Laser jest kolejnym ważnym wynalazkiem ludzkości od XX wieku, po energii jądrowej, komputerach i półprzewodnikach. Nazywa się go „najszybszym nożem”, „najdokładniejszą linijką” i „najjaśniejszym światłem”. 16 maja 1960 roku amerykański fizyk Theodore Maiman wynalazł pierwszy na świecie laser. Po raz pierwszy ludzkość miała dostęp do tak cudownego źródła światła o doskonałej monochromatyczności, wysokiej kolimacji i dużej gęstości energii. Od wynalezienia pierwszego lasera w 1960 r. lasery są szeroko stosowane w komunikacji, medycynie, produkcji przemysłowej, broni wojskowej i innych dziedzinach, stając się technologią interdyscyplinarną-ogólnego-zastosowania, która wywarła ogromny wpływ na badania w wielu obszarach i promowała poprawę efektywności produkcji społecznej. Czym właściwie jest laser? A jak jest produkowany?
Laser to skrót od „Wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania”, co oznacza wzmocnienie światła spowodowane wymuszoną emisją promieniowania. Kiedy w 1964 roku technologia ta została wprowadzona do Chin, Qian Xuesen nadał jej tę nazwę. W powszechnym użyciu ma również dość imponującą transliterowaną nazwę „leishe”. Zanim zrozumiemy działanie laserów, przyjrzyjmy się najpierw, czym jest światło.
Światło wytwarzane jest przez fotony. W 1905 roku Albert Einstein po raz pierwszy wprowadził pojęcie fotonów w swojej pracy na temat efektu fotoelektrycznego. Fotony są jedną z podstawowych cząstek tworzących materię. Fotony są niezwykle małe i w stanie spoczynku nie mają masy. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, gdy elektron spada z zewnętrznej powłoki o wyższej-energii do wewnętrznej powłoki o niższej-energii, odpowiadające jej jądro atomowe uwalnia foton, wytwarzając w ten sposób światło. Im większa jest liczba powłok, przez które przechodzi elektron, tym większa jest energia fotonu. Proces ten jest odwracalny; kiedy pada foton, jądro atomowe pochłania foton, a elektron, uzyskawszy energię, przemieszcza się z wewnętrznej powłoki o niższej-energii do zewnętrznej powłoki o wyższej-energii.
Cechą lasera jest to, że wszystkie jego fotony poruszają się razem z tą samą długością fali i fazą. W układzie atomowym elektrony poruszają się zasadniczo warstwami. Kiedy na atom wpływa jego środowisko zewnętrzne i-elektrony o wysokiej energii przechodzą na niższy poziom energii, zachodzą dwa zjawiska: „emisja spontaniczna” i „emisja wymuszona”. Lasery powstają w drodze emisji wymuszonej. Mówiąc najprościej, laser to „promieniowanie świetlne” emitowane, gdy atomy substancji są „wzbudzane” przez określone „źródło pompujące”.
Laser to urządzenie generujące światło laserowe, składające się głównie ze źródła pompy, ośrodka wzmacniającego i wnęki rezonansowej. Źródło pompy to źródło wzbudzenia lasera, dostarczające energię-elektronom o niskiej energii w celu wzbudzenia ich do wyższych poziomów energii. Typowe źródła pomp obejmują wzbudzenie optyczne, wzbudzenie wyładowaniami gazowymi, wzbudzenie chemiczne i wzbudzenie energią jądrową. Wnęka rezonansowa to obwód pomiędzy źródłem pompy a ośrodkiem wzmacniającym, zwykle składający się z dwóch zwierciadeł o określonych kształtach geometrycznych i charakterystykach odbicia optycznego połączonych w określony sposób. Pozwala to wzbudzonemu światłu na wielokrotne przemieszczanie się tam i z powrotem we wnęce, tworząc spójne, trwałe oscylacje, które są wzmacniane, a także ograniczając częstotliwość i kierunek wiązki światła. Medium wzmacniające odnosi się do ośrodka roboczego, który wzmacnia światło.
Odkąd Einstein zaproponował emisję stymulowaną w 1917 r., naukowcy spędzili 43 lata na nieustannych badaniach, zanim w 1960 r. ostatecznie stworzyli pierwszy na świecie laser. Naukowiec Maiman z Hughes Research Laboratories w Kalifornii użył-lampy błyskowej o dużej intensywności do oświetlenia rubinu, pobudzając atomy chromu w rubinie do emisji czerwonego światła. Wiercąc otwór w powierzchni rubinu, który był pokryty odblaskowym zwierciadłem, czerwone światło mogło przedostać się przez ten otwór, tworząc wysoce skoncentrowaną, wąską wiązkę czerwonego światła. Kiedy wiązka ta została skierowana w punkt, mogła osiągnąć temperaturę wyższą niż powierzchnia Słońca. W ten sposób narodził się pierwszy na świecie laser-laser rubinowy-o długości fali 0,6943 mikrometra. Była to pierwsza wiązka laserowa wytworzona przez ludzkość.
