Știință&Tehnică își propune să vă poarte într-o călătorie spre superalserul care se construiește la Măgurele, cu ajutorul căruia vor fi investigate tainele profunde ale materiei. Deocamdată, pentru a vă pregăti călătoria, iată care este istoria laserului.

Back
Înainte

Episodul 3

Am mai spus-o: superlaserul de la Măgurele va deveni unul dintre cei mai importanți piloni ai fizicii mondiale, un punct din care vor demara cercetări fundamentale care vor fi încununate cu Premii Nobel.

Dar nu trebuie să neglijăm un alt aspect, extrem de important pentru România. Construcția acestui supercentru de cercetare a provocat deja o puternică emulație. La sfâșitul lunii februarie, reprezentanții Consiliului Județean Ilfov au anunțat demararea unui proiect ambițios: înființarea unui parc științific și tehnologic, Măgurele Science Park (MSP), pe o suprafață de 40 ha în vecinătatea clădirii care adăpostește ELI-NP.

Domnul Nicolae Zamfir, directorul Institutului Naţional de Fizică şi Inginerie Nucleară ”Horia Hulubei”, declara pentru Radio România Actualități:

La Măgurele Science Park vor fi aduși împreună cei care produc înalta tehnologie şi cei care o consumă, începând de la relaţiile comerciale obişnuite şi terminând cu cercetări comune pentru îmbunătăţirea acestor produse. Domeniile sunt foarte largi. Tot ce înseamnă înaltă tehnologie, începând de la comunicaţii, electronică, calculatoare, inginerie în laser, optică, inginerie nucleară. Putem extinde interesul şi la cei care produc sau ajută medicina cu diferite metode noi, moderne, în tratarea diverselor boli

Vedeți? Superlaserul de la Măgurele este doar începutul, este poarta de intrare către modernizarea României.

După faimoasa lucrare „Despre teoria cuantică a radiației”, publicată de Albert Einstein în 1917, au mai trebuit să treacă decenii bune, până la apariția primului laser. Au mai trebuit să fie depășite mici obstacole teoretice și practice, dar principiul de bază al funcționării unui laser, deși nu a fost enunțat de Einstein, se bazează pe lucrarea sa amintită mai devreme. Dar cum funcționează un laser?

Principiul de func­ționare a laserului

Voi încerca să evit o descriere foarte tehnică. Trebuie să vă reamintesc că laser este acronimul de la „light amplification by stimulated emission of radiation” (amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaței). Bănuiesc că, citind fraza de mai devreme, aveți deja o idee despre felul în care funcționează un laser. Trebuie să provocăm emisia stimulată a radiației, pentru a obține amplificarea luminii. Cum putem face asta?

Imaginați-vă o incintă în care introducem un gaz sau un lichid sau un cristal. Materialul din această incintă, care poartă numele de mediu activ, trebuie să aibă anumite caracteristici, asupra cărora nu voi insista acum. Toți atomii din incinta noastră se află în starea fundamentală, adică la nivelul minimum de energie.

Din exterior, prin diferite metode (cum ar fi o lampă flash, o descărcare electrică sau chiar un alt fascicul laser) introducem un flux de fotoni în interiorul incintei. Procesul poartă numele de pompaj optic. Aportul de energie suplimentară va face ca o parte dintre atomii din incintă să treacă din starea fundamentală în stare excitată metastabilă. Asta înseamnă că ei vor rămâne în starea excitată o perioadă relativ lungă.

Dar, așa cum știți, în mecanica cuantică vorbim despre probabilități. Chiar dacă marea majoritate a atomilor rămân în starea excitată metastabilă, câțiva dintre ei se vor întoarce în starea fundamentală și vor emite un foton, prin procesul de emisie spontană, descris de Einstein în lucrarea amintită mai devreme, și despre care am vorbit mai pe larg în numărul trecut.

Acești fotoni încep să străbată mediul activ și, ori de câte ori se vor ciocni cu un atom excitat, vor provoca dezexcitarea lui și emisia unui foton, prin procesul de emisie stimulată, descris tot de către Einstein. Acest foton se va deplasa pe aceeași direcție cu fotonul incident, având exact aceleași caracteristici. În acest moment, vom avea doi fotoni care călătoresc prin mediul activ și procesul va continua în cascadă, exponențial, obținându-se un număr foarte mare de fotoni identici.

Acum avem o problemă: un foton va parcurge o singură dată mediul activ, producând un număr limitat de fotoni suplimentari. Ce să facem pentru a maximiza numărul de fotoni produși prin procesul descris mai devreme? Soluția este simplă: se folosesc două oglinzi paralele, plasate de-o parte și de alta a incintei care conține mediul activ. În acest fel, fotonii vor traversa de mai multe ori mediul activ producând „amplificarea luminii prin emisie stimulată”.

În plus, fotonii care nu se deplasează pe o direcție perfect perpendiculară pe oglinzi vor fi eliminați. Și mai este nevoie de un mic truc, pentru ca din mediul activ să iasă faimoasa rază laser. Soluția este simplă. Una dintre oglinzile despre care vă povesteam mai devreme are o oarecare transparență, de obicei 0,1%, care permite luminii produse să părăsească mediul activ al laserului.

Raza de lumină obținută pe această cale are două calități remarcabile: este monocromatică (toți fotonii au aceeași frecvență) și coerentă (undele electromagnetice asociate fotonilor sunt în aceeași fază). Cam atât vă spun acum despre principiul de bază al funcționării unui laser. Desigur, în funcție de tipul de laser, există mici variații, dar, în linii mari, principiul de funcționare a unui laser rămâne același.

Intermezzo

Am parcurs un drum foarte lung în acest serial S&T, începând din antichitate, până la enunțarea principiului de funcționare al unui laser. Ați remarcat, sper, cât de anevoios a fost acest drum. Nu l-am fi putut parcurge niciodată, dacă de-a lungul lui nu ar fi existat acea dorință, specific umană, de a străpunge necunoscutul.

Pe parcursul lui, ne-am întâlnit cu oameni minunați, care au avut îndrăzneala de a demonstra, în ciuda opiniei generale, și, uneori, chiar în ciuda propriei lor opinii, că se merge într-o direcție greșită, oferind astfel o mai bună înțelegere a luminii. Lucruri asemănătoare întâlnim în toată istoria științei, în drumul ei spre înțelegerea Universului.

În ceea ce privește lumina, drumul parcurs ne-a adus la îndemână, printre altele, și această minunată unealtă, care poartă numele de laser.

Primele lasere

Primul dispozitiv pentru amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiației a fost un… maser, sau, dacă vreți, un laser care funcționa în domeniul microundelor al spectrului electromagnetic. De altfel, în anul 1954, atunci când era construit primul maser, cuvântul laser nu fusese încă inventat.

Este interesant de remarcat faptul că două echipe de cercetători, una americană (alcătuită din Charles Townes și Jim Gordon) și una rusească (Alexandr Prohorov și Nikolai Basov) au construit, independent, câte un maser. Ca mediu activ era folosit amoniacul. Puterea fascicului de radiații a acestor prime masere era infimă, de numai câteva zeci de nanoWatt…

istoria-laserului---stiinta-tehnica-3
Charles H. Townes (stânga) și James P. Gordon, alături de a doua aplicație de tip ”maser”, construită în 2015

La scurt timp după realizarea maserului, americanii Charles Townes și Arthur Schawlow, încep să caute soluții pentru a transforma maserul în laser. În 1957, cei doi construiesc o cavitate optică la capetele căreia se afla câte o oglindă (v-am povestit despre ele, ceva mai devreme, atunci când am descris principiul de funcționare al laserului).

În 1958, publică o lucrare în care este descrisă această soluție pentru a realiza un laser (pe care cei doi l-au botezat „maser optic”), care să emită în zona infraroșie și vizibilă a spectrului electromagnetic.

În același timp, un alt fizician american, Gordon Gould, independent de Townes și Schawlow, are o idee asemănătoare. În 1957, consemnează în agenda sa prima schiță a unui laser și încearcă să obțină un contract pentru realizarea lui. Fiind mai degrabă un practician, un inventator, el amână prezentarea publică noului concept.

O face abia în iunie 1959, în cadrul unei conferințe după ce, în aprilie, același an, depune o cerere de brevet. El este cel care introduce cuvântul „laser”, ca acronim al „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.” Brevetul îi va fi acordat de abia în anul 1977.

Lucrarea lui Townes și Schawlow, din 1958, a produs o adevărată emulație în rândul fizicienilor. A început cursa pentru construirea primului laser. Primul care a reușit a fost Theodore Maiman, care pe acea vreme lucra la Hughes Research Laboratory.

În timp ce alți fizicieni își îndreptau atenția asupra folosirii unor medii active gazoase, Maiman și-a dat seama că folosind, ca mediu activ, un rubin sintetic, ar putea construi un laser. Pentru excitare a folosit o simplă lampă flash în formă de spirală, care înconjura cristalul sintetic, și pe 16 mai 1960, obține primul fascicul laser.

Primul laser românesc

În 1956, la Institutul de Fizică Atomică (IFA) se înființează laboratorul „Metode Optice în Fizica Nucleară”, sub conducrea savantului Ion I. Agârbiceanu. Născut în 1907, Agârbiceanu a urmat, între 1925-1929, cursurile Institutului Electrotehnic din București după care, în 1934, obține titul de doctor la Facultatea de Științe din Paris, cu lucrarea „Recherche sur le spectre de fluorescence et d’absorption des vapeurs de Iodine” (Cercetări asupra spectrului de fluorescență și absorbție a vaporilor de iod).

În 1948, este profesor la Institutul de Petrol şi Gaze din Bucureşti, după care devine profesor la Facultatea de Matematică şi Fizică din cadrul Universităţii Bucureşti. Între 1955 și 1971, Agârbiceanu este șeful catedrei de Fizică din cadrul Institutului Politehnic București.

Activitatea sa științifică este una de nivel mondial. În 1963, în cadrul laboratorului de „Metode Optice în Fizica Nucleară”, împreună cu echipa sa, Agârbiceanu reușeșete să construiască, după o concepție proprie, primul laser românesc. Acesta folosea ca mediu activ un amestec de heliu și neon, și emitea în zona infraroșie a spectrului electromagnetic. România, prin Agârbiceanu, devine a patra țară din lume în care s-a construit un laser.

Intermezzo

A urmat o perioadă de adevărată efervescență în lumea laserilor. Nu voi insista asupra ei și voi prefera să vă ofer o foarte scurtă cronologie a câtorva evenimente care au marcat evoluția laserilor. Încă de la începuturile sale, laserul a devenit un foarte valoros instrument de cercetare. Se cereau lasere cu puteri din ce în ce mai mari pentru a investiga în profunzime materia.

De exemplu, se dorea folosirea laserelor pentru a realiza fuziunea nucleară. Pe scurt, o mică sferă în care se află deuteriu urma să fie bombardată cu fascicule laser de foarte mare intensitate. Sub acțiunea lor, sfera s-ar comprima foarte rapid, se va încălzi puternic și ar fi inițiate reacțiile de fuziune nucleară.

Din păcate, foarte rapid a apărut o problemă de nedepășit. Cu ajutorul laserelor construite pe principiul pe care l-am prezentat la începutul acestui articol, nu se putea depăși un anumit prag de energie. Pur și simplu, mediul activ al laserului se încălzea prea mult, iar laserul era distrus. La începutul anilor 1980, problema devenise clară: nu se putea depăși o putere de circa 10 TerraW a fascicului laser. Era nevoie de o soluție.

Aceasta a apărut în anul 1985, an în care Gérard Mourou și Donna Strickland propun o nouă soluție pentru laserele de mare putere, care stă și la baza superlaserului de la Măgurele. Cu ajutorul ei, se pot obține puteri de ordinul petawaților. Dar despre ea voi vorbi pe larg în următorul episod.

Back
Înainte