidos pidió a sus laboratorios Bell que desarrollaran un radar con una frecuencia de 24.000 megahercios y el laboratorio encomendó la tarea a Downes.
Downs tiene su propia visión del trabajo. Creía que una frecuencia tan alta no era adecuada para el radar porque la radiación que observaba en esta frecuencia era fácilmente absorbida por el vapor de agua en la atmósfera, por lo que la señal del radar no podía propagarse en el espacio, pero las autoridades de la Fuerza Aérea de los EE. UU. insistieron en que lo hiciera. él. Como resultado, se construyó este instrumento. No tenía valor militar, pero se convirtió en un dispositivo experimental extremadamente ventajoso en manos de Downs, logrando altas frecuencias y altas resoluciones sin precedentes en ese momento. Downes se interesó por la espectroscopia de microondas y se convirtió en un experto en este campo. Utilizó este equipo para estudiar activamente la interacción entre microondas y moléculas y logró algunos resultados.
En 1948, Downs conoció a Rabi, un profesor de la Universidad de Columbia. El rabino le sugirió que fuera a la Universidad de Columbia. Esto era exactamente lo que quería Towns, por lo que ingresó al departamento de física de la Universidad de Columbia. Ha sido profesor titular allí desde 1950. La tecnología de radar implica la transmisión y recepción de microondas, ondas electromagnéticas con un espectro entre infrarrojos y ondas de radio. En Columbia, Downs continuó trabajando incansablemente en el importante tema de las microondas y las interacciones moleculares.
Downs anhelaba un dispositivo que pudiera producir microondas de alta intensidad. Los dispositivos comunes sólo pueden producir ondas de radio de longitud de onda larga. Si tuviéramos que utilizar un dispositivo de este tipo para generar microondas, el tamaño de la estructura del dispositivo tendría que ser muy pequeño, lo que lo haría prácticamente imposible.
Una mañana de 1951, Downs estaba sentado en un banco de un parque de Washington, esperando a que abrieran el restaurante para desayunar. Entonces de repente pensó: si se utilizaran moléculas en lugar de circuitos electrónicos, ¿no sería posible obtener ondas de radio con una longitud de onda lo suficientemente pequeña? Las moléculas tienen diversas formas de vibración, algunas de las cuales son como la radiación en el rango de las microondas. El problema es cómo convertir estas vibraciones en radiación. En el caso de las moléculas de amoníaco, en las condiciones adecuadas, vibran 2,4×1010 veces por segundo, lo que permite emitir microondas con una longitud de onda de 114 cm.
Imaginó que se podía enviar energía a las moléculas de amoníaco a través del calor o la electricidad, de modo que las moléculas de amoníaco quedarían en un estado "excitado". Luego, imagine que estas moléculas excitadas están en un haz de microondas con la misma frecuencia natural que las moléculas de amoníaco. Bajo la acción de este haz de microondas, las moléculas de amoníaco liberan energía en forma de microondas de la misma longitud de onda, que a su vez actúa sobre otra molécula de amoníaco, provocando que esta también libere energía. Este haz de microondas incidente muy débil equivale a desencadenar una avalancha, que eventualmente producirá un haz de microondas muy fuerte. De esta forma es posible amplificar el haz de microondas.
Downs pensó en todo esto en un banco del parque, anotando puntos clave en el reverso de un sobre usado. El equipo de Townes gastó casi 30.000 dólares en dos años de experimentos. Un día de 1953, Downs asistía a una conferencia sobre espectroscopia. Su asistente Gordon entró impaciente en la sala de conferencias y gritó: "Funciona".
Downs discutió con todos y le dio un nombre a este método. En inglés, se llama "Amplificación por microondas de emisión estimulada de radiación", o MASER para abreviar.
Los másers tienen muchos usos interesantes. La vibración de las moléculas de amoníaco es estable y precisa, y su frecuencia de microondas estable y precisa se puede utilizar para medir el tiempo. Desde este punto de vista, el máser es en realidad un "reloj atómico" cuya precisión es mucho mayor que la de todos los temporizadores mecánicos anteriores.
En 1957, Downes empezó a pensar en la posibilidad de diseñar un máser que pudiera producir luz infrarroja o visible en lugar de microondas. Él y su cuñado A.L. Schawlow publicaron un artículo sobre esto en 1958. El título del artículo es "Región infrarroja y máser óptico", que demuestra principalmente la posibilidad de extender la tecnología máser a la región infrarroja y la región de la luz visible.
Luo Xiao nació en 1921 en el estado de Nueva York, Estados Unidos. Después de graduarse de la Universidad de Toronto, obtuvo su maestría y doctorado. Después de la Segunda Guerra Mundial, Luo Xiao trabajó como becario postdoctoral con Downes por sugerencia de Rabi, estudiando la aplicación de la espectroscopia de microondas en la química orgánica. Los dos escribieron un libro llamado "Espectroscopia de microondas del 65438 al 0955", que es un trabajo autorizado en este campo. En ese momento, Schawlow era investigador en Bell Labs y Downs era consultor allí.
En 1957, cuando Luo Xiao empezó a pensar en cómo construir un máser de infrarrojos, Downs llegó a los Laboratorios Bell. Un día, mientras almorzaban, Downs habló de su interés por los láseres infrarrojos y visibles. ¿Es posible viajar a través del infrarrojo lejano y entrar directamente en la región del infrarrojo cercano o de la luz visible? La región del infrarrojo cercano fue relativamente fácil de implementar porque en ese momento ya se conocían las propiedades de muchos materiales. Sholo dijo que también estaba estudiando este problema y sugirió un etalón de Fabry-Perot como cavidad resonante. Los dos tuvieron una muy buena conversación y concertaron una cita para estudiar juntos. Downs le dio a Luo Xiao sus notas sobre máseres ópticos, que contenían algunas ideas y cálculos preliminares. Después de que el artículo de Luo Xiao y Downs fuera publicado en "Physical Review" en febrero de 1958, generó una fuerte respuesta. Este es un documento histórico importante en la historia del desarrollo del láser. Por lo tanto, Thomas ganó el Premio Nobel de Física en 1964 y Luo Xiao también ganó el Premio Nobel de Física en 1981.
Bajo la guía de la teoría de Sholo y Towns, muchos laboratorios comenzaron a estudiar cómo realizar máseres ópticos y se dedicaron a encontrar materiales y métodos adecuados. Sus ideas inspiraron a T. Maiman a construir el primer láser.
Maiman utilizó una vara de rubí para producir pulsos intermitentes de rojo. Esta luz es coherente, no se propaga a medida que viaja y permanece como un haz estrecho casi para siempre. Incluso si un rayo de este tipo impactara la Luna a 320.000 kilómetros de distancia, la mancha sólo se extendería a un alcance de dos o tres kilómetros. Su consumo de energía es muy pequeño, por lo que la gente piensa naturalmente en emitir haces de pulsos de luz a la superficie lunar para mapear la topografía de la luna. Este método es mucho más eficiente que los telescopios anteriores.
Una gran cantidad de energía se concentra en un haz muy estrecho, de modo que también puede usarse en medicina (por ejemplo, en algunas cirugías oculares) y en análisis químicos, donde puede vaporizar un pequeño punto de un objeto, realizando así estudios espectrales.
Esta luz es más monocromática que cualquier luz producida en el pasado. Toda la luz del haz tiene la misma longitud de onda, lo que significa que el haz puede modularse para transmitir información, de forma muy parecida a las portadoras de radio moduladas que se utilizan en las comunicaciones por radio ordinarias. Debido a que la luz tiene una alta frecuencia, su capacidad de información es mucho mayor que la de las ondas de radio con frecuencias más bajas dentro de una banda de frecuencia determinada. Ésta es la ventaja de utilizar la luz como portadora.
Se puede ver que el máser de microondas es un láser familiar. El nombre en inglés del láser también se puede transcribir como láser, que es la abreviatura de "amplificación de luz de emisión estimulada por radiación".
Maiman es el joven director del Departamento de Electrónica Cuántica del Laboratorio de Investigación Hughes en Estados Unidos. Recibió el doctorado de la Universidad de Stanford en 1955. Estudió espectroscopía de microondas, estudió máseres en el Laboratorio Hughes y desarrolló un máser de rubí, pero requirió enfriamiento con nitrógeno líquido y luego cambió a enfriamiento con hielo seco. No fue casualidad que Maiman fuera el primero en lograr un gran avance en los láseres de rubí, porque tenía muchos años de experiencia usando rubíes como máseres y previó la posibilidad de usar rubíes como láseres.
Este material tiene muchas ventajas, como una estructura de nivel de energía simple, alta resistencia mecánica, tamaño pequeño y sin necesidad de enfriamiento a baja temperatura. Pero en ese momento, sabía por la literatura que la eficiencia cuántica del rubí era muy baja y, de ser así, sería inútil. Maiman buscó otros materiales, pero no eran los ideales, por lo que quiso encontrar materiales similares basándose en las características del rubí. Para ello, midió la eficiencia de la fluorescencia de los rubíes. Inesperadamente, la eficiencia de la fluorescencia es 75, que está cerca de 1. Maiman se llenó de alegría y decidió utilizar Ruby como componente del láser.
A través de los cálculos, se dio cuenta de que lo más importante era tener una fuente de luz potente y con una temperatura de color alta (unos 5.000 K). Al principio se imaginó colocando la varilla de rubí en un cilindro ovalado con una lámpara de mercurio, que permitiría activarla. Sin embargo, pensándolo mejor, decidió utilizar una lámpara de xenón (Xe) en lugar de un funcionamiento continuo. Maiman consultó el catálogo y seleccionó una lámpara de flash producida por General Electric Company basándose en las especificaciones técnicas del producto. Se utiliza para fotografía aérea y tiene suficiente brillo, pero esta lámpara tiene una estructura en espiral y no es adecuada para condensadores de columna elíptica. Se le ocurrió otro método ingenioso para insertar una varilla de rubí en un tubo de luz en espiral. La varilla de rubí mide aproximadamente 1 cm de diámetro y 2 cm de largo y encaja perfectamente en el tubo de la lámpara. La película de plata se evapora en ambos extremos del rubí, dejando un pequeño agujero en el medio de la película de plata para permitir que escape la luz. El tamaño de la apertura se determina experimentalmente.
De esta manera, después de nueve meses de lucha, Maiman gastó 50.000 dólares para fabricar el primer láser. Sin embargo, cuando Maiman envió su artículo a Physical Review Letters, fue rechazado. El editor jefe de esta revista creyó erróneamente que todavía se trataba de maíz y que no era necesario publicarlo por correo urgente. Maiman tuvo que anunciar la noticia en el New York Times y la envió a la revista británica Nature para su publicación.
La noticia de la invención del láser de rubí por parte de Maiman se extendió inmediatamente por todo el mundo. Así nació el láser de helio-neón.
El láser He-Ne es un láser que se ha utilizado mucho en los últimos treinta o cuarenta años. Es un láser que utiliza gas como medio de trabajo y aparece junto a los láseres sólidos. Su nacimiento debe atribuirse en primer lugar a muchos años de experimentos que probaron y analizaron los niveles de energía del gas y a los investigadores teóricos que participaron en esta investigación. En la década de 1960, los espectroscopistas habían estudiado en detalle todos estos gases nobles.
Sin embargo, si se va a aplicar el láser de helio-neón al campo láser, se requiere que expertos en este campo realicen una exploración decidida. Fue la escuela de Thomas la que puso en marcha de nuevo el negocio. Otro de sus estudiantes de posgrado, Javan de Irán, tenía sus propias ideas. La idea básica de Jiawan es utilizar la descarga de gas para lograr la inversión del número de partículas.
Jiawan eligió por primera vez helio y neón como medio de trabajo, lo que fue una elección muy acertada. El rayo láser inicial es IR de 1,1,5 micras. El neón tiene muchas líneas espectrales y más tarde se utilizó comúnmente 6328 Angstroms. ¿Por qué Jiawan eligió 65 438 0,65 438 0,5 micrones en lugar de 6 328 Angstroms? Esta es también la obra maestra de Jia. Basándose en los cálculos, descubrió que la ganancia de 6 328 A era relativamente baja, por lo que preferiría elegir el más seguro de 1,15 micrones. Si tomas la línea roja de 6328 Angstroms desde el principio, definitivamente fracasarás.
Jia Wan y sus colaboradores colocaron una lente plana con 13 capas de película dieléctrica evaporante en ambos extremos de un tubo de cuarzo con un diámetro de 1,5 cm y una longitud de 80 cm, lo colocaron en un tubo de descarga y Usó radiofrecuencia para excitarlo. Se necesitaron entre seis y ocho meses para ajustar la orientación de los dos espejos planos. 1960 65438 12 de febrero finalmente recibió la radiación infrarroja.
En 1962, los colegas de Javan, White y Ricky, obtuvieron un rayo láser de 6328 angstroms. En este momento, el ajuste láser ha acumulado una gran experiencia. Riegerod y otros mejoraron el láser de helio-neón. Movieron el reflector desde el interior del tubo de descarga hacia el exterior, evitando un proceso complicado. La ventana se fija según el ángulo de Brewster y luego el reflector se convierte en un espejo cóncavo focal con igual radio.
Los láseres de helio-neón todavía se utilizan en la actualidad. Entre los distintos tipos de láseres, el láser de helio-neón es probablemente el más popular y utilizado. Después de los láseres de rubí y los láseres de helio-neón, han surgido uno tras otro láseres de dióxido de nitrógeno más eficientes y potentes y láseres semiconductores duraderos, inteligentes y convenientes que se han convertido en una parte importante de la alta tecnología moderna.