| Laser – co to je a jak se to stalo
(1. část) Přeloženo z C. H. TOWNES: the laser – what it is and how it happened.
International Journal of Modern Physics B, 2002, vol. 16, No. 31, s. 4655–4664.*) Předmluva překladatelů (doc. RNDr. Rudolfa Králová, CSc., RNDr. Karel Král, CSc.)
Lasery, zdroj koherentního záření, našly uplatnění v širokém oboru lidské činnosti: ve vědě, průmyslu, lékařství, kosmetice, ale i v umění apod. Laserové záření stimuluje chemické reakce, vytváří nové chemické látky. Pomocí laseru je možné detekovat jednotlivé atomy, rozdělovat izotopy. Ve strojírenství se lasery používají k řezání nebo k povrchovým úpravám kovových součástek (povrchové kalení, žíhání, legování atd.). V lékařství se využívají v podobě tzv. nekrvavých skalpelů, dělají se jimi složitější operace očí a množství dalších chirurgických výkonů. Vznikly dokonce nové obory, jako je laserová medicína nebo holografie. Základem objevení laseru byla nejabstraktnější část fyziky – kvantová mechanika. Zákony kvantové mechaniky jsou pro většinu lidské populace nesrozumitelné a nepochopitelné. Přesto podle jejích zákonů vzniklo něco tak mimořádně užitečného a praktického, že se s tím setkal téměř každý z nás. Jak revoluční myšlenka laseru byla, o tom svědčí vzpomínky jednoho z objevitelů laseru – C.H. Townese, nedávno uveřejněné v jeho článku v International Journal of Modern Physics B. Jak autor uvádí, dokonce i největší autority ve fyzice se k myšlence laseru stavěly s nečekanou nedůvěrou, nebo dokonce odmítavě. Připomeňme si, že za objev laseru, který je tak významný, že jej lze srovnávat s největšími objevy v historii lidstva, se v roce 1964 podělil americký fyzik Charles Hard Townes o Nobelovu cenu se dvěma ruskými fyziky, Nikolajem Gennadijevičem Bassovem a Alexandrem Nikolajevičem Prochorovem**).  Každý vědecký nebo technický průlom sice má své zvláštní okolnosti, ale rovněž tak se vyskytují i určité společné rysy. Objev laseru a jeho vývoj k tomu poskytuje zajímavou ilustraci. A právě této historii se budeme věnovat. Nejdříve si ale připomeňme současný stav laseru a jeho charakteristiku. Laser je zkratka pro light amplification by stimulated emission. Světelné vlny jsou totiž zesilovány v procesu stimulace atomů nebo molekul, které mají přebytečnou energii, již mohou vyslat v podobě fotonů stejné frekvence a fáze, jako má světelná vlna. Maser, značící microvave amplification by stimulated emission, byl prvním zařízením tohoto druhu a je pouze poněkud uměle oddělován od laseru. Elektromagnetické vlny delší než 1mm se nazývají mikrovlny, zatímco vlny kratší než 13krát kratších než vlnová délka 1-záření, nazývali „gasers„. Základní principy pro fungování stimulovaného zesilování jsou v podstatě tytéž v celém rozsahu elektromagnetického spektra, avšak lasery, poskytující infračervené záření, viditelné světlo a ultrafialové záření, jsou dosud nejvíce používány a nejlépe známy. Je známo mnoho podob laseru. Jejich rozměr se mění od mikroskopického (např. nanotrubicový laser) až po rozměr velké budovy. Výkon těchto laserů se pohybuje od hodnot menších než mikrowatt až do petawattů (1015 wattu). Petawattový výkon byl dosažen laserem v Lawrence Livermore Laboratory v USA. Je to výkon větší než veškerá spotřeba populace USA, a z důvodů omezených zdrojů se tudíž omezuje na krátkou dobu, vyskytuje se v pulsech trvajících řádově 10–12 s. Tento výkon může být soustředěn na malou plochu, ne o moc větší, než je vlnová délka viditelného světla, přičemž hustota výkonu je asi 1023 W/cm2, což je nová oblast zkoumání vysokých hustot výkonu. Odhady ukazují, že jsou možné výkony 106krát větší, což by znamenalo posunutí laseru do oblasti zetterwattů. Slabší lasery mohou být tak jemné, že jimi lze uchopit jednotlivý mikroorganismus a jedinou buňku, aniž jim ublíží (laserové tweezery). Masery a lasery poskytují vynikající etalony času a délky. Vodíkový maser umožňuje vyrobit hodiny s přesností asi 10–15 s, ve srovnání s hodinami na principu svazku cesiových atomů. Lasery dokázaly změřit Rydbergovu konstantu***) s přesností 5.10–15. Díky laserům mezinárodní standard délky už není standardní metrová tyč, ale vlnová délka určité spektrální linie. Laserové pulsy poslané na Měsíc a odražené zpět na Zem změřily vzdálenost Měsíce s přesností přibližně jeden palec. LIGO, experimentální aparatura v California Institute of Technology k měření gravitačních vln, používá laser k měření konstantnosti asi čtyřkilometrové vzdálenosti s přesností 10–21 km nebo 4·10–16 cm, což je asi 10–8 velikosti atomu. Velmi krátké časy, až několik násobků 10–15 s, se také měří pomocí laserových pulsů a umožňují tak vědcům pozorovat procesy chemických reakcí. Masery a lasery poskytují nejcitlivější zesilovače elektromagnetických vln s citlivostí blízkou jednomu fotonu na jednotku šířky pásu. Při vlnové délce 1cm to odpovídá teplotě šumu kolem 1,4 K. Když byly masery vyvinuty, umožňovaly citlivost přibližně 100krát lepší než jakýkoliv známý zesilovač. Avšak dnes se parametrické zesilovače přibližují ke konečné teoretické limitě citlivosti zesilovačů, které masery mohou dosáhnout. Nelineární optika není úplně nové pole, protože známý Ramanův efekt zahrnuje určitý typ nelineární optiky. Avšak vysoký výkon laseru dovoluje vytvořit širokou škálu nelineárních optických jevů, přičemž poskytuje první, druhé a třetí harmonické frekvence světla, stejně jako směsi frekvencí. A s pomocí pulsů lasery mohou dát velké množství nelineárních efektů bez přehřívání optického média a tím poskytují nové fyzikální jevy a nové metody pro analýzu materiálů.  Lasery také mohou materiály ochlazovat; umožňují dosahovat teplot až 10–6 Kelvina a otevírají tak další nové a široké pole fyzikálních jevů. Mnohé masery a lasery byly nedávno objeveny ve vesmíru – ale tam existovaly a byly neobjeveny miliardy let. Dnes známe více než 100 různých maserů a některé lasery s vlnovými délkami až asi jeden mikron, které se vyskytují v přirozeném stavu v mezihvězdném prostoru a v oblacích obklopujících hvězdy. Od udělení Nobelovy ceny v roce 1964, kterou byl oceněn objev maseru a laseru, bylo uděleno dvanáct dalších Nobelových cen výzkumníkům, kteří použili masery nebo lasery jako důležité nástroje pro nové vědecké objevy. Jsou samozřejmě známy mnohé průmyslové aplikace laserů. Vysoká frekvence viditelného světla představuje obrovský potenciál šířky pásma pro komunikace a přenos laserového záření pomocí optických vláken je dnes důležitou součástí naší komunikační techniky, se šířkami pásma až 1011 hertzu přenášenými jedním optickým vláknem. Lasery jsou běžným a důležitým nástrojem při záznamu a čtení informace. Jsou rovněž skvělým zaměřovacím nástrojem, který snadno poskytuje přímky i přesné měření vzdálenosti. Důležitou součástí systému globálního indikátoru polohy (GPI) jsou vodíkové maserové hodiny. Vysoce koncentrovaný výkon laserového svazku se široce využívá při řezání a svařování a v široké škále výrobních postupů. Koncentrovaná energie krátkých laserových pulsů může řezat nebo odpařovat materiál. To činí lasery užitečnými pro operace lidí i pro jiné způsoby využití v lékařství. První laser byl vyroben v roce 1960. Avšak základní myšlenky, z nichž masery a lasery vycházejí, neobsahovaly žádné vědecké zákony, které by byly neznámé alespoň některým vědcům již před 30 lety nebo dříve. Einstein jako první poznal a popsal stimulovanou emisi v roce 1917. Tolman napsal v roce 1924, že kdyby měly molekuly nebo atomy vyšší populaci v horním stavu přechodů než ve stavu nižším, došlo by k „záporné“ absorpci. Také poznamenal, ačkoliv to nikdo tehdy nedokázal, že téměř určitě by stimulovaná emise byla koherentní a ve fázi se stimulujícím zářením. Koncem 30. let 20. století byly publikovány ještě aspoň dvě další diskuse týkající se možného zesílení pomocí stimulované emise záření. Vědecká a technická veřejnost tomu věnovala malou pozornost. Proč musel vynález maserových a laserových oscilátorů čekat 30 let? Ta pravá myšlenka nakonec vyrostla z mikrovlnné spektroskopie molekul – evidentně velmi nepravděpodobné oblasti výzkumu, ze které by měl být superintenzivní světelný zdroj generován. Který ředitel výzkumu, aby nalezl nový zdroj intenzivního světla, by podporoval výzkum mikrovlnného spektra molekul? Přesto to bylo právě toto pole, které poskytlo tři nezávislé myšlenky pro zesilování stimulovanou emisí – moje vlastní, dále myšlenka Bassova a Prochorova, kteří obdrželi uznání v podobě Nobelovy ceny se mnou, a myšlenka Webera, jenž měl rovněž originální nápad v této oblasti, ale úplně ho nerozpracoval. Všechny tyto tři skupiny se zaobíraly mikrovlnnou spektroskopií molekul. Proč jsme použití stimulované emise postrádali tak dlouho? Věřím, že mohu uvést tři obecné důvody. Ten první je náš lidský sklon nasoukat myšlenky do směrů, které známe jako důležité a potlačit myšlenky ve směrech jiných. Co se mne týče, hodně jsem se snažil nalézt způsob, jak vyrobit oscilátor s frekvencí vyšší, než je běžná mikrovlnná oblast, kde jsme měli magnetrony a klystrony, které mohly dát krátké vlnové délky až asi 1 cm. Mikrovlnná spektroskopie, jíž jsem se zabýval, se ukázala být velmi zajímavá. Nejenže intenzita mikrovlnné absorpce atomy a molekulami opravdu rostla se vzrůstající frekvencí, ale také zde jasně šlo o velké množství zajímavých spekter při vlnových délkách kratších než několik milimetrů. Moje úsilí směřovalo k tomu, abych dostal vlnové délky podstatně kratší než milimetry. Moji studenti a já jsme zkusili několik metod, které víceméně fungovaly, ale ne až tak dobře, aby to stálo za pokračování. Nemohli bychom postavit dobré zařízení, které by oscilovalo při tak vysokých frekvencích. Samozřejmě, přemýšlel jsem o molekulách, které opravdu oscilují při vysokých frekvencích, ale věřil jsem, že na základě druhého termodynamického zákona nelze vytvořit žádné intenzivní submilimetrové záření pomocí molekul, protože by to vyžadovalo zahřát je na mimořádně vysoké teploty, při kterých by se rozložily. Toto bylo mé vlastní nasměrování myšlenek a jejich blokace. Bylo dobře, že jsem použil onen druhý termodynamický zákon, ale byl jsem poněkud oslepen standardizovanými závěry z jeho použití. Ve hře zvané věda většinou jde o to, uvažovat obecně a používat základní vše překlenující zákony. Ale laser ukazuje, jak právě toto nám může zabránit, abychom viděli alternativní cesty, které se nám jeví nemístně rozporné. Jak se později ukázalo, i jiní fyzikové měli ilustrovat to, co, jak si myslím, je stejný problém.  Jednoho dne jeden teoretický chemik „Hap„ Schultz přišel do mé laboratoře, aby se podíval na moji práci v mikrovlnné spektroskopii. Řekl mi tehdy, že věřil, že by bylo možné vytvořit velmi užitečné speciální reakce, kdyby byly molekuly excitovány do speciálních stavů, ve kterých by byly velmi reaktivní. Jeho společnost, Union Carbide and Carbon, dala k dispozici fond 10 000 dolarů pro toho, kdo by pracoval na tom, aby vytvořil intenzivní infračervené záření pro dosažení tohoto cíle. Chtěl, abych na vytvoření takového infračerveného záření pracoval, a byl by mi ten fond dal, což v té době představovalo podstatnou částku peněz na výzkum. Řekl jsem mu, že by mě samotného zajímalo, jak vyprodukovat infračervené záření, ale že neznám dobrý způsob, jak to udělat, a proto jsem na tom nemohl pracovat ani přijmout peníze. Po několika dnech přišel zas a říkal, že se mu líbí práce, kterou dělám, a chtěl mi dát ty peníze, abych je použil pro výzkum, jakýmkoliv způsobem si budu přát. Bylo to velkolepé, byla to šťastná a překvapující událost. A tak jsem tento fond použil na postdoktorátní stáž pro někoho, kdo by se mnou výzkum dělal. Tato stáž přivedla Arta Schawlova z University of Toronto, aby se mnou pracoval (později se měl stát spoluvynálezcem laseru), a také Herberta Zeigera (který pomohl mně a mému studentovi Jimu Gordonovi postavit první maser). Můj zájem o vysoké mikrovlnné frekvence byl dostatečně znám, a tak se stalo, že se na mě obrátil úředník U. S. Navy a požádal mě, abych sestavil a vedl výbor zaměřený na hledání metod produkce krátkých mikrovln. Byl to docela silný výbor, byli v něm mezinárodně uznávaní spektroskopisté a mikrovlnní inženýři. Navštívili jsme každou důležitou laboratoř, která se zajímala o toto pole, ale velké myšlenky jsme nenašli žádné. Naše poslední setkání bylo ve Washingtonu, a jak jsem se tak rmoutil nad nedostatkem úspěchu, probudil jsem se v hotelu brzy před setkáním. Ještě před snídaní jsem šel ven do blízkého Franklinova parku a usadil jsem se na lavičku, obdivoval jsem krásné azalky a truchlil jsem nad tím, že jsme byli neúspěšní. Proč jsme nepřišli na dobrý nápad pro krátké vlny? Probíral jsem ve své mysli všechny možnosti a problémy. Ano, znovu jsem přemýšlel o tom, jak snadné by bylo obdržet vysoké frekvence oscilací s molekulami, ale samozřejmě druhý termodynamický zákon jakoukoliv reálnou intenzitu vylučoval. Velmi špatné. Avšak – moment! Druhý termodynamický zákon nemusí platit – nemusí tam jít o termodynamickou rovnováhu a v zásadě lze mít mnoho molekul v excitovaném stavu, zatímco v základním stavu jich může být jen pár! Nedávno předtím jsem vyslechl kolokvium na Columbia University, které přednesl Wolfgang Paul o molekulárních svazcích – šlo o to, jak vytvořit intenzivní svazek molekul nebo atomů v určitém stavu, přičemž použil kvadrupólový kolimátor, který pro tento účel vynalezl. To je ono! Kdybych mohl nacpat dostatek excitovaných molekul do rezonanční dutiny, kdybych je mohl přimět, aby vyzařovaly a aby byly stimulovány vyzařovat více se zpětnou vazbou v uzavřené dutině, mohl bych v podstatě mít vysokofrekvenční oscilátor. Naštěstí jsem si přibližně pamatoval, jakého typu svazku a jaké intenzity Paul dosáhl. Jak jsem seděl na lavičce, vytáhl jsem jakousi obálku a napsal si na ni čísla, včetně ztrát dutiny, a PODÍVEJME SE! Mohlo by to fungovat. Jak jsem tak seděl na lavičce, promýšlel jsem ten proces jak jsem jen mohl a byl jsem v rozčílení přesvědčen, že by to fungovalo. Jelikož však šlo o novou věc a já jsem mohl něco nedomyslet, rozhodl jsem se, že s tím na našem setkání nevystoupím. Ale zato jsem to diskutoval s Artem Schawlowem, který tehdy byl můj postdoktorand a náhodou bydlel ve stejném hotelu. Ano, řekl, mohlo by to fungovat, ale nezdál se mi být tak rozrušen, jak jsem si myslel, že by měl.) pokračování bude v č. 2/2004 – pozn. red.
*)Uveřejněno s laskavým svolením World Scientific Publishing Co Pte Ltd **) Pozn. redakce:
Podle ruských pramenů by měla být priorita za objev laseru přiřčena spíše fyziku Valentinu Alexandroviči Fabrikantovi, který od r. 1930 pracoval ve Všesvazovém elektrotechnickém institutu (VEI). Tento vynikající vědec se v podstatě od počátku 30. let minulého století věnoval výzkumu elektrického výboje v plynech, jehož hlavním cílem bylo zdokonalování světelných výbojových zdrojů, a již ve své doktorské práci, kterou obhájil v r. 1940, ukázal na možnost existence prostředí s inverzní populací, které může zesilovat procházející záření v důsledku tzv. stimulované emise.
V r. 1951 Fabrikant, spolu se svými spolupracovníky, přihlásil vynález nového způsobu zesilování světla. V přihlášce bylo uvedeno, že při průchodu světla prostředím s inverzní populací jeho intenzita exponenciálně vzrůstá. Tento princip byl rozšířen na UV, IČ a rádiové záření. Velmi důležité bylo také to, že v přihlášce byl uveden způsob získání inverzní populace čerpáním pomocí impulsního výboje (kromě dříve uvedeného způsobu pomocí rezonance při srážkách 2. řádu mezi vybuzenými atomy a elektrony). Tím byl položen základ pro konstrukci laseru.
Autorské osvědčení bylo vydáno v r. 1959 a diplom o vynálezu v r. 1964 s platností od r. 1951.
Je pozoruhodné, že v sovětském systému nakonec prioritu a Nobelovu cenu za objev laseru, spolu s p. Townesem, dostali pánové Bassov a Prochorov.
[Světotěchnika, 1991, č. 5, a 1998, č. 1.] ***) Rydbergova konstanta je jedna ze základních fyzikálních konstant, která charakterizuje optická spektra atomů a má hodnotu 1,097·107–1. |
