تاریخچه لیزر : شرح حال تولد و بلوغ فناوری انقلابی و جاه‌طلبانه‌ای که زندگی بشر را تغییر داد (قسمت اول)

تاریخچه لیزر : شرح حال تولد و بلوغ فناوری انقلابی و جاه‌طلبانه‌ای که زندگی بشر را تغییر داد (قسمت اول)

لیزر در سال 2020، شصتمین سالگرد تولد خود را جشن خواهد گرفت. این مقاله، گاه‌شمار برخی از مهم‌ترین دستاوردهای علمی مهم مربوط به تقویت نور توسط تابش تحریکی اشعه یا همان لیزر (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-LASER) را از بدو تولدش تا کنون، ارائه می‌کند. در این قسمت از تولد مکانیک کوانتومی به عنوان زیربنای فناوری لیزر شروع کرده و با بررسی مهمترین اتفاقات دنیای این اختراع شگفت‌انگیز بشر تا سال 1962 میلادی آشنا می‌شویم.

سفری خارق‌العاده توسط نور

لیزر، بدون درک ماهیت اشعه‌ی الکترومغناطیسی نور تحقق نمی‌یافت. ماکس پلانک (Max Planck)، جایزه‌ی نوبل فیزیک را برای کشف کوانتای بنیادی انرژی در سال 1918 دریافت کرد. پلانک در زمینه‌ی ترمودینامیک فعالیت می‌کرد. او سعی می‌نمود توجیهی برای تابش جسم سیاه بیابد. مشکل این بود که جسم سیاه که تمام طول‌موج‌های نور را جذب می‌کند، چرا هنگامی که گرم می‌شود، تمام طول‌موج‌های نور را به یک اندازه نمی‌تابد.


تصویر ۱: ماکس پلانک

پلانک در مهم‌ترین کارش که در سال 1900 منتشر شد، رابطه‌ی بین انرژی و فرکانس را بدست آورد. این رابطه اساسا بیان می‌کند که انرژی تنها می‌تواند به صورت بخش‌های گسسته، منتشر یا جذب شود، حتی اگر این بخش‌ها، خیلی کوچک باشند. او این بخش‌های کوچک را کوانتا (quanta) نام‌گذاری کرد. نظریه‌ی او نقطه‌ی عطفی را در فیزیک بوجود آورد و الهام بخش فیزیک‌دانان معاصر و آینده‌ی خود مانند آلبرت اینشتین شد. اینشتین در سال 1905 مقاله‌ای را راجع به اثر فوتوالکتریک منتشر کرد. او در آن مقاله پیشنهاد کرد که نور، انرژی خود را نیز به صورت بخش‌های گسسته تحویل می‌دهد. این ذرات گسسته کوانتومی اکنون فوتون نامیده می‌شوند.


تصویر ۲: فیزیک‌دانان امت (John L. Emmett-چپ) و نوکولز (John H. Nuckolls-راست)، پیشتازان کلیدی آزمایشگاه ملی Lawrence Livermore  در علوم و فناوری لیزر و همجوشی بودند. امت در اختراع معماری لیزرهای چندکاناله که هنوز استفاده می‌شود، همکاری داشت. (آزمایشگاه ملی Lawrence Livermore)

اینشتین در سال 1917، فرایندی را پیشنهاد کرد که لیزر را محقق می‌ساخت و تابش تحریکی نام داشت. او اینطور نظریه‌پردازی کرد که در کنار جذب و تابش خودبخودی نور، می‌توان الکترون‌ها را برای تابش نور با یک طول‌موج خاص، تحریک کرد. اما این نظریه تقریبا چهل سال قبل از اینکه دانشمندان بتوانند آن تابش‌ها را تقویت کنند، مطرح شد. توانایی دانشمندان در ساخت اولین لیزر، نظریه‌ی اینشتین را تایید و اثبات کرد و لیزر را در مسیری برای تبدیل به یک ابزار قوی و فراگیر قرار داد.

سفری که ادامه می‌یابد

در طول دهه‌ی گذشته، لیزرها در عین حال که به لحاظ اندازه هم بزرگ‌تر و هم کوچک‌تر شده‌اند، به لحاظ توان و انرژی، قدرتمندتر و به لحاظ قیمت، ارزان‌تر نیز شده‌اند. فناوری لیزر به اندازه‌ی تعداد طول ‌موج ‌های تابشی و مواد مورد استفاده برای ساخت، توسعه پیدا کرده است. لیزرها راه خود را به زندگی روزمره باز کرده‌اند. با توجه به مطالعه‌ی MarketsandMarkets، ارزش بازار لیزر در پایان سال 2018 به رقم بیش از 12.9 میلیارد دلار رسیده بود.


تصویر ۳: یک خودروی خودران مجهز به رادار، لیدار و حسگرهای دیگری برای ناوبری

لیزرها در بسیاری از صنایع، به یک ضرورت تبدیل شده‌اند و این اتفاق، تاثیر مهم نور را بیش از پیش نشان می‌دهد. امروزه لیتوگرافی با استفاده از لیزر، نقشی کلیدی در ساخت نیمه‌ هادی‌ ها ایفا می‌کند. برای مثال، صنعت ساخت نیمه‌ هادی با توجه به آمار شرکت Gartner در سال 2018، 477 میلیارد دلار درآمد داشته است. سیستم‌های فاصله‌سنج مبتنی بر لیزر، اطلاعات مورد نیاز برای مسیریابی مطمئن و امن در وسایل نقلیه‌ی خودران را فراهم می‌کنند. بازار امروزی برای چنین وسایل نقلیه‌ای، بسیار کوچک است، اما پیش‌بینی‌های Allied Market Research (AMR) نشان می‌دهد که حجم تجارت این بازار تا سال 2026 می‌تواند به 550 میلیارد دلار برسد. ارزش بازار لیزرهای پزشکی شامل لیزرهای نیمه‌ هادی و گازی، سیستم‌های لیزر رنگی و سیستم‌های لیزر دیودی می‌تواند تا سال 2023 به مقدار 12 الی 13 میلیارد دلار برسد. کاربردهای پزشکی پرطرفدار، قلبی عروقی، پوستی و عمل‌های جراحی مربوط به چشم هستند. بازار مراکز اطلاعات و فیبرهای طولانی که در آن‌ها، لیزرها و اتصالات نوری، اطلاعات را حمل می‌کنند،‌ از جمله کاربردهای دیگر لیزر هستند. غول شبکه‌ی دنیا، سیسکو (Cisco) پیش‌بینی کرده که این بازار از سال 2022 با رشد سالانه 26 درصدی مواجه خواهد شد.


تصویر ۴: یک گام مهم در تولید،همانطور که در شکل نشان داده شده است،  لیتوگرافی نیمه‌هادی از لیزر ماورابنفش (EUV) استفاده می‌کند.

گاه‌شمار لیزر

26 آوریل 195۱: چارلز هارد تاونز (Charles Hard Townes) از دانشگاه کلمبیا در نیویورک، ایده‌ی میزر (maser-microwave amplification by stimulated emission of radiation) خود را در حالیکه در پارک واشنگتن بر روی نیمکتی نشسته بود، پایه‌ریزی می‌کند.


تصویر ۵: چارلز هارد تاونز (موسسه‌ی ملی تصویربرداری زیست‌پزشکی و مهندسی پزشکی)

1954: تاونز به همراه هربرت جی زیگر (Herbert J. Zeiger) و جیمز پی گوردون (James P. Gordon)، اولین میزر را در دانشگاه کلمبیا می‌سازد. میزر آمونیاکی به عنوان اولین دستگاه مبتنی بر پیش‌بینی‌های اینشتین، به نخستین تقویت و تولید امواج الکترومغناطیس با تابش تحریکی دست می‌یابد. میزر در طول‌موجی کمی بیشتر از یک سانتی متر تابش و توانی در حدود 10 نانووات تولید می‌کند.


تصویر ۶: نیکولای باسوف

1955: نیکولای باسوف (Nikolai G. Basov) و الکساندر پروخوروف (Alexander M. Prokhorov) در موسسه‌ی فیزیکی لبدوف مسکو، برای طراحی و ساخت نوسانگرها تلاش می‌کنند. آن‌ها روشی برای تولید یک جذب منفی که روش پمپ‌کردن (pumping) نامیده می‌شود، پیشنهاد می‌کنند.

1956: نیکولاس بلومبرگن (Nicolaas Bloembergen) از دانشگاه هاروارد میزر حالت جامد ریزموج را توسعه می‌دهد.


تصویر ۷: این تصویر اولین صفحه‌ی دفترچه‌ی مشهور گوردون گولد را نشان می‌دهد که او در این دفترچه نام LASER را ابداع کرد و اجزا اساسی برای ساخت یک نمونه از آن را توضیح داد. این دفترچه مورد تمرکز 30 سال جنگ دادگاهی برای حق اختراع لیزر بود. استمبر نوتاری در گوشه‌ی بالا و چپ صفحه که در تاریخ 13 نوامبر 1957 ثبت شده، بسیار جالب توجه است. استمبر تاریخ، حق گولد را بعنوان اولین کسی که فناوری‌های بسیاری را درک کرده است، اثبات کرد.

14 سپتامبر 1957: تاونز یک طرح اولیه از میزر نوری را در دفترچه‌ی آزمایشگاهی‌اش طراحی می‌کند.

13 نوامبر 1957: گوردون گولد (Gordon Gould)، فارغ‌التحصیل دانشگاه کلمبیا ایده‌اش را برای ساخت یک لیزر در دفترچه‌اش یادداشت می‌کند. ایده‌ی گوردون، برای اولین بار از نام لیزر استفاده می‌کند. وی چند ماه بعد دانشگاه را رها کرده و به شرکت تحقیقاتی خصوصی TRG (Technical Research Group) ملحق می‌شود.

1958: تاونز، به عنوان مشاور آزمایشگاه‌های بل و همچنین برادر ناتنی‌اش، آرتور اسکالو (Arthur L. Schawlow) محققی در همانجا، در یک مقاله‌ی مشترک که در مجله‌ی Physical Review Letters چاپ می‌شود، نشان می‌دهند که میزرها می‌توانند برای کار در ناحیه‌ی نور مرئی و مادون‌ قرمز ساخته شوند و همچنین پیشنهاد چگونکی انجام آن را نیز می‌دهند.


تصویر ۸: الکساندر پروخوروف

آپریل 1959: گولد و موسسه‌ی TRG درخواست ثبت اختراع برای لیزری را می‌کنند که از ایده‌ی گولد مشتق می‌شد.

22 مارس 1960: تاونز و اسکالو گواهی ثبت اختراع آمریکا به شماره‌ی 2,929,922 را برای میزر نوری، که اکنون لیزر نامیده می‌شود، دریافت می‌کنند.


تصویر ۹: حق ثبت اختراع به شماره‌ی 922/929/2

16 می 1960: تئودور مایمن (Theodore H. Maiman)، فیزیک‌دان آزمایشگاه‌های تحقیقاتی هوگز (Hughes Research Laboratories ) در کالیفرنیا، اولین لیزر را با استفاده از یک استوانه با جنس یاقوت سنتزی به قطر 1 سانتی‌متر و طول 2 سانتی‌متر می‌سازد. انتهای آن را به منظور انعکاس نور و ایجاد قابلیت بکارگیری به عنوان تشدیدگر فبری-پروت (Fabry-Perot resonator)، با استفاده از نقره پوشش می‌دهد. مایمن از لامپ‌های فلش عکاسی برای منبع پمپ لیزر استفاده می‌کند.

7 جولای 1960: مرکز هوگز یک کنفرانس مطبوعاتی برای اعلام موفقیت مایمن برگزار می‌کند.

نوامبر 1960: پیتر سوروکین (Peter P. Sorokin) و میرک استیونسون (Mirek J. Stevenson) از مرکز تحقیقاتی توماس واتسون (Thomas J. Watson Research Center) متعلق به IBM، لیزر اورانیومی را معرفی می‌کنند که یک دستگاه حالت جامد چهار مرحله‌ای است.

دسامبر 1960: علی جوان (Ali Javan)، ویلیام بنت (William Bennett Jr.) و دونالد هریوت (Donald Herriott) از آزمایشگاه‌های بل، لیزر نئون-هلیومی را توسعه می‌دهند. این لیزر اولین نمونه‌ای است که توانایی تولید یک اشعه‌ی پیوسته از نور با طول موج 15/1 میکرومتر را دارد.


تصویر ۱۰: تئودور مایمن

1961: لیزرها به همت شرکت‌هایی مانند Trion Instruments Inc.، Perkin-Elmer و Spectra-Physics در بازار مصرفی حضور می‌یابند.

مارس 1961: در دومین نشست بین‌المللی الکترونیک کوانتومی، رابرت هلوارث (Robert W. Hellwarth) از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی هوگز یک کار نظری را ارائه می‌کند. او در این کار، پیشنهاد می‌کند که با افزایش پیش‌بینی‌پذیری‌ و کنترل‌پذیرتری پالس‌های لیزر، یک بهبود چشمگیر می‌تواند در لیزر یاقوت حاصل شود. او پیش‌بینی می‌کند که اگر انعکاس آینه‌های انتهای لیزر، بصورت ناگهانی از یک مقدار بسیار کم برای عملیات لیزر، به مقدار بیشینه‌ای که می‌تواند برسد تغییر کند، یک تک پالس با توان بسیار بالا می‌تواند تولید شود.

دسامبر 1961: اولین عمل جراحی با استفاده از لیزر بر روی یک انسان بیمار توسط دکتر چارلز کمبل (Charles J. Campbell) از موسسه‌ی چشم پزشکی در مرکز پزشکی کلمبیا و چارلز کوستر (Charles J. Koester) از شرکت American Optical  در بیمارستان کلمبیا در منهتن انجام می‌شود. در این عمل جراحی، یک لیزر یاقوتی برای از بین بردن تومور روده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

1962: هلوارث به همراه فرد مک‌کلانگ (Fred J. McClung)، نظریه‌ی لیزر خود را اثبات می‌کند. لیزر نظریه‌ی او بیشینه توانی 100 برابر توان یک لیزر معمولی یاقوتی می‌کند. روش تشکیل پالس بزرگ، کلیدزنی-کیو (Q-switching) لقب گرفته است. اولین کاربردهای مهم این تکنیک، شامل جوش دادن فنرهای ساعت می‌شود.


تصویر ۱۱: نیک هولونیک (دانشگاه ایلینوی)

1962: گروه‌هایی در GE، IBM و آزمایشگاه لینکلن MIT، بطور همزمان یک لیزر گالیم-آرسنید را توسعه می‌دهند. این لیزر یک دستگاه نیمه ‌هادی است که انرژی الکتریکی را بطور مستقیم به نور مادون ‌قرمز تبدیل می‌کند. اما، این لیزر حتی برای عملکرد پالسی نیز باید خنک شود.


تصویر ۱۲: روش نور غیرخطی با مرتبه‌ی بسیار بالا، در تبدیل نور مرئی به فرکانس بالاتر ایکس-ری موفق شده است. و یک منبع رومیزی اشعه‌ی همدوس ایکس-ری نرم را ممکن ساخت.

ژوئن 1962: آزمایشگاه‌های بل ساخت اولین لیزر ایتریوم-آلومینیوم-گارنت (yttrium aluminum garnet-YAG) را گزارش می‌دهد.

اکتبر 1962: نیک هولونیاک (Nick Holonyak Jr.)، مشاور علمی یکی از شرکت‌های ژنرال الکتریک در نیویورک، کار خود را بر روی لیزر دیودی رنگ قرمز منتشر می‌کند. این لیزر، یک منبع فشرده و کارآمد نور همدوس مرئی می‌باشد که اساس ال‌ای‌دی‌های قرمز رنگ امروزی است. ال‌ای‌دی‌هایی که در لوازم مصرفی مانند سی‌دی‌ها، دستگاه‌های DVD و گوشی‌های تلفن همراه استفاده شده‌اند.


ادامه دارد...