1. Bogdan Miś
Niech stanie się światłość (spójna), czyli
masery i lasery
Kiedy w 1953 roku Amerykanin Charles Hard Townes wraz ze swymi dwoma uczniami – J. P. Gordonem i H. J.
Zeigerem – demonstrował na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku dziwne urządzenie o nazwie maser, nie sądził
zapewne, że gwarantuje sobie tym samym w dziesięć lat później Nobla i rozpoczyna całą epokę w historii nauki – epokę
elektroniki kwantowej. Z całą pewnością nie miał zaś pojęcia o tym, że nad analogicznym rozwiązaniem pracują też za
oceanem jego późniejsi współlaureaci, dwaj uczeni radzieccy, Nikołaj Basow i Aleksander Prochorow, którzy
konstrukcję masera opisali już rok wcześniej. Ich urządzenie było gotowe do użycia nieco później niż Townesa, ale było też
nieco doskonalsze: potrafiło pracować w sposób ciągły, czego nie umiał maser amerykański. A jeszcze wcześniej ogólną
ideę aparatu tego typu podał w 1943 roku radziecki optyk W. A. Fabrikant; odkrycie jego opublikowane zostało jednak
dopiero w roku 1954 ze względu na tajność tych prac.
Zresztą w analizie genezy wynalazku można się cofnąć w czasie jeszcze bardziej, aż do publikacji Alberta Einsteina w
1916 roku, prac R. W. Landenburga z roku 1928, pierwszych doświadczeń W. E. Lamba i R. C. Retherforda z roku
1947 czy pewnej propozycji późniejszego noblisty Alfreda Kastlera z roku 1950. Tak jednak jest w nauce, że każde
odkrycie opiera się na pracach poprzedników…
Słowo „maser” to skrót angielskiego określenia Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, oznaczające
przyrząd wytwarzający lub wzmacniający spójne fale elektromagnetyczne w zakresie mikrofalowym. Działanie urządzenia
– mówiąc zgrubnie – polega na doprowadzeniu pewnego układu atomów najpierw do takiego stanu, aby przeważały w nim
tzw. elementy wzbudzone, zdolne do wymuszonej emisji promieniowania; uzyskuje się to przez dostarczenie do układu
energii z obcego źródła w procesie zwanym obrazowo „pompowaniem” (tę właśnie ideę sformułował wspomniany wyżej
Kastler). Teraz, po wzbudzeniu układu, doprowadza się doń słabą falę elektromagnetyczną, wymuszającą (czy też
„stymulującą” – patrz nazwa urządzenia) wyzwalanie zmagazynowanej energii w postaci kwantów promieniowania; fala
wymuszająca zostaje przy tym wzmocniona, zaś emitowane promieniowanie jest spójne i jednobarwne.
W roku 1957 Charles Hard Townes i Arthur Leonard Schawlow, pracujący wówczas w Bell Labs, skupili swoją uwagę
na maserach, działających w zakresie promieniowania podczerwonego (cieplnego). Dość szybko jednak doszli do wniosku,
że bardziej obiecujące technicznie i ciekawsze naukowo będzie zajęcie się promieniowaniem widzialnym; mówili wówczas
o „maserze optycznym”, który firma Bell Labs opatentowała w rok później. Odpowiednia praca Schawlowa i Townesa
została niemal jednocześnie z patentem opublikowana w prestiżowym Physical Review (Vol. 112, wyd. 6).
W tym samym czasie młody fizyk Gordon Gould, przygotowując swoją rozprawę doktorską w Columbia University, badał
poziomy energetyczne we wzbudzonym talu. Spotkał Townesa, zaczęli rozmawiać o wspólnych zainteresowaniach – i
Gould wymyślił dla masera optycznego inną nazwę. Tę, pod którą urządzenie to jest dziś szeroko znane na całym świecie i
obecne w milionach domów: laser.
Publicznie słowo to zostało użyte po raz pierwszy w roku 1959 w szeroko dziś znanej publikacji Goulda. Jako ciekawostkę
można tu podać, że autor proponował w niej masery rentgenowskie (pracujące w zakresie promieniowania X) nazwać
„xaserami”, zaś działające w zakresie ultrafioletu „uvaserami”; obie te nazwy nie uzyskały jednak żadnej popularności.
Publikacja Goulda nie ograniczała się oczywiście do propozycji nazw. Młody uczony przewidział i wstępnie przeanalizował
niesłychane możliwości zastosowania laserów w spektrometrii, interferometrii, konstrukcji wydajnych radarów – a nawet w
syntezie termojądrowej. W toku dalszej swej pracy badawczej Gould złożył do amerykańskiego Urzędu Patentowego
odpowiednie wnioski; zostały one jednak odrzucone: patent przyznano w roku 1960 firmie Bell Labs, i ta właśnie data jest
powszechnie przyjmowana za datę narodzin lasera. Zapoczątkowało to długotrwały proces sądowy o chwałę naukową i
ogromne pieniądze, który trwał ponad 28 lat. W roku 1977 przyznano Gouldowi pierwszy niewielki patent, całkowite zaś
zwycięstwo odniósł on przed sądem federalnym dopiero w roku 1987.
Rok 1960 jest jednak uznawany za datę narodzin lasera nie tylko ze względów formalnoprawnych. W tymże roku
urządzenie – dotychczas opisywane w publikacjach – zostało rzeczywiście zbudowane przez Theodore H. Maimana w

2. Hughes Research Laboratories w kalifornijskim Malibu. Maiman wyprzedził zarówno zespół Townesa z Columbia
University, jak i konkurencyjną grupę Schawlowa z Bell Labs, czy wreszcie samego Goulda z jego TRG (Technical
Research Group).
Maiman użył w swym laserze syntetycznego kryształu rubinu i uzyskał spójną wiązkę światła czerwonego o długości fali
694 nanometrów. Nie udało mu się jednak uzyskać promieniowania ciągłego: jego laser pracował pulsacyjnie. Nieco
później w tym samym roku 1960 fizyk z Iranu Ali Javan, pracując wspólnie z Williamem Bennetem i Donaldem
Herriotem, zbudował pierwszy laser gazowy używając helu i neonu. Javan otrzymał za to w roku 1993 prestiżową nagrodę
Albert Einstein Award.
Wkrótce pojawiła się idea budowy lasera półprzewodnikowego.
The concept of the semiconductor laser diode was proposed by Basov and Javan. The first laser diode was demonstrated by
Robert N. Hall in 1962. Hall's device was made of gallium arsenide and emitted at 850 nm in the near-infrared region of the
spectrum. The first semiconductor laser with visible emission was demonstrated later the same year by Nick Holonyak, Jr.
As with the first gas lasers, these early semiconductor lasers could be used only in pulsed operation, and indeed only when
cooled to liquid nitrogen temperatures (77 K).
In 1970, Zhores Alferov in the Soviet Union and Izuo Hayashi and Morton Panish of Bell Telephone Laboratories
independently developed laser diodes continuously operating at room temperature, using the heterojunction structure.
Lasery znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki: a) w technologii materiałów (precyzyjne cięcie,
spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, dynamiczne wyważanie, zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin,
tworzyw sztucznych itp.); b) do precyzyjnych pomiarów długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń
atmosfery, szybkości przepływu, prędkości ruchu obrotowego (giroskop optyczny) itp.; c) do sterowania pracą maszyn
roboczych, wytyczania torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, do precyzyjnego pozycjonowania złożonych
konstrukcji; d) w medycynie i biologii (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne,
oczyszczanie zębów z próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne); e) do zapisywania i odtwarzania dźwięków
i obrazów (gramofon cyfrowy, magnetowid); f) w technice wojsk. (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami,
oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania; g) w holografii; h) w technologii chem.; i) w telekomunikacji
opt. (łącze laserowe, telekomunikacja światłowodowa). Użycie laserów zrewolucjonizowało spektroskopię atom. i
cząsteczkową i powiększyło m.in. dokładność pomiarów stałych atom., a przez to i uniwersalnych stałych fizycznych. Do
badania ultraszybkich procesów i reakcji chem. w układach molekularnych i w fizyce ciała stałego służą impulsy światła o
czasie trwania rzędu pikosekund, otrzymywane w układach laserowych tzw. metodą synchronizacji modów. Impulsy takie
po zogniskowaniu mają gęstość mocy do 1016 W/cm2; trwają prace nad impulsami jeszcze krótszymi femtosekundowymi
(rzędu 10 15 s), które otrzymuje się przez skracanie impulsów pikosekundowych. Lasery przyczyniły się do odkrycia i
zbadania wielu zjawisk (m.in. bistabilności opt., wymuszonej przezroczystości ośrodka, generacji harmonicznych światła,
wymuszonego rozpraszania światła), a także spowodowały rozwój nowych dziedzin nauki, takich jak elektronika
kwantowa, optyka nieliniowa, holografia, optoelektronika i in. Rozwój techniki laserowej zmierza m.in. w kierunku:
uzyskania większych mocy i energii promieniowania, zwiększenia sprawności i niezawodności działania, uzyskania
promieniowania spójnego w zakresie rentgenowskim i , zastosowania w trójwymiarowym filmie i telewizji oraz do
realizowania kontrolowanej syntezy termojądrowej. Duże nadzieje wiąże się z laserami elektronowymi, w których spójne
promieniowanie o dużej mocy wysyła hamowana w polu magnet. wiązka elektronów przyspieszonych do prędkości
relatywistycznych (bliskich prędkości światła).