יום הולדת 50 ללייזר

ב-16 למאי, 1960, תיאודור מימן ביצע תגלית מרעישה במעבדות יוז במליבו: הוא ירה את הלייזר המתפקד הראשון.

לכבוד יום הולדתו ה-50 של הלייזר … ה-USA טודיי יצא בכותרת “אלברט אינשטיין, לא דארט וידר, לראשונה חשב על טכנולוגית הלייזר”. ב-16 למאי, 1960, תיאודור מימן ביצע תגלית מרעישה במעבדות יוז במליבו: הוא ירה את הלייזר המתפקד הראשון. זוהי אחת התגליות המרעישות ביותר שאי פעם יצאו ממעבדה מדעית. ואולם כמובן שאינשטיין עומד מאחורי ההמצאה הגאונית, כפי שבדרך כלל קורה בפיסיקה. הוא זה שכתב את המשוואות מאחורי הלייזר. ב-1917 – בעת ששכלל את תורת היחסות הכללית שלו ועבד על מודל היקום הסטטי והלא מתפשט, אינשטיין כתב מאמר והציע את רעיון הפליטה המאולצת, התכונה של אטומים לפלוט אור בתדירות אחת כאשר פוגע בהם אור.

1916-17: אינשטיין, פליטה מאולצת

במאמר שאותו פרסם אינשטיין ב-1916 בכתב עת בציריך ושנה אחר כך בכתב גרמני, הוא זיהה שלושה סוגים של אינטראקציה בין החומר לאור, בליעה, פליטה ספונטאנית ופליטה מאולצת: על ידי בליעת קוונט של אור מולקולה או אטום מבצעים מעבר למצב אנרגיה גבוה יותר. האטום באופן ספונטאני – מבלי שיעוררו אותו לעשות זאת – ישוב למצב האנרגיה הנמוך יותר שלו ותוך כדי כך הוא יפלוט קוונט של אור. לבסוף, הוא יפלוט קוונט ויעבור לאנרגיה נמוכה יותר אם מעוררים אותו לעשות כן על ידי קוונט אור אחר. במקרה זה הקוונט המעורר וזה הנפלט הם בעלי אותו אורך גל ואותה פאזה. תכונה זו סללה את הדרך למייזר וללייזר.

לא רואים פליטה מאולצת בחומר הרגיל שמצוי בשווי משקל תרמי, מכיוון שמצבים בעלי אנרגיה נמוכה יותר נוטים להיות יותר מאוכלסים מאשר מצבים בעלי אנרגיה גבוהה. כדי ליצור פליטה מאולצת, צריך ליצור מצב שבו יש יותר אטומים בעלי אנרגיה גבוהה מאשר בעלי אנרגיה נמוכה. מצב זה נקרא היפוך אוכלוסין והוא הודגם לראשונה ב-1950 על ידי פורסל ופאונד בהקשר של תהודה מגנטית גרעינית. הם השתמשו ברעיון היפוך האוכלוסין והפליטה המאולצת כעקרון מגבר הנדסי. הרעיון הופיע במאמרים נוספים בהקשר הנדסי באותה תקופה ולא משך תשומת לב רבה.

במהלך שנות העשרים ממציאים כמו ניקולס טלסה טענו שהם המציאו “קרני מוות”. טסלה הכריז שהוא המציא קרניים שמסוגלות להרוס עשרת אלפים מטוסי אויב במרחק של 400 קילומטר. אבל רק לאחר מלחמת העולם השנייה, עם הצלחת הדגמת טכנולוגית הרדאר, מדענים שבו לרעיון הפליטה המאולצת של אינשטיין.

מאי 1954: המייזר

במאי 1954 פורסם מכתב בפיזיקל רביו על ידי גורדון, זיגר וצ’רלס טאונס, קבוצה קטנה מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק בראשות טאונס. הם לא רק פרסמו את הרעיון אלא גם תארו מכשיר שמבוסס על הרעיון והציגו את התוצאות הראשונות שהתקבלו באמצעות המכשיר החדש.
במהלך ביקור של טאונס בפגישת מדענים בוושינגטון ב-1951, טאונס הבין שניתן להגיע להיפוך אוכלוסין על ידי טכניקות שעושות שימוש בקרן מולקולות. הוא לא הזכיר את הרעיון בפגישת המדענים, אבל כאשר הוא שב לקולומביה הוא ישב מיד לממש אותו יחד עם גורדון, סטודנט ללימודים מתקדמים, ועם זיגר, פוסט דוקטורנט שהיה על מלגה מהתעשייה. למעשה – במבט רטרוספקטיבי – המכשיר שטאונס וקבוצתו יצרו הוא לייזר שפועל במיקרוגלים.

לאחר כמה ניסיונות כושלים בעזרת גלי מילימטר הם החליטו להשתמש בגלי 1.5 סנטימטר בגלל שהטכנולוגיה הייתה זמינה מהמחקרים ברדאר מתקופת מלחמת העולם השנייה. הם בחרו באמוניה כמולקולה המתאימה לקרן המולקולות כדי להגיע בעזרתה להיפוך אוכלוסין על ידי יצירת שני המצבים. וכך הם תכננו להוציא את מרבית המולקולות מהמצב הנמוך יותר.

המייזר של טאונס וקבוצתו. קרן של אמוניה עוברת דרך הממקד האלקטרוססטי כדי להפריד את המולקולות למצב הקוונטי העליון.

היפוך האוכלוסין הראשון הושג עם מולקולת האמוניה – אטום חנקן יחד עם שלושה אטומי מימן. היפוך אוכלוסין באמוניה מתקבל על ידי הפרדת מולקולות במצב הקוונטי העליון מאלה במצב הקוונטי התחתון. ההפרדה עצמה הושגה במייזר על ידי הקרנת קרן מולקולארית, קרן של מולקולות אמוניה דרך מערכת של אלקטרודות ממקדות. אלה יצרו שדה אלקטרוסטטי עם כיוון הקרן. מולקולות במצב הקוונטי הנמוך חשו כוח כלפי חוץ ומהר מאוד עזבו את הקרן. ואילו אלה במצב הקוונטי הגבוה חשו בכוח ממקד פנימה ולבסוף נכנסו לתוך החלל. כאשר כוח מיקרוגל בעל תדירות תהודה מתאימה מועבר דרך החלל, מתרחשת הגברה עקב היפוך האוכלוסין.

השלושה תארו את המכשיר כך, “המכשיר עושה שימוש בקרן מולקולארית שבה נבחרות מולקולות במצב מעורר במעבר מיקרוגל. אינטראקציה בין מולקולות מעוררות אלה ושדה המיקרוגל יוצרת קרינה נוספת וכך מגבירה את הפליטה המאולצת. אנחנו קוראים למכשיר שעושה שימוש בטכניקה זו ‘מייזר’, שזה ראשי תיבות ל’מגבר מיקרוגל על ידי פליטה מאולצת של קרינה'”.

רעיון המייזר פורסם ב-1954 בצורה תיאורטית בלתי תלויה על ידי קבוצה נוספת בברית המועצות, בסוב ופרוקורוב ממכון לבדב במוקבה. ב-1956 ניקולס בלומברגן מאוניברסיטת הרברד שיפר את המייזר והוסיף את רעיון השאיבה, הזרמת אנרגיה למערכת כדי ליצור את מצב היפוך האוכלוסין.

דצמבר 1958

פורסם מאמר שכותרתו הייתה “מייזרים אינפרא אדומים ואופטיים”. במאמר זה ארתור שולוב וטאונס עסקו באפשרויות ההרחבה של עקרון המייזר לאורכי גל הרבה יותר קצרים. שולוב, שעבד במעבדות הטלפון בל התחבר עם טאונס והתחתן עם אחת מאחיותיו של זה האחרון. שני המדענים עבדו יחד, הרהרו בהרחבת המייזר לאופקים חדשים, מה שהוביל גם מן הסתם למחשבות חדשות.

במקור חשבו שלא ניתן להשיג היפוך אוכלוסין, שדרוש לתפקוד המייזר, עבור הבדל רמות אנרגיה שמתאים לאור הנראה או האינפרא אדום. אבל טאונס התחיל לחשוב על המצב ביתר כובד ראש לקראת סוף שנת 1957 והגיע למסקנה שאין איסור מוחלט על היפוך אוכלוסין כזה. וכל זאת, בתנאי שמספקים את התנאים הנכונים.

מאי 1960: הלייזר

מיקרוגלים בעלי אורכי גל אופייניים של בערך סנטימטר אחד דורשים חללים שקל למדי לבנות אותם. אולם נשאלה השאלה, איזה חלל יעיל יכול לשמש לאור הנראה בעל אורכי גל שהם פי עשרת אלפים קצרים יותר? אפילו אם היו דרכים ליצור קופסא כה זעירה, כיצד ניתן היה להכניס בתוכה את הדוגמית? טאונס בתחילה חשב על קופסא מרובעת בעלת קירות העשויים ממראות, שיחזירו אורכי גל מתדירויות שונות. הוא דיבר על הרעיון הזה עם שולוב. שולוב אז העלה את הרעיון של שתי מראות שיפרידו גלים מאוד מכוונים בניצב למשטחי המראות. הם חשבו אולי אם יחוררו את הציפוי המחזיר של המראה החצי מוכספת בחור קטן זה יהיה הפתרון. אבל פתרונות אלה לא “יצאו מחוץ לקופסא” מבחינה מחשבתית.

המאמר של טאונס ושולוב הוביל למחקר של גולד, דוקטורנט שעבד בהמשך המסדרון כמה דלתות מטאונס. הוא המציא את השם לייזר – “מגבר אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה” עבור מייזר אור.

בסוף, הלייזר הראשון נבנה על ידי מימן ממעבדת יוז במליבו שבקליפורניה. מימן הפחית משמעותית את משקל המייזר. בנוסף, הוא גם עבר לעבוד עם אודם הרובי. הרובי הוא גביש של אלומינה – תחמוצת האלומיניום עם מוסף כרומיום. רמות אטומי הכרומיום הבודדים המפוזרים בגביש אפשרו את פעילות המייזר. בעוד שגביש אלומינה טהור מופיע שקוף כמו זכוכית, הרובי הוא ורוד או אדום בהיר ולכן קוראים לו “אודם”, וזה תלוי בתכולת הכרומיום. פליטת האור בתדירות האור האדום נגרמת על ידי זה שמאירים אור בעל תדירות גבוהה יותר על האודם. מימן החליט להגיע להיפוך אוכלוסין ברמות האנרגיה של הכרומיום המתאים לפליטה של אור אדום זה.

בספטמבר 1959 מימן השתתף בכנס הבינלאומי הראשון שעסק באלקטרוניקה קוונטית. שולוב הסביר שרובי כנראה לא יהיה מתאים כחומר ללייזר. אבל מימן חשב אחרת. הוא שב למעבדתו ובנה את הלייזר הראשון שעבד בפעם הראשונה בדיוק לפני חמישים שנה, ב-16 למאי 1960.

הלייזר הראשון היה מכשיר פשוט בצורה מדהימה: גוש רובי בעל שני קצוות מקבילים ומוכספים ששרתו כמראות. שפופרת פלאש רגילה בצורת ספיראלה, כזו שהשתמשו בה באותה תקופה לצילום, הקיפה את גוש הרובי. זו ספקה את שאיבת הקרינה. המכשיר היה הרבה יותר פשוט מכל מייזר שנבנה באותה תקופה.