Den 16. maj 1960 lykkedes det for Theodore Maiman fra Hughes Research Laboratories i Californien at få verdens første laser til at virke. Det bliver i år fejret af en lang række fysik- og optikselskaber verden over, som har indkaldt til LaserFest - nærmere beskrevet på laserfest.org.

En af laserpionererne, Charles Townes, har gentagne gange forklaret, at forskere og ingeniører oprindeligt havde svært ved at se, hvad de egentligt skulle bruge den nye komponent til. Laseren var "en løsning, der manglede et problem", var den generelle opfattelse.

Laseren har dog vist sig at være en opfindelse med meget forskellige anvendelser, så den har vundet indpas mange steder i samfundet.

Laser er en forkortelse for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - altså forstærkning af lys ved stimuleret udsendelse af stråling.

Nøglebegrebet er "stimuleret emission". Når atomer eller molekyler bliver udsat for elektromagnetisk stråling (lys), kan de under visse betingelser udsende stråling med nøjagtigt de samme egenskaber, som findes i den stråling, de udsættes for. Denne stråling bliver altså dermed forstærket.

For at finde en mere præcis forklaring på dette begreb, må vi søge tilbage til Albert Einstein.

Da Einstein i slutningen af 1915 endelig havde afsluttet sit kæmpeprojekt med at udvikle en ny gravitationsteori (den almene relativitetsteori), vendte han tilbage til problemet, hvordan stof og stråling kan være i ligevægt. Et problem, som han allerede havde taget hul på i sin artikel fra 1905 om den fotoelektriske effekt.

Max Planck havde i 1900 skudt kvantefysikken i gang med sin strålingslov, der beskrev, hvordan legemer afgav elektromagnetisk stråling.

I 1916 fik Albert Einstein endnu en god idé, som han med sine egne ord forklarede på denne måde:

"Ved at postulere hypoteser for molekylers emission og absorption af stråling, var jeg i stand til at vise, at molekyler med en kvanteteoretisk tilstandsfordeling i termisk ligevægt var i dynamisk ligevægt med Plancks stråling og på denne måde kan Plancks formel udledes på en simpel og generel måde".

Citatet er hentet fra den artikel fra 1917 "Zur Quantentheorie der Strahlung", hvor Einstein beskrev sin idé nærmere. Det er i denne artikel, vi finder grundlaget for, hvordan en laser virker, selv om Einstein overhovedet ikke tænkte i begreber som forstærkning af lys.

Atomer og molekyler kan befinde sig i flere forskellige energiniveauer. For at forenkle situationen betragtede Einstein et atom med blot to tilstande.

Han fremsatte tre hypoteser for, hvordan atomerne og strålingsfeltet kan påvirke hinanden.

Den første er spontan emission: Hvis et atom er i den højeste energitilstand, er der i hvert tidsrum en konstant sandsynlighed for, at den vil overgå til den lavere energitilstand, og energiforskellen udsendes som stråling. Det sker, uanset om atomet er udsat for et strålingsfelt eller ej.

De to næste hypoteser er inspireret af, hvordan en klassisk oscillator absorberer eller udsender energi under påvirkning af en drivende kraft. Om energien absorberes eller udsendes af oscillatoren er bestemt af oscillatorens fase i forhold til kraftfeltet.

Einstein lancerede derfor hypoteserne, at i en gas af atomer kan et atom i den laveste energitilstand absorbere energi fra strålingsfeltet og derved bringes i den højeste energitilstand. Og et atom i den højeste energitilstand kan aflevere energi og i samme moment overgå til den lavere energitilstand. Det er henholdsvis absorption og stimuleret emission.

For alle, som har været udsat for et elementært kursus i atomfysik, er både absorption og spontan emission så velkendte begreber, at de færreste spekulerer videre over disse. Men det er værd at bemærke, at i Einsteins beskrivelse er spontan emission en virkning uden årsag.

Set i det lys bliver tankegangen meget mere revolutionerende, end den umiddelbart synes i dag. Og stimuleret emission virker i første omgang næsten uforståeligt.

I sin artikel viser Einstein dog, at alle tre hypoteser - altså også stimuleret emission - er nødvendige for, at man kan udlede Plancks strålingslov.

Som Einstein selv forklarer, er det jo ikke nok i sig selv til at retfærdiggøre hypoteserne. Men Einstein er en snu rad, for som han bemærker, sker der også en overførsel af impuls ved emission og absorption.

Det har en række betydninger, som Einstein viser, understøtter hypoteserne.

Endelig må man lade, at Einstein jo heller ikke i artiklens navn lægger op til en teori, der er fuldstændig færdig. Artiklens navn er jo ikke "En kvanteori for stråling", men "Om en kvanteteori for stråling" - en nok så væsentligt forskel i denne forbindelse.

Selv om artiklen altså ikke alene kan tages som et bevis for hypoteserne, svigtede Einsteins fænomenale intuition heller ikke i dette tilfælde. Ud fra Einsteins artikel er det en ganske simpel sag at vise, at hvis man gennem længere tid kan opretholde flere atomer i den højeste energitilstand end i den laveste - og opnå såkaldt populationsinversion - så vil der ske en forstærkning af energien i strålingsfeltet. Altså lysforstærkning ved stimuleret emission. Men der skulle gå mange år, før forskere og ingeniører begyndte at tænke i disse baner.

Det er også værd at notere sig, at det er i 1917-artiklen, at Einstein ud over energi også for første gang tillægger lyskvantet impuls (bevægelsesmængde).

Det er altså først med denne artikel, at fotonens fulde natur så at sige blev fremlagt - Einstein bruger dog ikke selv ordet foton.

I denne uges trykte udgave af Ingeniøren forklares princippet i en laser.