← all shorts

Physics

Light Marching in Perfect Lockstep

#085 · 5 min read

A glowing light bulb with a filament inside emits a warm glow against a dark background adorned with sparkling particles, symbolizing an idea or innovation.

On 16 May 1960, in a small lab in Malibu, a physicist named Theodore Maiman flashed a coiled lamp around a finger-sized rod of synthetic ruby. A pencil of deep red light came out the other end. It was the first laser, and almost nobody at the time could say what it was for.

In the months that followed, Theodore Maiman struggled to get the paper published. *Physical Review Letters* rejected it as derivative. The press conference his employer threw was attended mostly by reporters who wanted to know whether the device was a death ray. The phrase "a solution looking for a problem" stuck to lasers for the better part of a decade.

What Maiman had built was a way to make light behave like a marching column. Ordinary light, from sunlight to a candle to the bulb above your head, is a riot. Photons leave the source at every frequency the source can emit, in every direction, with their wave-crests scrambled against one another. A laser emits photons that share one frequency, one direction, and one phase. Trillions of them, moving as one.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

The trick is called stimulated emission, and Albert Einstein worked it out on paper in 1917.

Forty years of footnote

An atom in an excited state will eventually drop back to a lower state and emit a photon. Einstein noticed that if another photon of exactly the right wavelength happens to pass by first, the excited atom drops early, and the emitted photon comes out matched to the one that triggered it. Same wavelength. Same phase. Same direction. Two identical photons for the price of one.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

For forty years this was a curiosity. The problem was getting enough atoms into the excited state at the same time, a condition called population inversion, and then trapping the resulting photons long enough to multiply. In 1954 Charles Townes built a device that did it with microwaves and ammonia molecules. He called it a maser. Doing the same trick with visible light meant a smaller, faster, less forgiving cavity, and a way to pump the medium hard enough to invert a population in microseconds.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Maiman's solution was a polished cylinder of synthetic ruby, its ends silvered into a pair of mirrors, with a photographic flashlamp wrapped around it like a spring. The flash pumped chromium atoms in the ruby up to an excited state. One spontaneous photon travelling along the cylinder's axis triggered a cascade. The mirrors fed the cascade back through the medium. When the flux of identical photons grew strong enough, a coherent pulse leaked out of the partially-silvered end at 694 nanometres.

What coherence is for

A column of light in lockstep can do two opposite things very well. Spread it across a vast distance and it stays narrow enough to measure. Focus it down and it concentrates absurd amounts of energy onto an absurdly small spot.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

In 1969 the Apollo 11 astronauts left a panel of corner-cube reflectors on the lunar surface. Observatories on Earth still bounce green laser pulses off it, timing the round trip to measure the Earth-Moon distance to within a few millimetres. The Moon is receding from us at 3.8 centimetres a year; this is how we know. The Lunar Laser Ranging experiment has been running, with refinements, ever since.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

At the other extreme, an industrial fibre laser delivers tens of kilowatts onto a square millimetre and slices through steel plate as if it were cardboard. An ophthalmic excimer laser at a thousandth of that power reshapes a cornea by ablating tissue one micrometre deep without touching the layer beneath it. A telecommunications transceiver modulates a near-infrared diode laser at tens of gigahertz to push the internet down a strand of glass thinner than a human hair. A barcode scanner sweeps a milliwatt of red diode across a cereal box.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

The 2015 detection of gravitational waves at the LIGO observatories was, in the end, a laser measurement: two four-kilometre arms of stored laser light, watching for a difference in path length smaller than a thousandth of the diameter of a proton.

What we still don't know

We do not know the practical ceiling on coherent power. Petawatt-class lasers, built mostly for inertial-confinement fusion research at facilities like the National Ignition Facility, already concentrate more instantaneous power than the entire electrical grid of the planet into pulses lasting a few quadrillionths of a second. In December 2022 NIF crossed the energy-breakeven threshold for the first time. Whether such techniques scale into continuous outputs is open.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We do not know whether coherent light at X-ray and gamma-ray wavelengths will turn out to be as transformative as visible coherent light was. Free-electron lasers at facilities like DESY and SLAC are early in that story, imaging single molecules in flight before the X-rays themselves vaporise them.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

And we do not know what the device looks like that does for quantum information processing what the ruby laser did for classical optics. Trapped ions, superconducting circuits, photonic chips: several candidates exist, and none of them yet has a Maiman moment.

A red pulse in a Malibu basement, dismissed at the time as a laboratory curiosity. Sixty-six years on, every barcode scanner, every fibre cable under every ocean, every reading of the distance to the Moon, traces back to it.

1960年5月16日,马里布一间小小的实验室里,物理学家西奥多·梅曼将一盏螺旋形闪光灯绕在一根手指粗细的合成红宝石棒上,轻轻一触。深红色的一束光从另一端射出。那是世界上第一束激光——而当时,几乎没有人说得清它究竟有何用处。

在随后的数月里,Theodore Maiman费尽周折,试图将论文付梓发表。《物理评论快报》以"缺乏原创性"为由将其拒之门外。他的东家为此召开了一场新闻发布会,到场的记者大多只想知道这台装置是不是一种死亡射线。"一个寻找问题的解决方案"——这句话如影随形,缠绕着激光整整近十年。

梅曼所造之物,是一种让光如行伍般整齐划一的方法。寻常的光——无论是阳光、烛焰,还是你头顶的灯泡——都是一片混沌。光子以光源所能发出的每一种频率、向每一个方向离散而去,波峰彼此错位,毫无章法。激光所发射的光子则共享同一频率、同一方向、同一相位。万亿之众,浑然一体。

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

这一妙法称为stimulated emission,由阿尔伯特·爱因斯坦于1917年从理论上推导而出。

四十年的注脚

处于激发态的原子,终将跌回低能级并释放一个光子。爱因斯坦注意到:若有另一个波长恰好合适的光子抢先路过,受激原子便会提前跃迁,所发出的光子与触发它的那个一模一样——相同波长,相同相位,相同方向。一个光子,换来两个。

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

这个发现在此后四十年里不过是一件新奇之物。难题在于:如何同时让足够多的原子跃迁至激发态——这一状态称为population inversion——再将由此产生的光子束缚足够长的时间,使其得以倍增。1954年,Charles Townes以微波和氨分子为介质,造出了一台能够实现这一目标的装置,称之为"脉泽"(maser)。若要用可见光完成同样的把戏,则需要一个更小、更快、容错余地更小的谐振腔,以及一种能在微秒之内完成粒子数反转的泵浦方式。

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

梅曼的方案是一根抛光的合成红宝石圆柱体,两端镀银,构成一对反射镜,外缘则如弹簧般缠绕着一根摄影用的闪光灯管。闪光将红宝石中的铬原子激发至高能态。一个沿柱轴方向自发跃迁产生的光子,引发了链式反应。两端的镜子将这场雪崩不断回馈穿越介质。当同频光子的洪流强大到临界点,一束相干脉冲便从半镀银的一端泄出,波长694纳米。

相干性能做什么

步调一致的光柱,在两件截然相反的事情上都表现卓绝。让它穿越漫长的距离,它依然足够细窄,可供精确测量;将它聚焦,它便能将惊人的能量集中于小得荒唐的一个点上。

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

1969年,阿波罗11号的宇航员在月球表面留下了一块角隅棱镜阵列。地球上的天文台至今仍向它发射绿色激光脉冲,通过测量往返时间,将地月距离的精度锁定在数毫米以内。月球正以每年3.8厘米的速度远离我们——我们之所以知道这一点,正是借助于此。Lunar Laser Ranging experiment此后经过不断改进,延续至今。

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

在另一个极端,工业光纤激光器将数十千瓦的能量倾泻于一平方毫米之上,切割钢板如裁纸板。眼科准分子激光器以千分之一的功率重塑角膜,每次消融组织仅一微米之深,不触及其下丝毫。通信收发器将近红外二极管激光以数十吉赫兹的速率调制,将互联网信号推送过比发丝更细的玻璃纤维。超市的条形码扫描仪,用一毫瓦的红色二极管光扫过一盒麦片。

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

2015年,LIGO天文台探测到引力波,归根结底是一次激光测量:两条各长四公里、储存着激光的干涉臂,等待着捕捉一个比质子直径千分之一还要微小的路程差。

我们尚未知晓的事

我们不知道相干功率的实际上限在哪里。拍瓦量级的激光器——主要为惯性约束核聚变研究而建,National Ignition Facility便是其中之一——已能将超过全球电网总瞬时功率的能量,压缩进仅持续数千万亿分之一秒的脉冲之中。2022年12月,美国国家点火设施首次突破了能量增益的临界阈值。这类技术能否扩展至连续输出,至今悬而未决。

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

我们也不知道X射线和伽马射线波段的相干光,是否终将像可见相干光那般改变世界。DESY和SLAC等机构的自由电子激光器,在这个故事中尚处于开篇——它们能够在X射线本身将分子汽化之前,拍下单个飞行分子的影像。

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

我们同样不知道,那台将对量子信息处理带来如红宝石激光器之于经典光学一般深远革命的装置,究竟会是什么模样。囚禁离子、超导电路、光子芯片——候选者已有数位,却无一经历过属于自己的"梅曼时刻"。

马里布地下室里的一道红色脉冲,当年被不屑地视为实验室里的玩具。六十六年后,每一台条形码扫描仪,每一根铺设于大洋之底的光缆,每一次对月球距离的测量,都可以追溯至它。

El 16 de mayo de 1960, en un pequeño laboratorio en Malibú, un físico llamado Theodore Maiman hizo destellar una lámpara en espiral alrededor de una varilla de rubí sintético del tamaño de un dedo. Del otro extremo emergió un haz de luz rojo intenso. Era el primer láser, y casi nadie en aquel momento sabía para qué servía.

En los meses que siguieron, Theodore Maiman batalló para publicar el artículo. *Physical Review Letters* lo rechazó por considerarlo poco original. La rueda de prensa que organizó su empresa atrajo sobre todo a periodistas que querían saber si el aparato era un rayo de la muerte. La etiqueta de «una solución en busca de problema» acompañó a los láseres durante casi una década.

Lo que Maiman había construido era una manera de hacer que la luz se comportara como una columna en marcha. La luz ordinaria, desde la luz solar hasta una vela o la bombilla que tenemos sobre la cabeza, es un tumulto. Los fotones parten de la fuente en todas las frecuencias que esta puede emitir, en todas las direcciones, con sus crestas de onda desfasadas entre sí. Un láser emite fotones que comparten una sola frecuencia, una sola dirección y una sola fase. Billones de ellos, moviéndose al unísono.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

El truco se llama stimulated emission, y Albert Einstein lo desarrolló sobre el papel en 1917.

Cuarenta años de nota al pie

Un átomo en estado excitado acabará por regresar a un estado de menor energía y emitir un fotón. Einstein advirtió que si otro fotón de exactamente la longitud de onda correcta pasa por las proximidades antes de que eso ocurra, el átomo excitado cae prematuramente, y el fotón emitido sale en perfecta correspondencia con el que lo desencadenó. Misma longitud de onda. Misma fase. Misma dirección. Dos fotones idénticos al precio de uno.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

Durante cuarenta años, esto fue una curiosidad. El problema era conseguir que suficientes átomos alcanzaran el estado excitado al mismo tiempo —condición que se denomina population inversion— y luego retener los fotones resultantes el tiempo suficiente para que se multiplicaran. En 1954, Charles Townes construyó un dispositivo que lo conseguía con microondas y moléculas de amoníaco. Lo llamó máser. Realizar el mismo truco con luz visible exigía una cavidad más pequeña, más rápida y de márgenes más estrechos, además de un método para bombear el medio con la intensidad suficiente como para invertir una población en microsegundos.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

La solución de Maiman fue un cilindro pulido de rubí sintético, cuyos extremos plateados formaban un par de espejos, con una lámpara de destellos fotográfica enrollada a su alrededor como un muelle. El destello bombeó los átomos de cromo del rubí hasta un estado excitado. Un fotón espontáneo que viajaba a lo largo del eje del cilindro desencadenó una cascada. Los espejos devolvieron la cascada al interior del medio. Cuando el flujo de fotones idénticos fue lo bastante intenso, un pulso coherente escapó por el extremo parcialmente plateado a 694 nanómetros.

Para qué sirve la coherencia

Una columna de luz en perfecta sincronía puede hacer muy bien dos cosas opuestas. Extiéndela a lo largo de una gran distancia y permanece lo bastante estrecha para ser medida. Enfócala y concentrará cantidades absurdas de energía en un punto absurdamente pequeño.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

En 1969, los astronautas del Apolo 11 dejaron un panel de reflectores de cubo de esquina en la superficie lunar. Los observatorios de la Tierra siguen haciendo rebotar pulsos de láser verde en él, midiendo el tiempo de ida y vuelta para determinar la distancia Tierra-Luna con una precisión de pocos milímetros. La Luna se aleja de nosotros a razón de 3,8 centímetros al año; así es como lo sabemos. El Lunar Laser Ranging experiment lleva funcionando, con sucesivas mejoras, desde entonces.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

En el extremo opuesto, un láser de fibra industrial concentra decenas de kilovatios en un milímetro cuadrado y corta planchas de acero como si fueran cartón. Un láser excímer oftálmico, con una milésima parte de esa potencia, modela la córnea ablacionando tejido a una profundidad de un micrómetro sin tocar la capa inferior. Un transceptor de telecomunicaciones modula un láser de diodo de infrarrojo cercano a decenas de gigahercios para hacer pasar internet por una hebra de vidrio más delgada que un cabello humano. Un lector de códigos de barras barre con un milivatio de diodo rojo la superficie de una caja de cereales.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

La detección de ondas gravitacionales en los observatorios LIGO en 2015 fue, en el fondo, una medición láser: dos brazos de cuatro kilómetros de luz láser almacenada, a la espera de detectar una diferencia en la longitud del trayecto menor que una milésima parte del diámetro de un protón.

Lo que aún no sabemos

No conocemos el límite práctico de la potencia coherente. Los láseres de clase petavatio, construidos principalmente para la investigación de fusión por confinamiento inercial en instalaciones como el National Ignition Facility, ya concentran más potencia instantánea que toda la red eléctrica del planeta en pulsos de apenas unos femtosegundos de duración. En diciembre de 2022, el NIF superó por primera vez el umbral de equilibrio energético. Si estas técnicas pueden escalarse hasta generar potencia continua sigue siendo una incógnita.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

No sabemos si la luz coherente en longitudes de onda de rayos X y rayos gamma resultará ser tan transformadora como lo fue la luz coherente visible. Los láseres de electrones libres en instalaciones como DESY y SLAC están en los primeros capítulos de esa historia, obteniendo imágenes de moléculas individuales en vuelo antes de que los propios rayos X las vaporicen.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

Y no sabemos qué aspecto tendrá el dispositivo que haga por el procesamiento de información cuántica lo que el láser de rubí hizo por la óptica clásica. Iones atrapados, circuitos superconductores, chips fotónicos: existen varios candidatos, y ninguno ha tenido aún su momento Maiman.

Un pulso rojo en un sótano de Malibú, desdeñado en su momento como una curiosidad de laboratorio. Sesenta y seis años después, cada lector de códigos de barras, cada cable de fibra bajo cada océano, cada medición de la distancia a la Luna, se remonta a él.

Le 16 mai 1960, dans un petit laboratoire de Malibu, un physicien du nom de Theodore Maiman fit briller une lampe enroulée autour d'un cylindre de rubis synthétique grand comme un doigt. Un pinceau de lumière rouge sombre en émergea. C'était le premier laser — et presque personne, à l'époque, n'aurait su dire à quoi il pourrait servir.

Dans les mois qui suivirent, Theodore Maiman peinat à faire publier son article. *Physical Review Letters* le refusa, le jugeant sans originalité. La conférence de presse organisée par son employeur réunit surtout des journalistes qui voulaient savoir si l'appareil était un rayon de la mort. L'expression « une solution en quête de problème » colla aux lasers pendant près d'une décennie.

Ce que Maiman avait construit était un moyen de faire se comporter la lumière comme une colonne en marche. La lumière ordinaire — celle du soleil, d'une bougie ou de l'ampoule au-dessus de votre tête — est une anarchie. Les photons quittent la source à toutes les fréquences qu'elle peut émettre, dans toutes les directions, leurs crêtes d'onde mêlées les unes aux autres. Un laser émet des photons qui partagent une même fréquence, une même direction et une même phase. Des trillions, se déplaçant comme un seul.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

Ce mécanisme s'appelle l'stimulated emission, et Albert Einstein en établit la théorie sur le papier en 1917.

Quarante ans de note de bas de page

Un atome dans un état excité finit par retomber à un état d'énergie inférieur en émettant un photon. Einstein remarqua que si un autre photon de la longueur d'onde exacte vient à passer au bon moment, l'atome excité se désexcite prématurément, et le photon émis sort accordé à celui qui l'a déclenché. Même longueur d'onde. Même phase. Même direction. Deux photons identiques pour le prix d'un.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

Pendant quarante ans, ce fut une curiosité. Le problème était de porter suffisamment d'atomes à l'état excité simultanément — une condition appelée population inversion — puis de piéger les photons résultants assez longtemps pour qu'ils se multiplient. En 1954, Charles Townes construisit un appareil qui y parvint avec des micro-ondes et des molécules d'ammoniac. Il l'appela maser. Réaliser le même tour avec de la lumière visible exigeait une cavité plus petite, plus rapide, moins indulgente, et un moyen de pomper le milieu avec suffisamment d'énergie pour inverser une population en microsecondes.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

La solution de Maiman était un cylindre poli de rubis synthétique dont les extrémités argentées formaient une paire de miroirs, entouré d'une lampe flash photographique enroulée comme un ressort. L'éclair pompait les atomes de chrome du rubis jusqu'à un état excité. Un photon spontané se propageant le long de l'axe du cylindre déclencha une cascade. Les miroirs renvoyaient la cascade à travers le milieu. Lorsque le flux de photons identiques fut assez intense, une impulsion cohérente s'échappa par l'extrémité semi-argentée à 694 nanomètres.

À quoi sert la cohérence

Une colonne de lumière en cadence peut accomplir deux choses opposées avec une égale maîtrise. Étalée sur une grande distance, elle reste suffisamment étroite pour permettre des mesures. Concentrée, elle accumule des quantités d'énergie absurdes sur une surface absurdement petite.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

En 1969, les astronautes d'Apollo 11 déposèrent sur la surface lunaire un panneau de réflecteurs à coin de cube. Des observatoires sur Terre en font encore rebondir des impulsions laser vertes, mesurant le temps de l'aller-retour pour calculer la distance Terre-Lune à quelques millimètres près. La Lune s'éloigne de nous de 3,8 centimètres par an ; c'est ainsi que nous le savons. L'Lunar Laser Ranging experiment fonctionne, avec des améliorations successives, depuis lors.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

À l'autre extrême, un laser à fibre industriel délivre des dizaines de kilowatts sur un millimètre carré et découpe les plaques d'acier comme du carton. Un laser excimère ophtalmologique, à un millième de cette puissance, remodèle la cornée en ablatant les tissus sur un micromètre de profondeur sans toucher la couche inférieure. Un émetteur-récepteur de télécommunications module un laser à diode proche infrarouge à des dizaines de gigahertz pour faire transiter l'internet dans un fil de verre plus fin qu'un cheveu humain. Un lecteur de code-barres balaie un milliwatt de diode rouge sur une boîte de céréales.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

La détection des ondes gravitationnelles en 2015 dans les observatoires LIGO était, en définitive, une mesure laser : deux bras de quatre kilomètres de lumière laser stockée, guettant une différence de longueur de trajet inférieure au millième du diamètre d'un proton.

Ce que nous ignorons encore

Nous ne connaissons pas le plafond pratique de la puissance cohérente. Les lasers de classe pétawatt, construits principalement pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel dans des installations comme le National Ignition Facility, concentrent déjà davantage de puissance instantanée que l'ensemble du réseau électrique de la planète dans des impulsions durant quelques quadrillionièmes de seconde. En décembre 2022, le NIF franchit pour la première fois le seuil d'équilibre énergétique. La question de savoir si ces techniques peuvent être portées à des sorties continues reste ouverte.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Nous ne savons pas si la lumière cohérente aux longueurs d'onde X et gamma sera aussi transformatrice que ne l'a été la lumière cohérente visible. Les lasers à électrons libres dans des installations comme le DESY et le SLAC en sont aux premières pages de cette histoire, produisant des images de molécules individuelles en vol avant que les rayons X eux-mêmes ne les vaporisent.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

Et nous ne savons pas à quoi ressemble l'appareil qui ferait pour le traitement de l'information quantique ce que le laser rubis fit pour l'optique classique. Ions piégés, circuits supraconducteurs, puces photoniques : plusieurs candidats existent, et aucun n'a encore eu son moment Maiman.

Une impulsion rouge dans un sous-sol de Malibu, reléguée à l'époque au rang de curiosité de laboratoire. Soixante-six ans plus tard, chaque lecteur de code-barres, chaque câble en fibre sous chaque océan, chaque mesure de la distance à la Lune, remonte jusqu'à elle.

Em 16 de maio de 1960, num pequeno laboratório em Malibu, um físico chamado Theodore Maiman fez lampejar uma lâmpada espiral ao redor de uma haste de rubi sintético do tamanho de um dedo. Um lápis de luz vermelho-profundo saiu pela outra extremidade. Era o primeiro laser — e quase ninguém, na época, sabia dizer para que servia.

Nos meses que se seguiram, Theodore Maiman lutou para conseguir publicar o artigo. O *Physical Review Letters* recusou-o por considerá-lo derivativo. A conferência de imprensa organizada pela sua empresa foi frequentada sobretudo por jornalistas que queriam saber se o dispositivo era um raio da morte. A expressão «uma solução à procura de um problema» colou-se aos lasers durante quase uma década.

O que Maiman tinha construído era uma forma de fazer a luz comportar-se como uma coluna em marcha. A luz comum — do sol a uma vela, da vela à lâmpada acima da sua cabeça — é um caos. Os fotões partem da fonte em todas as frequências que a fonte consegue emitir, em todas as direções, com as cristas das suas ondas desalinhadas entre si. Um laser emite fotões que partilham uma única frequência, uma única direção e uma única fase. Biliões deles, a mover-se como um só.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

O mecanismo chama-se stimulated emission, e Albert Einstein deduziu-o no papel em 1917.

Quarenta anos de nota de rodapé

Um átomo num estado excitado acabará por regressar a um estado inferior e emitir um fotão. Einstein observou que, se outro fotão com exatamente o comprimento de onda certo passar antes, o átomo excitado transita antecipadamente, e o fotão emitido sai sincronizado com o que o desencadeou. Mesmo comprimento de onda. Mesma fase. Mesma direção. Dois fotões idênticos pelo preço de um.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

Durante quarenta anos, isto não passou de uma curiosidade. O problema estava em levar átomos suficientes ao estado excitado em simultâneo — uma condição chamada population inversion — e depois reter os fotões resultantes tempo suficiente para se multiplicarem. Em 1954, Charles Townes construiu um dispositivo que o conseguiu com micro-ondas e moléculas de amónia. Chamou-lhe maser. Aplicar o mesmo princípio à luz visível exigia uma cavidade menor, mais rápida e menos tolerante, bem como uma forma de bombear o meio com intensidade suficiente para inverter uma população em microssegundos.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

A solução de Maiman foi um cilindro polido de rubi sintético, com as extremidades prateadas para formar um par de espelhos, e uma lâmpada de flash fotográfico enrolada à volta como uma mola. O flash bombeava os átomos de crómio no rubi para um estado excitado. Um único fotão espontâneo a percorrer o eixo do cilindro desencadeava uma cascata. Os espelhos realimentavam a cascata através do meio. Quando o fluxo de fotões idênticos se tornava suficientemente intenso, um pulso coerente escapava pela extremidade parcialmente prateada a 694 nanómetros.

Para que serve a coerência

Uma coluna de luz a marchar em uníssono consegue fazer duas coisas opostas muito bem. Dispersa ao longo de uma vasta distância, mantém-se estreita o suficiente para ser medida. Focada, concentra quantidades absurdas de energia num ponto absurdamente pequeno.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

Em 1969, os astronautas da Apollo 11 deixaram um painel de retrorefletores de canto na superfície lunar. Observatórios na Terra ainda fazem pulsos de laser verde ricochetearem nele, medindo o tempo da viagem de ida e volta para determinar a distância Terra-Lua com precisão de alguns milímetros. A Lua afasta-se de nós 3,8 centímetros por ano; é assim que sabemos. O Lunar Laser Ranging experiment está em funcionamento, com aperfeiçoamentos, desde então.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

No extremo oposto, um laser de fibra industrial entrega dezenas de quilowatts num milímetro quadrado e corta chapa de aço como se fosse cartão. Um laser excimer oftálmico, com um milésimo dessa potência, remodela uma córnea ao ablacionar tecido a um micrómetro de profundidade sem tocar na camada abaixo. Um transcetor de telecomunicações modula um laser de díodo de infravermelho próximo a dezenas de gigahertz para enviar a internet por um fio de vidro mais fino do que um cabelo humano. Um leitor de código de barras varre um miliwatt de díodo vermelho sobre uma caixa de cereais.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

A deteção de ondas gravitacionais em 2015 nos observatórios do LIGO foi, em última análise, uma medição por laser: dois braços de quatro quilómetros de luz laser armazenada, a vigiar uma diferença de comprimento de percurso inferior a um milésimo do diâmetro de um protão.

O que ainda não sabemos

Não sabemos qual é o limite prático da potência coerente. Lasers da classe petawatt, construídos sobretudo para investigação em fusão por confinamento inercial em instalações como a National Ignition Facility, já concentram mais potência instantânea do que toda a rede elétrica do planeta em pulsos com duração de alguns femtossegundos. Em dezembro de 2022, a NIF cruzou pela primeira vez o limiar de equilíbrio energético. Se tais técnicas podem escalar para saídas contínuas permanece uma questão aberta.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Não sabemos se a luz coerente em comprimentos de onda de raios X e raios gama se revelará tão transformadora como foi a luz coerente visível. Os lasers de eletrões livres em instalações como DESY e o SLAC encontram-se no início dessa história, formando imagens de moléculas individuais em movimento antes de os próprios raios X as vaporizarem.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

E não sabemos qual será o dispositivo que faz pelo processamento de informação quântica o que o laser de rubi fez pela ótica clássica. Iões aprisionados, circuitos supercondutores, chips fotónicos: existem vários candidatos, e nenhum deles teve ainda um momento Maiman.

Um pulso vermelho numa cave em Malibu, descartado na época como uma curiosidade de laboratório. Sessenta e seis anos depois, cada leitor de código de barras, cada cabo de fibra sob cada oceano, cada medição da distância à Lua, remonta a esse instante.

في 16 مايو 1960، في مختبر صغير في ماليبو، قام فيزيائي يدعى ثيودور ميمان بإشعاع مصباح حلزوني حول قضيب بحجم الإصبع من الياقوت الاصطناعي. وخرج شعاع رفيع من الضوء الأحمر الداكن من الطرف الآخر. كان ذلك أول ليزر، ولم يكن أحد تقريباً في ذلك الوقت يستطيع تحديد دوره.

في الأشهر التي تلت ذلك، كافح Theodore Maiman لنشر ورقة البحث العلمية. ورفضتها مجلة *Physical Review Letters* باعتبارها عملاً مشتقاً. وحضر المؤتمر الصحفي الذي نظمته الشركة التي يعمل بها في الغالب مراسلون أرادوا معرفة ما إذا كان الجهاز يمثل شعاعاً للموت. والتصقت عبارة 'حل يبحث عن مشكلة' بالليزر لمعظم العقد التالي.

ما بناه ميمان كان طريقة لجعل الضوء يتصرف مثل طابور استعراض عسكري. فالضوء العادي، من ضوء الشمس إلى الشمعة والمصباح الذي يعلو رأسك، هو فوضى عارمة. تغادر الفوتونات المصدر بكل الترددات التي يمكن للمصدر أن ينبعث منها، في كل اتجاه، مع تداخل قمم موجاتها مع بعضها البعض. أما الليزر فيبعث فوتونات تتشارك في تردد واحد، واتجاه واحد، وطور موجي واحد. تريليونات منها تتحرك ككيان واحد.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

تسمى هذه الحيلة stimulated emission، وقد صاغها ألبرت أينشتاين على الورق في عام 1917.

أربعون عاماً كحاشية في الهامش

إن ذرة في حالة إثارة ستعود في النهاية إلى حالة طاقة أدنى وتبعث فوتوناً. ولاحظ أينشتاين أنه إذا مر فوتون آخر بطول موجي مناسب تماماً أولاً، فإن الذرة المثارة تهبط مبكراً، ويخرج الفوتون المنبعث متطابقاً مع الفوتون الذي حفزه. نفس الطول الموجي. نفس الطور. نفس الاتجاه. فوتونان متطابقان بسعر فوتون واحد.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

ولمدة أربعين عاماً، ظل هذا الأمر مجرد فضول علمي. وكانت المشكلة تكمن في إيصال ما يكفي من الذرات إلى حالة الإثارة في نفس الوقت، وهي حالة تسمى population inversion، ومن ثم احتجاز الفوتونات الناتجة لفترة كافية لتتكاثر. وفي عام 1954، بنى Charles Townes جهازاً فعل ذلك باستخدام الموجات الدقيقة وجزيئات الأمونيا، وأطلق عليه اسم الميزر. وكان القيام بالحيلة نفسها باستخدام الضوء المرئي يعني تجويفاً أصغر، أسرع، وأقل تسامحاً، وطريقة لضخ الوسط بقوة كافية لعكس التعداد السكاني للذرات في غضون ميكروثانية.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

كان حل ميمان عبارة عن أسطوانة مصقولة من الياقوت الاصطناعي، تم طلاء أطرافها بالفضة لتصبح زوجاً من المرايا، مع لف مصباح فلاش فوتوغرافي حولها مثل الزنبرك. وقام الفلاش بضخ ذرات الكروم في الياقوت إلى حالة إثارة. وحفز فوتون تلقائي واحد ينتقل على طول محور الأسطوانة سلسلة من الانبعاثات التلقائية المتتالية. وغذت المرايا هذه السلسلة لتعود عبر الوسط. وعندما تدفق فوتونات متطابقة بقوة كافية، تسربت نبضة متماسكة من الطرف المطلي جزئياً بالفضة عند 694 نانومتر.

ما فائدة التماسك

يمكن لعمود من الضوء في حالة تماسك وتوافق تام أن يفعل شيئين متعاكسين بشكل جيد للغاية. انشره عبر مسافة شاسعة وسيظل ضيقاً بما يكفي للقياس. ركّزه للأسفل وسيقوم بتركيز كميات هائلة من الطاقة على بقعة صغيرة للغاية بشكل لا يصدق.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

في عام 1969، ترك رواد فضاء أبولو 11 لوحة من عواكس المكعبات الركنية على سطح القمر. ولا تزال المراصد على الأرض ترتد منها نبضات ليزر خضراء، وتوقيت الرحلة الذهاب والإياب لقياس المسافة بين الأرض والقمر في حدود بضعة ملليمترات. ويتحرك القمر مبتعداً عنا بمعدل 3.8 سنتيمتر في السنة؛ وهذه هي الطريقة التي نعرف بها ذلك. وتستمر تجربة Lunar Laser Ranging experiment في العمل، مع إدخال تحسينات عليها، منذ ذلك الحين.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

وفي الطرف الآخر، يسلم ليزر الألياف الصناعية عشرات الكيلوواطات على ملليمتر مربع واحد ويقطع ألواح الفولاذ وكأنها من الورق المقوى. ويعمل ليزر الإكسيمر العيني بجزء من ألف من تلك القوة على إعادة تشكيل القرنية عن طريق استئصال الأنسجة بعمق ميكرومتر واحد دون المساس بالطبقة التي تحتها. ويقوم جهاز إرسال واستقبال اتصالات بتعديل ليزر الصمام الثنائي القريب من الأشعة تحت الحمراء بترددات تصل إلى عشرات الجيجاهرتز لدفع الإنترنت عبر خيط من الزجاج أرق من شعرة الإنسان. ويمسح ماسح الباركود مليواطاً واحداً من الصمام الثنائي الأحمر عبر علبة رقائق الحبوب.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

وكان رصد أمواج الجاذبية في عام 2015 في مراصد LIGO، في نهاية المطاف، قياساً بالليزر: ذراعان بطول أربعة كيلومترات من ضوء الليزر المخزن، يراقبان فرقاً في طول المسار أصغر من جزء من ألف من قطر البروتون.

ما لا نعرفه حتى الآن

لا نعرف الحد الأقصى العملي للطاقة المتماسكة. إن أجهزة الليزر من فئة البيتاواط، والتي بُنيت في الغالب لأبحاث الاندماج بالقصور الذاتي في مرافق مثل National Ignition Facility، تركز بالفعل طاقة لحظية أكبر من الشبكة الكهربائية بأكملها للكوكب في نبضات تدوم لبضع فمتوثانية (أجزاء من المليار من المليون من الثانية). وفي ديسمبر 2022، تجاوز مرفق NIF عتبة التكافؤ في الطاقة لأول مرة. ولا يزال التساؤل حول ما إذا كانت هذه التقنيات يمكن أن تتوسع إلى مخرجات مستمرة أمراً مفتوحاً.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

ولا نعرف ما إذا كان الضوء المتماسك عند أطوال موجات الأشعة السينية وأشعة غاما سيتحول إلى ضوء تحويلي بنفس القدر الذي كان عليه الضوء المتماسك المرئي. ولا تزال أجهزة ليزر الإلكترون الحر في مرافق مثل DESY ومسرع سلاك (SLAC) في بداية تلك القصة، حيث تلتقط صوراً لجزيئات مفردة أثناء طيرانها قبل أن تبخرها الأشعة السينية نفسها.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

ولا نعرف كيف سيبدو الجهاز الذي يفعل لمعالجة المعلومات الكمومية ما فعله ليزر الياقوت للبصريات الكلاسيكية. وتوجد عدة بدائل مثل الأيونات المحاصرة، والدوائر فائقة التوصيل، ورقاقات الفوتونات، ولم يحصل أي منها بعد على لحظة ميمان الخاصة به.

نبضة حمراء في قبو بماليبو، تم تجاهلها في ذلك الوقت باعتبارها مجرد فضول مخبري. وبعد ستة وستين عاماً، يعود أصل كل ماسح باركود، وكل كبل ألياف تحت كل محيط، وكل قياس للمسافة إلى القمر، إلى تلك النبضة.

16 मई 1960 को, मालिबू की एक छोटी प्रयोगशाला में, थियोडोर मैमन नामक भौतिक विज्ञानी ने कृत्रिम रूबी की एक उंगली के आकार की छड़ के चारों ओर एक कुंडलित लैंप चमकाया। दूसरी ओर से गहरे लाल रंग के प्रकाश की एक किरण निकली। यह पहला लेज़र था, और उस समय लगभग कोई नहीं कह सकता था कि यह किस काम के लिए है।

इसके बाद के महीनों में, Theodore Maiman को अपना शोध पत्र प्रकाशित कराने के लिए संघर्ष करना पड़ा। *Physical Review Letters* ने इसे अनुगामी (डेरिवेटिव) मानकर खारिज कर दिया। उनके नियोक्ता द्वारा आयोजित प्रेस कॉन्फ्रेंस में ज्यादातर ऐसे पत्रकार शामिल हुए जो यह जानना चाहते थे कि क्या यह उपकरण कोई 'मौत की किरण' (डेथ रे) है। 'एक समाधान जो किसी समस्या की तलाश में है' यह वाक्यांश लगभग एक दशक तक लेज़र के साथ जुड़ा रहा।

मैमन ने जो बनाया था वह प्रकाश को एक अनुशासित मार्चिंग दस्ते की तरह व्यवहार कराने का एक तरीका था। सूरज की रोशनी से लेकर मोमबत्ती और आपके सिर के ऊपर जलने वाले बल्ब तक, साधारण प्रकाश एक अराजकता है। फोटॉन उस हर आवृत्ति पर स्रोत से बाहर निकलते हैं जिसे स्रोत उत्सर्जित कर सकता है, हर दिशा में, और उनकी तरंग-शिखरें एक-दूसरे से उलझी होती हैं। एक लेज़र उन फोटॉनों को उत्सर्जित करता है जो एक ही आवृत्ति, एक ही दिशा और एक ही कला (फेज) को साझा करते हैं। ट्रिलियन फोटॉन एक होकर चलते हैं।

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

इस तरकीब को stimulated emission कहा जाता है, और अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1917 में कागज पर इसे विकसित किया था।

चालीस साल तक एक फुटनोट

उत्तेजित अवस्था में एक परमाणु अंततः निम्न अवस्था में वापस आ जाएगा और एक फोटॉन उत्सर्जित करेगा। आइंस्टीन ने देखा कि यदि बिल्कुल सही तरंग दैर्ध्य का दूसरा फोटॉन पहले पास से गुजरता है, तो उत्तेजित परमाणु समय से पहले नीचे आ जाता है, और उत्सर्जित फोटॉन उसी के समान बाहर आता है जिसने उसे ट्रिगर किया था। वही तरंग दैर्ध्य। वही कला। वही दिशा। एक की कीमत पर दो समान फोटॉन।

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

चालीस साल तक यह केवल एक जिज्ञासा थी। समस्या एक ही समय में उत्तेजित अवस्था में पर्याप्त परमाणुओं को लाने की थी, जिसे population inversion कहा जाता है, और फिर परिणामी फोटॉनों को गुणा होने तक रोकने की थी। 1954 में Charles Townes ने एक ऐसा उपकरण बनाया जिसने इसे माइक्रोवेव और अमोनिया अणुओं के साथ किया। उन्होंने इसे मेज़र कहा। दृश्य प्रकाश के साथ यही तरकीब करने का अर्थ था एक छोटा, तेज़, अधिक संवेदनशील कोटर (कैविटी), और माध्यम को इतनी तेज़ी से पंप करने का तरीका जिससे माइक्रोसेकंड में जनसंख्या व्युत्क्रमण किया जा सके।

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

मैमन का समाधान कृत्रिम रूबी का एक पॉलिश किया हुआ बेलन था, जिसके सिरे दो दर्पणों के रूप में रजतित किए गए थे, और उसके चारों ओर एक स्प्रिंग की तरह फोटोग्राफिक फ्लैशलैंप लिपटा हुआ था। फ्लैश ने रूबी में क्रोमियम परमाणुओं को उत्तेजित अवस्था में पंप किया। बेलन के अक्ष पर यात्रा करने वाले एक स्वतःस्फूर्त फोटॉन ने एक श्रृंखला प्रतिक्रिया (कैस्केड) को ट्रिगर किया। दर्पणों ने उस प्रतिक्रिया को माध्यम से वापस पोषित किया। जब समान फोटॉनों का प्रवाह पर्याप्त मजबूत हो गया, तो 694 नैनोमीटर पर आंशिक रूप से रजतित सिरे से एक सुसंगत (coherent) पल्स बाहर निकली।

सुसंगतता किस काम की है

एक साथ तालमेल में चलने वाली प्रकाश की किरण दो विपरीत काम बहुत अच्छी तरह से कर सकती है। इसे एक विशाल दूरी पर फैलाएं और यह मापने के लिए पर्याप्त संकीर्ण बनी रहती है। इसे केंद्रित करें तो यह एक अत्यंत छोटे बिंदु पर ऊर्जा की अविश्वसनीय मात्रा को केंद्रित कर देती है।

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

1969 में अपोलो 11 के अंतरिक्ष यात्रियों ने चंद्रमा की सतह पर कॉर्नर-क्यूब रिफ्लेक्टर का एक पैनल छोड़ा था। पृथ्वी पर वेधशालाएँ आज भी इससे हरी लेज़र किरणें टकराती हैं, और पृथ्वी-चंद्रमा की दूरी को कुछ मिलीमीटर के भीतर मापने के लिए आने-जाने के समय को मापती हैं। चंद्रमा हमसे हर साल 3.8 सेंटीमीटर दूर जा रहा है; इसी से हमें यह पता चला है। Lunar Laser Ranging experiment विश्लेषण तब से परिष्कृत होकर चल रहा है।

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

दूसरे छोर पर, एक औद्योगिक फाइबर लेज़र एक वर्ग मिलीमीटर पर दसियों किलोवाट ऊर्जा प्रदान करता है और स्टील की प्लेट को ऐसे काट देता है जैसे वह कार्डबोर्ड हो। उस शक्ति के हजारवें हिस्से पर काम करने वाला एक नेत्र संबंधी एक्साइमर लेज़र नीचे की परत को छुए बिना एक माइक्रोमीटर गहरे ऊतक को हटाकर कॉर्निया को नया आकार देता है। एक दूरसंचार ट्रांससीवर मानव बाल से भी पतले कांच के धागे के माध्यम से इंटरनेट को भेजने के लिए दसियों गीगाहर्ट्ज़ पर एक निकट-अवरक्त डायोड लेज़र को मॉड्युलेट करता है। एक बारकोड स्कैनर अनाज के डिब्बे पर लाल डायोड का एक मिलीवाट घुमाता है।

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

2015 में LIGO वेधशालाओं में गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना, अंततः, एक लेज़र माप था: संग्रहीत लेज़र प्रकाश की दो चार-किलोमीटर लंबी भुजाएँ, जो प्रोटॉन के व्यास के हजारवें हिस्से से भी कम पथ लंबाई में अंतर देख रही थीं।

जो हम अब भी नहीं जानते

हम सुसंगत शक्ति की व्यावहारिक सीमा नहीं जानते हैं। पेटावाट-श्रेणी के लेज़र, जो मुख्य रूप से National Ignition Facility जैसी सुविधाओं में जड़त्वीय-परिरोध संलयन अनुसंधान के लिए बनाए गए हैं, पहले से ही कुछ क्वाड्रिलियनवें हिस्से तक चलने वाले स्पंदों में ग्रह के पूरे विद्युत ग्रिड की तुलना में अधिक तात्कालिक शक्ति केंद्रित करते हैं। दिसंबर 2022 में NIF ने पहली बार ऊर्जा-संतुलन (ब्रेकइवन) सीमा को पार किया। क्या ऐसी तकनीकें निरंतर आउटपुट में बदल सकती हैं, यह अभी तय होना बाकी है।

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

हम नहीं जानते कि एक्स-रे और गामा-रे तरंग दैर्ध्य पर सुसंगत प्रकाश उतना ही क्रांतिकारी साबित होगा या नहीं जितना दृश्य सुसंगत प्रकाश था। DESY और SLAC जैसी सुविधाओं में मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र अभी उस कहानी की शुरुआत में हैं, जो उड़ते हुए एकल अणुओं की छवि तब लेते हैं जब खुद एक्स-रे उन्हें वाष्पीकृत कर देते हैं।

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

और हम नहीं जानते कि वह उपकरण कैसा दिखता है जो क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए वही करता है जो रूबी लेज़र ने शास्त्रीय प्रकाशिकी के लिए किया था। ट्रैप्ड आयन, सुपरकंडक्टिंग सर्किट, फोटोनिक चिप्स: कई उम्मीदवार मौजूद हैं, और उनमें से किसी के पास अभी तक थियोडोर मैमन जैसा क्षण नहीं आया है।

मालिबू के एक बेसमेंट में एक लाल पल्स, जिसे उस समय प्रयोगशाला की जिज्ञासा मानकर खारिज कर दिया गया था। छियासठ साल बाद, हर बारकोड स्कैनर, हर महासागर के नीचे बिछा हर फाइबर केबल, चंद्रमा की दूरी का हर माप, उसी पल्स से जुड़ा हुआ है।

Pada 16 Mei 1960, di sebuah laboratorium kecil di Malibu, seorang fisikawan bernama Theodore Maiman menyalakan lampu spiral di sekitar batang rubi sintetis seukuran jari. Seberkas cahaya merah tua keluar dari ujung satunya. Itu adalah laser pertama, dan hampir tidak ada orang pada saat itu yang tahu apa kegunaannya.

Pada bulan-bulan berikutnya, Theodore Maiman berjuang keras agar makalah ilmiahnya dapat diterbitkan. *Physical Review Letters* menolaknya karena dianggap hanya sebagai turunan. Konferensi pers yang diadakan oleh atasannya sebagian besar dihadiri oleh wartawan yang ingin tahu apakah perangkat tersebut merupakan sinar kematian. Ungkapan 'sebuah solusi yang mencari masalah' melekat pada laser selama hampir satu dekade.

Apa yang dibuat Maiman adalah cara untuk membuat cahaya berperilaku seperti kolom barisan yang tertib. Cahaya biasa, mulai dari sinar matahari, lilin, hingga bohlam di atas kepala Anda, adalah sebuah kekacauan. Foton meninggalkan sumbernya pada setiap frekuensi yang dapat dipancarkan sumber tersebut, ke segala arah, dengan puncak gelombangnya saling bertabrakan satu sama lain. Sebuah laser memancarkan foton yang berbagi satu frekuensi, satu arah, dan satu fase. Triliunan foton bergerak sebagai satu kesatuan.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

Trik ini disebut stimulated emission, dan Albert Einstein telah merumuskannya di atas kertas pada tahun 1917.

Empat puluh tahun sebagai catatan kaki

Sebuah atom dalam keadaan tereksitasi pada akhirnya akan kembali ke keadaan yang lebih rendah dan memancarkan foton. Einstein menyadari bahwa jika foton lain dengan panjang gelombang yang tepat kebetulan lewat terlebih dahulu, atom yang tereksitasi tersebut akan turun lebih cepat, dan foton yang dipancarkan akan keluar selaras dengan foton yang memicunya. Panjang gelombang yang sama. Fase yang sama. Arah yang sama. Dua foton identik dengan harga satu foton.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

Selama empat puluh tahun, hal ini hanya menjadi sebuah keunikan ilmiah. Masalahnya adalah membawa cukup banyak atom ke dalam keadaan tereksitasi pada saat yang sama, sebuah kondisi yang disebut population inversion, dan kemudian menjebak foton yang dihasilkan cukup lama untuk berlipat ganda. Pada tahun 1954 Charles Townes membangun perangkat yang melakukannya dengan gelombang mikro dan molekul amonia. Ia menyebutnya maser. Melakukan trik yang sama dengan cahaya tampak berarti memerlukan rongga yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih sensitif, serta cara untuk memompa medium dengan cukup kuat untuk membalikkan populasi atom dalam hitungan mikrodetik.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Solusi Maiman adalah silinder rubi sintetis yang dipoles, ujung-ujungnya dilapisi perak menjadi sepasang cermin, dengan lampu kilat fotografis yang melilitnya seperti pegas. Lampu kilat tersebut memompa atom kromium dalam rubi ke keadaan tereksitasi. Satu foton spontan yang merambat di sepanjang sumbu silinder memicu reaksi berantai. Cermin-cermin tersebut mengumpankan kembali reaksi berantai itu melalui mediumnya. Ketika fluks foton identik tumbuh cukup kuat, sebuah pulsa koheren bocor keluar dari ujung yang dilapisi perak sebagian pada panjang gelombang 694 nanometer.

Kegunaan koherensi

Seberkas cahaya dalam langkah yang selaras dapat melakukan dua hal yang bertolak belakang dengan sangat baik. Sebarkan di jarak yang sangat jauh dan ia akan tetap cukup sempit untuk diukur. Fokuskan ke bawah dan ia akan memusatkan energi dalam jumlah yang luar biasa pada titik yang luar biasa kecil.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

Pada tahun 1969, para astronaut Apollo 11 meninggalkan panel reflektor sudut kubus di permukaan bulan. Observatorium di Bumi masih memantulkan pulsa laser hijau darinya, mengukur waktu perjalanan pulang pergi untuk menghitung jarak Bumi-Bulan hingga ketelitian beberapa milimeter. Bulan menjauh dari kita sebesar 3,8 sentimeter per tahun; beginilah cara kita mengetahuinya. Eksperimen Lunar Laser Ranging experiment terus berjalan, dengan berbagai penyempurnaan, sejak saat itu.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Di ekstrem lainnya, laser serat industri menyalurkan pulsa puluhan kilowatt pada satu milimeter persegi dan memotong pelat baja seolah-olah itu adalah karton. Laser excimer mata dengan seperseribu daya tersebut membentuk kembali kornea dengan mengikis jaringan sedalam satu mikrometer tanpa menyentuh lapisan di bawahnya. Transceiver telekomunikasi memodulasi laser dioda inframerah-dekat pada frekuensi puluhan gigahertz untuk menyalurkan internet melalui seuntai kaca yang lebih tipis dari rambut manusia. Pemindai barcode menyapu satu miliwatt dioda merah di atas kotak sereal.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

Deteksi gelombang gravitasi pada tahun 2015 di observatorium LIGO pada akhirnya adalah pengukuran laser: dua lengan sepanjang empat kilometer yang berisi cahaya laser tersimpan, memperhatikan perbedaan panjang lintasan yang lebih kecil dari seperseribu diameter proton.

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak tahu batas praktis dari daya koheren. Laser kelas petawatt, yang sebagian besar dibangun untuk penelitian fusi kurungan inersia di fasilitas seperti National Ignition Facility, telah memusatkan lebih banyak daya sesaat daripada seluruh jaringan listrik di planet ini menjadi pulsa yang berlangsung beberapa kuadriliun detik. Pada bulan Desember 2022, NIF melampaui ambang batas impas energi (energy-breakeven) untuk pertama kalinya. Apakah teknik seperti ini dapat diskalakan ke output berkelanjutan masih menjadi pertanyaan terbuka.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Kita tidak tahu apakah cahaya koheren pada panjang gelombang sinar-X dan sinar gamma akan terbukti sama transformatifnya dengan cahaya koheren tampak. Laser elektron bebas di fasilitas seperti DESY dan SLAC berada di awal kisah tersebut, mencitrakan molekul tunggal yang sedang terbang sebelum sinar-X itu sendiri menguapkannya.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

Dan kita tidak tahu seperti apa perangkat yang melakukan hal yang sama untuk pemrosesan informasi kuantum seperti yang dilakukan laser rubi untuk optik klasik. Ion terperangkap, sirkuit superkonduktor, chip fotonik: beberapa kandidat telah ada, dan belum ada yang mencapai momen bersejarah seperti yang dicapai Maiman.

Sebuah pulsa merah di ruang bawah tanah Malibu, yang pada saat itu diabaikan sebagai keunikan laboratorium biasa. Enam puluh empat tahun kemudian, setiap pemindai barcode, setiap kabel serat di bawah setiap samudra, setiap pengukuran jarak ke Bulan, semuanya bermuara kembali ke sana.

1960年5月16日、マリブの小さな研究所で、セオドア・メイマンという物理学者が、指ほどの大きさの合成ルビーの棒の周りで螺旋状のランプを点滅させた。その反対側の端から、深い赤色の細い光の束が飛び出した。これが最初のレーザーであり、当時それが何の役に立つのか説明できる者はほとんどいなかった。

その後の数ヶ月間、Theodore Maimanは論文を掲載してもらうために苦闘した。『フィジカル・レビュー・レターズ』誌は、それを二番煎じだとして却下した。彼の雇用主が催した記者会見に集まったのは、その装置が殺人光線なのかどうかを知りたがる記者ばかりだった。「解決策を求めている課題」というフレーズは、その後10年近くレーザーに付きまとった。

メイマンが構築したのは、光を行進する列のように振る舞わせる方法だった。太陽光からろうそく、頭上の電球に至るまで、通常の光は無秩序である。光子は光源が放出できるあらゆる周波数で、あらゆる方向に、互いの波の山をバラバラにして飛び出していく。レーザーは、一つの周波数、一つの方向、そして一つの位相を共有する光子を放出する。数兆個の光子が一つになって運動するのだ。

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

この仕組みはstimulated emissionと呼ばれ、アルベルト・アインシュタインが1917年に机上で导き出していた。

40年間の脚注

励起状態にある原子は、最終的にはより低い状態に戻り、光子を1個放出する。アインシュタインは、もしちょうど正しい波長を持つ別の光子が先に通りかかると、励起された原子が早く遷移し、放出される光子が引き金となった光子と完全に一致することに気づいた。同じ波長、同じ位相、同じ方向。1個分の価格で2個の同一の光子が得られるのである。

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

40年間、これは単なる奇妙な現象にすぎなかった。問題は、同時に十分な数の原子を励起状態にすること(これはpopulation inversionと呼ばれる)と、生じた光子を増幅させるのに十分な時間閉じ込めることだった。1954年、Charles Townesはマイクロ波とアンモニア分子を用いてそれを実現する装置を構築した。彼はそれをメーザーと呼んだ。同じことを可視光で行うには、より小さく、より高速で、より猶予の少ない共振器と、マイクロ秒単位で反転分布を形成するほど強力に媒質を励起(ポンピング)する手段が必要だった。

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

メイマンの解決策は、合成ルビーの研磨された円柱であり、その両端は一対の鏡として銀メッキされ、その周りに写真用フラッシュランプがバネのように巻き付けられていた。フラッシュはルビー中のクロム原子を励起状態へと汲み上げた。円柱の軸に沿って進む1個の自発放出光子が、なだれ(カスケード)を引き起こした。鏡はそのなだれを媒質に送り返した。同一の光子の流れが十分に強くなると、694ナノメートルで一部銀メッキされた端からコヒーレントなパルスが漏れ出た。

コヒーレンスは何のためにあるのか

足並みの揃った光の列は、二つの対照的な動作を極めて高い精度で行うことができる。膨大な距離にわたって広げても、測定に十分な細さを維持する。一方で、焦点を絞り込めば、途方もないエネルギーを途方もなく小さな一点に集中させることができる。

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

1969年、アポロ11号の宇宙飛行士たちは月面にコーナーキューブ・リフレクターのパネルを残した。地球上の観測所は現在もそこに緑色のレーザーパルスを反射させ、往復時間を測定することで地球と月の距離を数ミリメートルの精度で測定している。月は毎年3.8センチメートルずつ我々から遠ざかっており、その事実はこの方法によって明らかになった。Lunar Laser Ranging experimentは、改良を重ねながらそれ以来ずっと続けられている。

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

もう一つの極端な例として、産業用ファイバーレーザーは1平方ミリメートルに数十キロワットを照射し、鋼鉄の板を段ボールのように切り裂く。その1000分の1の出力の眼科用エキシマレーザーは、下の層に触れないことなく、組織を1マイクロメートル深く削り取ることで角膜の形状を整える。通信用トランシーバーは、近赤外ダイオードレーザーを数十ギガヘルツで変調し、人間の髪の毛よりも細いガラスの繊維にインターネットのデータを流す。バーコードスキャナーは、1ミリワットの赤色ダイオードをシリアルの箱の上で走らせる。

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

2015年のLIGO観測所における重力波の検出は、結局のところレーザー測定であった。4キロメートルの長さを持つ二つのアーム内に蓄えられたレーザー光が、陽子の直径の1000分の1よりも小さな光路長の差異を監視したのである。

私たちがまだ知らないこと

コヒーレント光の出力の実用的な上限は分かっていない。主にNational Ignition Facilityなどの施設で慣性閉じ込め核融合研究のために構築されたペタワットクラスのレーザーは、数千兆分の一秒間続くパルスの中に、地球の全電力網を超える瞬間的な電力をすでに集中させている。2022年12月、NIFは初めてエネルギー収支ブレイクイーブン(損益分岐点)の閾値を突破した。こうした技術が連続出力へとスケールアップできるかどうかは未知数である。

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

X線やガンマ線の波長におけるコヒーレント光が、可視コヒーレント光と同じように画期的なものになるかどうかも分かっていない。DESYやSLACなどの施設にある自由電子レーザーはその物語の緒に就いたばかりであり、X線そのものが分子を蒸発させる前に、飛行中の単一分子を画像化している。

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

アンド、ルビーレーザーが古典光学に対して行ったことを、量子情報処理に対して行う装置がどのような姿をしているのかも分かっていない。トラップされたイオン、超伝導回路、光チップなど、いくつかの候補が存在するが、メイマンのような決定的な瞬間を迎えたものはまだない。

マリブの地下室での赤いパルスは、当時、実験室の珍奇な現象として片付けられた。66年が経過した今、すべてのバーコードスキャナー、すべての海底光ケーブル、月までの距離のすべての測定値が、そのパルスへと遡る。

16 мая 1960 года в небольшой лаборатории в Малибу физик по имени Теодор Майман направил вспышку спиральной лампы на стержень из синтетического рубина размером с палец. С другого конца вышел пучок глубокого красного света. Это был первый лазер, и почти никто в то время не мог сказать, для чего он нужен.

В последующие месяцы Theodore Maiman с трудом пытался опубликовать статью. Журнал *Physical Review Letters* отверг её как неоригинальную. Пресс-конференцию, которую устроила его компания-работодатель, посетили в основном репортеры, которые хотели знать, является ли устройство лучевой пушкой. Выражение 'решение в поисках проблемы' приклеилось к лазерам на добрую половину десятилетия.

То, что создал Майман, было способом заставить свет вести себя подобно марширующей колонне. Обычный свет — от солнечного света до свечи и лампочки над вашей головой — это хаос. Фотоны покидают источник на любой частоте, которую источник может излучать, во всех направлениях, а их волновые фронты перепутаны друг с другом. Лазер излучает фотоны, которые имеют одну частоту, одно направление и одну фазу. Триллионы их движутся как единое целое.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

Этот трюк называется stimulated emission, и Альберт Эйнштейн теоретически описал его на бумаге в 1917 году.

Сорок лет в сносках

Атом в возбужденном состоянии в конечном итоге вернется в более низкое состояние и испустит фотон. Эйнштейн заметил, что если другой фотон точно нужной длины волны случайно пролетит мимо первым, возбужденный атом перейдет в основное состояние раньше времени, и испущенный фотон выйдет в фазе с тем, который его спровоцировал. Та же длина волны. Та же фаза. То же направление. Два идентичных фотона по цене одного.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

В течение сорока лет это было просто любопытным фактом. Проблема заключалась в том, чтобы перевести достаточное количество атомов в возбужденное состояние одновременно — состояние, называемое population inversion, — а затем удерживать полученные фотоны достаточно долго для их размножения. В 1954 году Charles Townes построил устройство, которое проделало это с микроволнами и молекулами аммиака. Он назвал его мазером. Проделывание того же трюка с видимым светом требовало меньшего, более быстрого и менее прощающего ошибки резонатора, а также способа накачки среды с достаточной силой, чтобы инвертировать заселенность за микросекунды.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Решением Маймана был полированный цилиндр из синтетического рубина со стеклянными зеркальными концами (покрытыми серебром), окруженный спиральной фотовспышкой. Вспышка переводила атомы хрома в рубине в возбужденное состояние. Один спонтанный фотон, летящий вдоль оси цилиндра, запускал каскад. Зеркала возвращали каскад обратно через среду. Когда поток идентичных фотонов становился достаточно сильным, когерентный импульс вырывался из полупрозрачного серебряного конца на длине волны 694 нанометра.

Для чего нужна когерентность

Колонна света, шагающая в ногу, может делать две противоположные вещи очень хорошо. Распространяясь на огромное расстояние, она остается достаточно узкой для проведения измерений. Если сфокусировать её в точку, она концентрирует абсурдное количество энергии на абсурдно малой площади.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

В 1969 году астронавты «Аполлона-11» оставили на лунной поверхности панель из уголковых отражателей. Обсерватории на Земле до сих пор посылают импульсы зеленого лазера, измеряя время их прохождения туда и обратно, чтобы определить расстояние от Земли до Луны с точностью до нескольких миллиметров. Луна удаляется от нас на 3,8 сантиметра в год; именно благодаря этому мы об этом знаем. Эксперимент Lunar Laser Ranging experiment с тех пор работает с постоянными улучшениями.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

С другой стороны, промышленный волоконный лазер доставляет десятки киловатт на квадратный миллиметр и режет стальные листы, как картон. Офтальмологический эксимерный лазер при мощности в тысячу раз меньше изменяет форму роговицы путем испарения ткани на глубину в один микрометр, не задевая слой под ней. Телекоммуникационный приемопередатчик модулирует ближний инфракрасный диодный лазер на частотах в десятки гигагерц, чтобы передавать интернет по стеклянной нити тоньше человеческого волоса. Сканер штрих-кода водит милливаттным красным диодом по коробке из-под хлопьев.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

Обнаружение гравитационных волн в 2015 году в обсерваториях LIGO было, в конечном счете, лазерным измерением: два четырехкилометровых плеча накопленного лазерного света следили за разницей в длине пути, которая была меньше одной тысячной диаметра протона.

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем практического предела когерентной мощности. Лазеры петаваттного класса, построенные в основном для исследований по термоядерному синтезу с инерционным удержанием в таких установках, как National Ignition Facility, уже концентрируют больше мгновенной мощности, чем вся энергосистема планеты, в импульсах длительностью несколько квадриллионных долей секунды. В декабря 2022 года NIF впервые превысила порог безубыточности по энергии. Вопрос о том, масштабируются ли такие методы до непрерывной генерации, остается открытым.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Мы не знаем, окажется ли когерентный свет в рентгеновском и гамма-диапазонах столь же революционным, как видимый когерентный свет. Лазеры на свободных электронах в таких центрах, как DESY и SLAC, находятся в самом начале этого пути, получая изображения отдельных молекул в полете до того, как сами рентгеновские лучи испарят их.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

И мы не знаем, как выглядит устройство, которое сделает для квантовой обработки информации то же, что рубиновый лазер сделал для классической оптики. Ионы в ловушках, сверхпроводящие цепи, фотонные чипы — существует несколько кандидатов, и ни у одного из них пока нет своего триумфального момента Маймана.

Красный импульс в подвале в Малибу, отвергнутый в то время как лабораторный курьез. Шестьдесят шесть лет спустя каждый сканер штрих-кода, каждый оптоволоконный кабель под каждым океаном, каждое измерение расстояния до Луны восходит к нему.

Am 16. Mai 1960 brachte ein Physiker namens Theodore Maiman in einem kleinen Labor in Malibu eine gewundene Blitzlampe um einen fingergroßen Stab aus synthetischem Rubin zum Aufleuchten. Am anderen Ende trat ein Strahl aus tiefrotem Licht aus. Es war der erste Laser, und kaum jemand konnte damals sagen, wofür er gut sein sollte.

In den folgenden Monaten kämpfte Theodore Maiman darum, die Arbeit zu veröffentlichen. Die Fachzeitschrift *Physical Review Letters* lehnte sie mit der Begründung ab, sie sei nur eine Weiterentwicklung. Die Pressekonferenz, die sein Arbeitgeber veranstaltete, wurde hauptsächlich von Reportern besucht, die wissen wollten, ob es sich bei dem Gerät um eine Todeswaffe handele. Die Formulierung 'eine Lösung auf der Suche nach einem Problem' haftete Lasern fast ein Jahrzehnt lang an.

Was Maiman gebaut hatte, war eine Methode, um Licht dazu zu bringen, sich wie eine marschierende Kolonne zu verhalten. Normales Licht, vom Sonnenlicht über eine Kerze bis hin zur Glühbirne über dem Kopf, ist ein einziges Chaos. Photonen verlassen die Quelle in jeder Frequenz, die sie emittieren kann, in jede Richtung und mit gegeneinander verschobenen Wellenbergen. Ein Laser emittiert Photonen, die dieselbe Frequenz, dieselbe Richtung und dieselbe Phase teilen. Billionen von ihnen bewegen sich wie ein einziger Körper.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

Dieses Prinzip wird als stimulated emission bezeichnet und wurde 1917 von Albert Einstein auf dem Papier ausgearbeitet.

Vierzig Jahre als Fußnote

Ein Atom in einem angeregten Zustand fällt irgendwann in einen niedrigeren Zustand zurück und emittiert ein Photon. Einstein bemerkte: Wenn zuvor ein anderes Photon mit genau der richtigen Wellenlänge vorbeikommt, fällt das angeregte Atom vorzeitig zurück, und das emittierte Photon entspricht exakt demjenigen, das den Prozess ausgelöst hat. Gleiche Wellenlänge. Gleiche Phase. Gleiche Richtung. Zwei identische Photonen zum Preis von einem.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

Vierzig Jahre lang war dies nur eine Kuriosität. Das Problem bestand darin, genügend Atome gleichzeitig in den angeregten Zustand zu versetzen — ein Zustand, der als population inversion bezeichnet wird — und dann die resultierenden Photonen lange genug einzuschließen, um sie zu vervielfachen. Im Jahr 1954 baute Charles Townes ein Gerät, das dies mit Mikrowellen und Ammoniakmolekülen tat. Er nannte es einen Maser. Derselbe Trick mit sichtbarem Licht erforderte einen kleineren, schnelleren und empfindlicheren Resonator sowie eine Methode, das Medium so stark anzuregen, dass die Besetzungsumkehr innerhalb von Mikrosekunden erreicht wurde.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Maimans Lösung war ein polierter Zylinder aus synthetischem Rubin, dessen Enden zu einem Spiegelpaar versilbert waren, umwickelt mit einer fotografischen Blitzlampe wie eine Spirale. Der Blitz regte die Chromotome im Rubin in einen angeregten Zustand an. Ein einzelnes spontanes Photon, das sich entlang der Zylinderachse bewegte, löste eine Kaskade aus. Die Spiegel lenkten die Kaskade zurück durch das Medium. Als der Fluss identischer Photonen stark genug war, trat ein kohärenter Impuls mit 694 Nanometern aus dem teildurchlässigen versilberten Ende aus.

Wozu Kohärenz gut ist

Eine Kolonne von Licht im Gleichschritt kann zwei gegensätzliche Dinge hervorragend tun. Über eine enorme Distanz verteilt bleibt der Strahl schmal genug, um Messungen durchzuführen. Fokussiert man ihn dagegen, konzentriert er enorme Energiemengen auf einen winzigen Punkt.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

1969 hinterließen die Astronauten von Apollo 11 eine Platte mit Tripelprismen-Reflektoren auf der Mondoberfläche. Observatorien auf der Erde richten bis heute grüne Laserpulse darauf und messen die Laufzeit, um die Entfernung zwischen Erde und Mond auf wenige Millimeter genau zu bestimmen. Der Mond entfernt sich jedes Jahr um 3,8 Zentimeter von uns; so wissen wir das. Das Lunar Laser Ranging experiment wird seither mit ständigen Verfeinerungen betrieben.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Am anderen Extrem liefert ein industrieller Faserlaser Dutzende Kilowatt auf einen Quadratmillimeter und schneidet Stahlplatten, als wären sie aus Pappe. Ein ophthalmologischer Excimer-Laser formt bei einem Tausendstel dieser Leistung eine Hornhaut um, indem er Gewebe mit einer Tiefe von einem Mikrometer abträgt, ohne die darunter liegende Schicht zu berühren. Ein Telekommunikations-Transceiver moduliert einen Nahinfrarot-Diodenlaser im Gigahertzbereich, um das Internet durch eine Glasfaser zu leiten, die dünner ist als ein menschliches Haar. Ein Barcodescanner führt ein Milliwatt eines roten Diodenlasers über eine Müslipackung.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

Die Detektion von Gravitationswellen im Jahr 2015 an den LIGO-Observatorien war letztlich eine Lasermessung: Zwei vier Kilometer lange Arme aus gespeichertem Laserlicht überwachten einen Weglängenunterschied, der kleiner war als ein Tausendstel des Protonendurchmessers.

Was wir noch nicht wissen

Wir kennen die praktische Obergrenze kohärenter Leistung nicht. Petawatt-Laser, die meist für die Trägheitsfusionsforschung in Einrichtungen wie der National Ignition Facility gebaut werden, konzentrieren bereits mehr Momentanleistung als das gesamte Stromnetz des Planeten in Pulsen, die nur wenige Billiardstel Sekunden dauern. Im Dezember 2022 überschritt das NIF zum ersten Mal die Netto-Energiegewinn-Schwelle. Ob sich solche Verfahren für kontinuierliche Leistungen skalieren lassen, ist ungelöst.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Wir wissen nicht, ob kohärentes Licht bei Röntgen- und Gammastrahlungswellenlängen ebenso revolutionär sein wird wie sichtbares kohärentes Licht. Freie-Elektronen-Laser in Einrichtungen wie DESY und SLAC stehen am Anfang dieser Entwicklung und bilden einzelne Moleküle im Flug ab, bevor die Röntgenstrahlung sie verdampft.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

Und wir wissen nicht, wie ein Gerät aussieht, das für die Quanteninformationsverarbeitung das tut, was der Rubinlaser für die klassische Optik getan hat. Gefangene Ionen, supraleitende Schaltkreise, photonische Chips: Es gibt mehrere Kandidaten, aber keiner von ihnen hatte bisher einen 'Maiman-Moment'.

Ein roter Impuls in einem Keller in Malibu, der damals als Laborkuriosität abgetan wurde. Sechsundsechzig Jahre später lässt sich jeder Barcodescanner, jedes Glasfaserkabel unter den Ozeanen und jede Messung der Entfernung zum Mond auf diesen Moment zurückführen.

1960년 5월 16일 말리부의 한 작은 연구소에서 시어도어 메이먼이라는 물리학자가 손가락 크기의 합성 루비 막대 주변에 코일형 램프를 발갛게 번쩍였다. 반대쪽 끝에서 진한 빨간색 빛 한 가닥이 흘러나왔다. 그것이 최초의 레이저였고, 당시에는 그것이 무엇에 쓰이는 것인지 아는 사람이 거의 없었다.

그 후 몇 달 동안 Theodore Maiman은 논문을 발표하기 위해 고군분투했다. *Physical Review Letters*는 그의 논문을 모방작이라며 게재를 거부했다. 그의 고용주가 개최한 기자회견에는 이 장치가 살상 광선인지 묻는 기자들이 대부분이었다. '문제를 찾고 있는 해결책'이라는 문구는 이후 10년 가까이 레이저의 꼬리표처럼 따라다녔다.

메이먼이 만든 것은 빛이 행진하는 대열처럼 행동하도록 만드는 방법이었다. 햇빛이나 촛불, 머리 위의 전구에서 나오는 일반적인 빛은 무질서하다. 광자들은 광원이 방출할 수 있는 모든 주파수로, 모든 방향으로, 서로 파동의 마루가 뒤섞인 채 광원을 떠난다. 반면 레이저는 하나의 주파수, 하나의 방향, 하나의 위상을 공유하는 광자를 방출한다. 수조 개의 광자가 하나가 되어 움직이는 것이다.

Laser photons Astrojan · CC BY-SA 4.0

이 기술은 stimulated emission이라 불리며, 알베르트 아인슈타인이 1917년 논문으로 정립해 두었다.

40년간의 각주

들뜬 상태의 원자는 결국 더 낮은 상태로 떨어지며 광자를 방출한다. 아인슈타인은 만약 정확히 일치하는 주파수의 다른 광자가 먼저 스쳐 지나가면 들뜬 원자가 더 빨리 떨어지고, 방출된 광자가 이를 자용한 광자와 완전히 일치하여 방출된다는 사실에 주목했다. 동일한 파장, 동일한 위상, 동일한 방향. 광자 하나 값으로 동일한 광자 두 개를 얻는 셈이다.

High Power Green Laser, Dark Background (1)
High Power Green Laser, Dark Background (1) FastLizard4 · BY-SA 2.0

40년 동안 이것은 흥미로운 현상에 불과했다. 문제는 동시에 충분한 수의 원자를 들뜬 상태로 만드는 것(이 상태를 population inversion이라 함)과 그 결과로 나타난 광자들을 증폭될 만큼 충분히 오래 가두는 것이었다. 1954년 Charles Townes는 마이크로웨이브와 암모니아 분자를 사용해 이를 수행하는 장치를 만들었다. 그는 이를 메이저라고 불렀다. 가시광선으로 같은 기술을 구현한다는 것은 더 작고 빠르며 오차가 허용되지 않는 공진기가 필요하고, 마이크로초 만에 밀도 반전을 유도할 만큼 강하게 매질을 펌핑할 방법이 있어야 함을 뜻했다.

A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta
A polished ruby laser rod sits between two high-reflectivity mirrors on a heavy optical ta Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

메이먼의 해결책은 양 끝이 한 쌍의 거울로 은도금된 폴리싱된 합성 루비 원통이었고, 그 주위에는 스프링처럼 사진용 플래시 램프가 감겨 있었다. 플래시는 루비 속 크롬 원자를 들뜬 상태로 펌핑했다. 원통 축을 따라 이동하던 하나의 자발적 광자가 연쇄 반응(캐스케이드)을 일으켰다. 거울은 이 반응을 매질을 통해 다시 피드백했다. 동일한 광자들의 흐름이 충분히 강해지자, 694나노미터의 일관된 펄스가 부분 은도금된 끝부분을 통해 밖으로 흘러나왔다.

일관성의 쓰임새

발맞추어 나아가는 일관된 빛의 줄기는 극단적인 두 가지 일을 매우 잘 수행할 수 있다. 엄청난 거리에 퍼뜨려도 거리를 측정할 수 있을 만큼 충분히 좁은 폭을 유지한다. 반대로 초점을 좁히면 상상할 수 없을 만큼 작은 지점에 엄청난 양의 에너지를 집중시킬 수 있다.

Rose laser バラ レーザー
Rose laser バラ レーザー T.Kiya · BY-SA 2.0

1969년 아폴로 11호 우주비행사들은 달 표면에 코너큐브 리플렉터 패널을 남겨두고 왔다. 지구의 관측소들은 지금도 여기에 녹색 레이저 펄스를 쏘아 보내며 왕복 시간을 측정해 지구와 달 사이의 거리를 수 밀리미터 오차 내로 측정한다. 달은 우리로부터 매년 3.8센티미터씩 멀어지고 있으며, 이것이 우리가 그 사실을 아는 방법이다. Lunar Laser Ranging experiment 실험은 그 이후로 정밀도를 더해가며 계속 작동하고 있다.

An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers
An ammonia maser experiment fills a mid-century physics lab with vacuum chambers Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

다른 극단에서는, 산업용 파이버 레이저가 1제곱밀리미터당 수십 킬로와트를 쏘아 보내 철판을 도화지처럼 잘라낸다. 그 파워의 1,000분의 1 수준인 안과용 엑시머 레이저는 각막 아래층을 손상시키지 않고 조직을 1마이크로미터 깊이로 깎아내어 시력을 교정한다. 통신용 트랜시버는 근적외선 다이오드 레이저를 수십 기가헤르츠로 변조하여 인간의 머리카락보다 얇은 유리 가닥을 통해 인터넷 데이터를 전송한다. 바코드 스캐너는 시리얼 상자 위에 1밀리와트짜리 적색 다이오드를 쓸어내린다.

Lasers
Lasers dmuth · BY-SA 2.0

2015년 LIGO 관측소에서 중력파를 감지한 것 역시 결국 레이저 측정 방식이었다. 4킬로미터 길이의 두 아ーム에 보관된 레이저 빛이 양성자 지름의 1,000분의 1보다 작은 경로 길이의 차이를 감시했다.

우리가 아직 모르는 것

우리는 일관된 파워의 실질적인 한계를 알지 못한다. 주로 National Ignition Facility 같은 시설에서 관성 가둠 핵융합 연구를 위해 구축된 페타와트급 레이저는 이미 몇 천조 분의 1초 동안 지속되는 펄스에 지구 전체 전력망을 능가하는 순간적인 전력을 집중시키고 있다. 2022년 12월, NIF는 최초로 순 에너지 획득(에너지 브레이크이븐) 임계치를 통과했다. 이러한 기술이 지속적인 출력으로 이어질 수 있을지는 여전히 열려 있는 문제다.

A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end
A single coherent beam demonstrates two powers in one workshop: at one end Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

엑스선 및 감마선 파장에서 일관된 빛이 가시광선 영역에서처럼 혁신적인 변화를 몰고 올지는 알지 못한다. DESY와 SLAC 같은 시설의 자유 전자 레이저는 아직 그 이야기의 초기 단계에 있으며, X선 자체가 단일 분자를 기화시키기 전에 비행 중인 분자의 이미지를 촬영하는 수준이다.

Laser
Laser ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com) · CC BY 4.0

그리고 루비 레이저가 고전 광학에서 했던 역할을 양자 정보 처리에 있어서 수행할 장치가 어떤 모습일지 알지 못한다. 갇힌 이온, 초전도 회로, 광자 칩 등 여러 후보가 있지만 아직 어느 것도 시어도어 메이먼과 같은 상징적인 순간을 맞이하지 못했다.

마리부의 한 지하실에서 반짝였던 빨간 펄스는 당시에는 실험실의 신기한 구경거리로 치부되었다. 66년이 지난 지금, 모든 바코드 스캐너, 바다 밑 모든 광케이블, 달까지의 거리 측정 등은 모두 그 펄스에서 시작되었다.

Image sources & licenses (8)
  1. Laser photons (animation) — Astrojan, CC BY-SA 4.0. Source (commons)
  2. High Power Green Laser, Dark Background (1) — FastLizard4, BY-SA 2.0. Source (openverse)
  3. Rose laser バラ レーザー — T.Kiya, BY-SA 2.0. Source (openverse)
  4. Lasers — dmuth, BY-SA 2.0. Source (openverse)
  5. Laser — ESO/A. Ghizzi Panizza (www.albertoghizzipanizza.com), CC BY 4.0. Source (wikipedia)
  6. In mid-August 2010 ESO Photo Ambassador Yuri Beletsky snapped this photo at ESO’s Paranal Observatory, Chile. A group of astronomers were ob — ESO/Yuri Beletsky (ybialets at eso.org), CC BY 4.0. Source (commons)
  7. Fluorescence and birefringence of 445 nm laser in calcite crystal. The blue laser beam is only visible when the blue light is scattered, for — Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0. Source (commons)
  8. Principle of a laser triangulation sensor. The laser beam is projected onto the object. The lense images the laser point onto the CCD- or PS — Georg Wiora (Dr. Schorsch), CC BY-SA 3.0. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

  1. Maiman, T. H. (1960). "Stimulated Optical Radiation in Ruby." Nature 187, 493-494.
  2. Einstein, A. (1917). "Zur Quantentheorie der Strahlung." Physikalische Zeitschrift 18, 121-128.
  3. Hecht, J. (2005). Beam: The Race to Make the Laser. Oxford University Press.
  4. Townes, C. H. (1999). How the Laser Happened: Adventures of a Scientist. Oxford University Press.
  5. Abbott, B. P. et al. (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger." Physical Review Letters 116, 061102.
Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

A laser is light marching in perfect sync. Trillions of photons moving identically. It can cut through steel or read data smaller than bacteria. This is coherent light—and it changed everything. Normal light is chaos. A light bulb emits photons of different frequencies, different phases, different directions. Like a crowd shouting random words. But laser light is different. Every photon has the same frequency. Same phase. Same direction. Like a crowd chanting one word in perfect unison. LASER stands for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Here's how it works. Excite atoms in a medium. When one excited atom releases a photon, that photon can trigger other excited atoms to release identical photons. Mirrors bounce these photons back and forth, building up more and more identical copies. Release them, and you have a laser beam—light with precision impossible from any other source. This precision lets lasers do opposite things. Spread a laser across miles and you can measure distance to the moon within centimeters. Focus it tight and you cut metal, perform eye surgery, or read pits in a DVD smaller than a red blood cell. Laser light carries internet across fiber optic cables. It scans barcodes, guides missiles, creates holograms. One invention—making light behave together—unlocked applications we're still discovering. Order from chaos. Coherence from randomness. Light, organized, becomes almost anything we need.

HI script

Laser light hai jo perfect sync mein march kar rahi hai. Trillions photons identically move kar rahe hain. Ye steel cut kar sakta hai ya bacteria se chhota data padh sakta hai.

Laser light hai jo perfect sync mein march kar rahi hai. Trillions photons identically move kar rahe hain. Ye steel cut kar sakta hai ya bacteria se chhota data padh sakta hai. Ye hai coherent light—aur isne sab kuch badal diya. Normal light chaos hai. Light bulb different frequencies, different phases, different directions ke photons emit karta hai. Jaise crowd random words chilla rahi ho. Par laser light different hai. Har photon ki same frequency hai. Same phase. Same direction. Jaise crowd ek word perfect unison mein chant kar rahi ho. LASER ka matlab hai Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Yahan hai ye kaise kaam karta hai. Medium mein atoms ko excite karo. Jab ek excited atom photon release karta hai, wo photon doosre excited atoms ko trigger kar sakta hai identical photons release karne ke liye. Mirrors in photons ko back aur forth bounce karte hain, zyada se zyada identical copies build up karte hain. Unhe release karo, aur tumhare paas laser beam hai—light with precision impossible from any other source. Ye precision lasers ko opposite cheezein karne deti hai. Laser ko miles mein spread karo aur tum moon tak ki distance centimeters mein measure kar sakte ho. Tight focus karo aur tum metal cut karte ho, eye surgery karte ho, ya DVD mein pits padhte ho jo red blood cell se chhote hain. Laser light internet fiber optic cables mein carry karti hai. Ye barcodes scan karta hai, missiles guide karta hai, holograms create karta hai. Ek invention—light ko saath behave karana—applications unlock kar diye jo hum abhi bhi discover kar rahe hain. Chaos se order. Randomness se coherence. Light, organized, almost kuch bhi ban sakti hai jo humein chahiye.

  1. 01

    Chaotic light emission from a bare bulb in a dusty laboratory setting

  2. 02

    A ruby laser rod between mirrors emitting a disciplined red beam

  3. 03

    Mid-century physics lab with ammonia maser apparatus and technicians

  4. 04

    Workshop bench showing laser alignment and steel cutting simultaneously

  5. 05

    Fiber optic test lab with glowing glass fiber and technician hands

  6. 06

    High-energy laser facility target chamber with technicians in clean suits