¿Está relacionada la invención del láser con las necesidades de la guerra?
Los físicos descubrieron los láseres mientras estudiaban la estructura de los átomos. Desde la llegada de los láseres, los láseres se han utilizado en diversos campos, como la industria, la agricultura, la investigación científica y la defensa nacional. La ciencia y la tecnología del láser se han convertido en uno de los campos tecnológicos de más rápido crecimiento en la era contemporánea.
En 1913, el físico danés Bohr propuso que los átomos pueden existir en una serie de niveles de energía diferentes y sólo pueden saltar de un nivel de energía a otro. Un átomo de baja energía puede cambiar a un nivel de alta energía después de absorber energía; cuando un átomo de alta energía cambia a un nivel de baja energía, libera el exceso de energía en forma de radiación (radiación espontánea).
En 1917, Einstein propuso que los átomos pueden saltar de niveles de energía más altos a niveles de energía más bajos mediante emisión espontánea o emisión estimulada. La luminiscencia de las fuentes de luz ordinarias es principalmente una emisión espontánea; los átomos en estado excitado se ven obligados a emitir luz debido a alguna otra acción, como la iluminación, lo que provoca transiciones atómicas.
Después de que se propuso la teoría de la emisión estimulada, no recibió mucha atención. Treinta años después, hasta 1951, el físico estadounidense Thomas se interesó por él. Un día, después de su caminata, se sentó en un banco y pensó en silencio en este problema. De repente, tuvo una nueva idea: en circunstancias normales, la mayoría de las moléculas de materia se encuentran en un estado de baja energía. ¿Podemos cambiar esta situación? Varias moléculas se encuentran en un estado de alta energía, y luego se utilizan microondas para irradiar estas moléculas, provocando que sean estimuladas para emitir energía y producir un efecto de amplificación. Este proceso de transferir la mayoría de los átomos o moléculas en un recipiente a alta energía se llama inversión de población y es un requisito para los láseres y amplificadores cuánticos. Inmediatamente describió algunos requisitos básicos de diseño en el reverso de un sobre. Después de tres años de experimentos, finalmente se desarrolló con éxito el amplificador estimulado por microondas (amplificador cuántico). Uno de los primeros amplificadores de excitación por microondas era una pequeña caja de metal llena de moléculas de amoníaco excitadas. Cuando se inyectan microondas en esta caja, que está llena de moléculas de amoníaco excitadas, se emite un haz de microondas puro e intenso de alta frecuencia.
Los científicos soviéticos Basov y Prokh Harold también realizaron de forma independiente un trabajo similar y lograron el éxito. En 1964, Downes, Basov y Zenharov recibieron el Premio Nobel de Física.
Con el desarrollo de los amplificadores cuánticos, se empezó a considerar la posibilidad de extender estos principios desde la banda de microondas a la banda de ondas de luz.
En 1958, Downs y Shawlow propusieron el primer esquema teórico para el láser. Sugirieron que se debería hacer un cilindro alargado con una sustancia de aumento, con espejos iguales entre sí en sus extremos. Uno de los espejos es un espejo de reflexión total y el otro es un espejo de reflexión parcial, por lo que la luz se refleja hacia adelante y hacia atrás a lo largo del cilindro para formar una cavidad de frecuencia óptica.
El primer láser del mundo fue desarrollado con éxito por el Dr. Maiman de Estados Unidos en 1960. Usó un rubí como sustancia de trabajo, pulido en ambos extremos y bañado en plata. El componente principal del rubí es el óxido de aluminio, con una pequeña porción de los átomos de aluminio en su red cristalina reemplazada por átomos de cromo. Cuando la lámpara de xenón como fuente de excitación emite una luz intensa para iluminar el rubí, los átomos de cromo en el rubí absorben la luz verde y azul y pasan del estado fundamental al estado excitado, lo que provoca que el número de partículas se invierta. El primer láser tenía una potencia de salida de 10.000 vatios. Su varilla de cristal era muy pura y estaba hecha a mano. La intensidad del láser que emitía era 10.000 veces mayor que la de la luz solar.