En god idé på bænken banede vej for laseren

Illustration: Associated Press

Historien om laseren er kort fortalt denne:

For 100 år siden, 3. marts 1917, indsendte Albert Einstein en artikel om vekselvirkningen mellem stof og stråling og gav dermed grundopskriften på en laser.

Ingen bed dog rigtigt mærke i det, så udviklingen måtte vente på, at en amerikansk fysiker 34 år senere fik en god idé, da han sad på en parkbænk.

Sammen med sin svoger beskrev samme fysiker nogle år senere præcist, hvordan man skulle lave en laser, men han blev overhalet indenom i 1960 af en ukendt ingeniør. Alligevel høstede de to svogre senere hver deres Nobelpris, mens den ukendte ingeniør blev forbigået.

Det var Albert Einstein, der i 1917 med sin artikel ‘Zur Quantentheorie der Strahlung’ gav ‘grundopskriften’ på en laser, som altså først så dagens lys i 1960, efter at Charles Townes havde udviklet maseren i 1954. Illustration: Adam Cuerden/Wikicommons

I dag tjener opfindelsen, der oprindelig blev beskrevet som ‘en løsning, der mangler et problem’, menneskeheden inden for forbrugerprodukter og telekommunika­tion, som værktøj inden for produktionsteknologi og i sundhedssektoren og mange andre steder.

Hvis det er alt, du ønsker at vide, kan du stoppe læsningen her og springe videre til næste artikel i avisen – men hvis du vil høre lidt flere detaljer, så kommer de her i anledning af det runde jubilæum.

Men først er det måske værd at minde om, hvad en laser er: en lyskilde, som udsender lys med en enkelt bølgelængde eller farve. Strålingen er koncentreret, og i modsætning til en gammeldags glødelampe svinger alle bølger i takt, så de adderes ved konstruktiv interferens – strålingen siges at være kohærent.

Processen, der gør dette muligt, kaldes lysforstærkning ved stimuleret udsendelse af stråling eller på engelsk Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, forkortet til laser.

Stimuleret emission

Stimuleret emission er altså nøglen til at lave en laser, og det var det begreb, Einstein indførte.

Vi begynder historien i Berlin i 1917, hvor Einstein var på højdepunktet i sin tyske karriere. Direktør for Kaiser Wilhelm-instituttet for fysik, professor ved Humboldt-universitetet, medlem af det kongelige preussiske videnskabsakademi og formand for det tyske selskab for fysik.

Einstein havde gennem flere år haft travlt med at færdiggøre sit mesterværk i form af den generelle relativitetsteori. Da han nu var færdig, fik han tid til at vende tilbage til det problem omkring samspillet mellem stof og stråling, han var begyndt på i 1905 – året, hvor han også formulerede den specielle relativitetsteori.

Han gjorde arbejdet færdigt med sin artikel ‘Zur Quantentheorie der Strahlung’ (Om en kvanteteori for stråling) i Physikalische Zeitschrift.

I denne artikel betragtede Einstein et molekyle (det kunne også være et atom) med to energitilstande, hvor absorption af stråling kan få molekylet til skifte fra den lave energitilstand til den høje, og et skift fra den høje til den lave energitilstand er forbundet med udsendelse af stråling.

Einsteins hypotese

Einsteins hypotese var, at selv i dette kvantesystem ville de love, der styrede overgangen fra den ene tilstand til den anden, være de samme som for en klassisk resonator, der kan svinge mellem to energiniveauer.

Einstein henviste direkte til Heinrich Hertz, som havde beskrevet, at en resonator kunne udsende energi, selv når den ikke var påvirket af et ekstern felt. I Einsteins system betød det, at molekylet kunne ændre sin energitilstand fra høj til lav uden en direkte ydre påvirkning. Det kaldte Einstein for Ausstrahlung – i dag kalder vi det spontan emission.

Hertz havde også beskrevet, at en resonator placeret i et strålingsfelt kan ændre sin energi gennem det arbejde, den udfører på det elektromagnetiske felt. Dette arbejde kan både være positivt og negativt afhængig af faseforskellen for resonator og det oscillerende felt.

På samme måde kan molekyler absorbere energi og frigive energi under påvirkning af strålingsfeltet. Begge dele kaldte Einstein Einstrahlung – i dag skelner vi mellem henholdsvis absorption og stimuleret emission, alt efter om processen går den ene eller den anden vej.

Det lille skridt, Einstein ikke tog

Ud fra disse antagelser kan man ganske simpelt vise, at man kan forstærke et elektromagnetisk felt, hvis der er flere molekyler (eller atomer) ved den høje energi end ved den lave energi, og hvis strålingen udsendt ved stimuleret emission altid er i samme fase som det påtrykte elektromagnetiske felt. Det lærer studerende i den første time i ethvert elementært kursus i laserteknik.

Men det lille skridt tog Einstein ikke – og hvorfor ikke, kan man spørge?

Nok fordi han havde svært ved at forestille sig en situation, hvor der er flere molekyler med høj energi end lav energi. Et sådant system ville nemlig være langt fra termisk ligevægt.

I sin bog fra 1999 ‘How the laser happened’ har laserpioneren Charles Townes forklaret, at Einstein nok ville have konkluderet, at strålingen var kohærent, hvis han var blevet spurgt herom, og han ville nok også have konkluderet, at man kunne opnå forstærkning, hvis systemet ikke var i termisk ligevægt med flere molekyler i den høje tilstand end i den lave – også kaldet populationsinversion.

En anden laserpioner, Arthur Schawlow, har sagt, at den generelle opfattelse på denne tid og i årene efter var, at det var umuligt at forestille sig situa­tioner langt fra termisk ligevægt. Det var en konceptuel blokering, som man først indså kunne fjernes mange år senere.

Vi vender tilbage til Townes og Schawlow senere – men i første omgang blev Einsteins analyse stort set negligeret af samtidens fysikere med en undtagelse i den amerikanske fysiker Richard Tolman, der i 1924 foretog en undersøgelse af varigheden af tiden for molekyler i den øvre tilstand.

Han noterede, at der forligger den mulighed, at tilstandsændringen fra det høje niveau til det lave niveau kan ske på en sådan måde, at det forstærker den primære stråling ved et fænomen, som han kaldte negativ absorption – et andet ord for stimuleret emission.

Tanker på bænken

Meget mere nævneværdigt skete ikke før langt senere.

Fysikeren Charles Townes var under Anden Verdenskrig som så mange andre fysikere blevet inddraget i den amerikanske krigsindsats, hvor han havde været beskæftiget med brugen af radar i forbindelse med bombesystemer.

Efter krigen opretholdt han sin interesse sig for at generere elektromagnetisk energi ved kortere og kortere bølgelængder. I et interview har han forklaret, at alle forsøg på at lave energirig stråling ved høje frekvenser havde fejlet, da høje frekvenser er forbundet med lave bølgelængder og dermed evnen til meget nøjagtigt at kunne fremstille små emner.

Da han sad alene på en parkbænk ved Franklin Square i Washington DC 26. april 1951, tænkte ham tingene igennem. Han kom frem til, at hvis man skal lave små emner meget nøjagtigt, skal man bruge atomer og molekyler. De har dog det problem, at de ikke udsender megen energi.

Pludselig slog tanken ned i ham: Hvis man kan opnå temperatur­inversion, som han kaldte det (det samme som populationsinversion), kan man øge intensiteten.

Det var et forhold, han allerede havde spekuleret over under krigen, mens han var tilknyttet Bell Laboratories, men som han havde afvist som værende umuligt på grund af de termodynamiske love. Han indså nu, at muligheden fandtes.

Med den ingeniørmæssige tilgang, Townes havde lært under Anden Verdenskrig, gik han i gang med at bygge den første maser – forkortelse af Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – baseret på ammoniak (NH3).

Resultatet stod færdigt i 1954. Maseren var baseret på to vibra­tions­tilstande for ammoniak, som kom til udtryk gennem en frekvens på 24 GHz, idet energi er lig med Plancks konstant gange frekvens.

Det indbragte ham halvdelen af Nobelprisen i fysik ti år senere.

Værsgo: Her er opskriften

Men mere vil have mere. 24 GHz var fint, men en optisk maser for synligt lys med langt højere frekvens stod på ønskelisten.

Sammen med sin svoger, Arthur Schawlow, fremlagde Charles Townes en plan herfor i 1958 med deres artikel ‘Infrared and Optical Masers’.

Heri finder vi den nu klassiske laseropskrift: Man tager en kavitet for lys, som eksempelvis kan dannes af to (delvist) reflekterende spejle. Inden i denne placerer man det aktive materiale, som belyses med en lampe for at opnå populationsinversion.

I et konkret eksempel analyserede de to svogre natrium, hvor man med en lampe (en pumpe i fagsproget) indeholdende ultraviolet lys omkring 405 nm kan bringe na­trium­atomerne fra en grundtilstand op i en højere energitilstand, hvorfra de under udsendelse af infrarødt lys med en bølgelængder omkring 3 mikrometer kan henfalde til en af to mellemliggende tilstande.

Hvis man pumper atomer hurtigt nok op i den øverste tilstand, vil man have populationsinversion for den øvre tilstand i forhold til mellemtilstandene og opnå forstærkning. Sværere er det sådan set ikke.

Denne artikel i Ingeniørens Ugeblad fra april 1961 fortæller historien om holdet hos Hughes Research Laboratories, der som de første skabte en laser med synligt lys. Læs hele artiklen i Ingeniørens arkiv på https://www.e-pages.dk/ingarkiv/9626/?page=5. Illustration: Ingeniøren 1961

Nu skulle laseren bare laves ud fra denne grundopskrift med det passende materiale, man nu syntes var bedst egnet. Flere forskergrupper deltog i kapløbet, og vinderen blev noget overraskende outsideren Theodore Maiman fra Hughes Research Laboratories i Californien, der med en rubinkrystal formåede at frembringe rødt lys med en bølgelængde på 694 nanometer.

Schawlow delte i 1981 den ene halvdel af Nobelprisen i fysik med Nicolaas Bloembergen for deres bidrag til udviklingen af laserspektroskopi. Maiman fik også sine belønninger, men en Nobelpris blev det aldrig til.

Således gik der 37 år, fra Einstein fremlagde en teori for fremstilling af koncentreret elektromagnetisk energi, til den første maser var lavet, og yderligere syv år, før den første laser så dagens lys. Og det skete kun, fordi fysik og ingeniørteknik gik op i en højere enhed.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten