Laseri leiutamisloost

Laseri leiutamisloost

Laserite leiutamisloos on küllaga põnevust ja dramatismi. Järgneva kirjatüki autor on Henn Käämbre ning see on omal ajal ilmunud õpiku Aatom, molekul, kristall õpetajaraamatus. 

Charles Hard Townes (28.07.1915 -27.01.2015)

Kui Charles Townes 1939. aastal lõpetas PhD kraadiga Kalifornia Tehnoloogiainstituudi (Caltechi), sai ta tööle firma Bell Telephone uurimislaborisse. Seal sai ta esialgu üsna mitmesuguseid ülesandeid. Kuid peagi tuli peale sõda, ka Belli laborilt nõuti maa sõjavõimsusele kaasaaitamist. Huvikeskmes oli sõdalaste raadiosilm – radar. Raadiolokaatorite täiustamisega tuli Townes'ilgi tegelema hakata. Tellijad nõudsid üha lühemal lainepikkusel töötavaid lokaatoreid: mida lühemad lained, seda suurem lahutusvõime (nagu mikroskoobi puhulgi). Townes oli tegev sentimeeter-laine radari loomisel. Radar sai valmis, kuid ei võtnud vedu: vee (udu, sademete, pilvede) neeldumine oli ses lainealas liiga tugev ja kustutas signaali. Kuid radaritöödest saadud ohtrad mikrolainekogemused innustasid Townesi neid kasutama aine süvastruktuuri uurimiseks raadiospektroskoopia meetoditega.

1948 avanes Townes'il võimalus siirduda tööle Columbia ülikooli. Rõõmuga võtab ta pakutud professorikoha vastu, sest "… Columbia oli enam huvitatud füüsikast, neist asjust, mis mindki huvitasid. Pealegi meeldis mulle elu ülikoolis palju enam [kui tööstuslaboris], olen ikka sinna kippunud."

Arthur Leonard Schawlow (05.05.1921 - 28.04.1999)

Järgmisel, 1949. aastal saabub Columbiasse äsja Toronto ülikoolis promoveerunud Schawlow. Kuna temagi on huvitunud mikrolaine-spektromeetriast, satub ta Townes'i rühma. Sõlmub nende pikaajaline koostöö ja koguni sugulussidemed: Schawlow'st saab peagi Townes'i õemees. 1955 ilmub nende ühine raamat Mikrolaine-spektroskoopia. Townes meenutab Einsteini poolt juba 1916. aastal osundatud stimuleeritud kiirguse olemasolu ja murrab pead, kuidas seda rakendada molekulide uurimiseks. Siit algaski tee maseriteni ja hiljem laseriteni. Ta teab, et lühemate mikrolainete vastastikmõju molekulidega on tugevam, seega on nad paremad tööriistad spektroskopisti käes. Kuid kuidas neid tekitada? Vajalikud õõsresonaatorid olnuks valmistamiseks liiga pisikesed.

Townes tuleb mõttele kasutada kiirguritena molekule endid. Kuid talle näivad ületamatuna mõned printsipiaalsed takistused. Hiljem on ta jutustanud, et õnnelik idee tuli talle ühe nõupidamise eeli hommikul Washingtonis pargipingil istudes. Naasnud Columbiasse, paneb ta oma doktorandile James P.Gordonile ette üritada ehitada mikrolainegeneraator stimuleeritud kiirgusel. "Ma loodan, et see hakkab tööle, kuid kindel ma ei ole," sõnab Townes ülesannet andes. Hiljem värbab Townes veel appi L.Zeigeri. Tööaineks valitakse Townes'ile mitmete omaduste poolest hästi tuttav ammoniaagi (NH3) aur. Selekteerides mittehomogeenses magnetväljas välja ergastatud ammoniaagimolekulid, suunatakse need resonaatorisse, kus pannakse stimuleeritult kiirgama. Teades, et võistlejaid pole, keegi teine midagi taolist teha ei kavatse, töötatakse suhteliselt aeglaselt ja süstemaatiliselt, "doktorandi tempos".

1953 võisid nad demonstreerida töötavat lämmastikmaserit. Stimuleeritud kiirgus oli rakkesse pandud. Umbes samal ajal said ammoniaakmaseri tööle ka Bassov ja Prohhorov Moskvas. Kuid kõik mõistsid, et see pole kaugeltki piir. Võimalik on stimuleeritud kiirgus tööle panna ka infrapuna ja nähtavas spektripiirkonnas.

Schawlow oli vahepeal siirdunud firma Bell laboritesse. Nad hakkavad jälle tihedamini kohtuma Townes'iga, kui viimane võtab 1956 vastu professoritöö kõrval ka Belli labori konsultandikoha. Vestlustes selgub, et mõlemad mõtlevad pingsalt võimaluste üle kvantgeneraatorite loomiseks spektri optilises piirkonnas ja otsustavad jõupingutused ühendada. Tublisti teeb muret vajaliku üliminiatuurse resonaatori probleem. Schawlow leiab lahenduse: õõsresonaatori asemel tuleb kasutada avatud resonaatorit, ära jättes kõik teised seinad peale kahe vastastikuse, mille vahel siis tekivad võimendatava/genereeritava kiirguse seisulained. Teisisõnu – jutt on laseri peeglipaarist. Samalaadne ja enamvähem samaaegne mõte tuleb ka A.Prohhorovil Venemaal.

Nõndaviisi valmib 1958 Schawlowi ja Townesi ühisartikkel laseri teoreetilistest ja tehnilistest alustest, mis ilmub Physical Review detsembrinumbris. Sellest hetkest arvestatakse tihti laseri vanust, kuigi töötavat laserit "rauas", tegelikkuses ei olnud veel olemas. Ühtlasi annavad nad sisse patenditaotluse, mis kahe aasta pärast, 1960 rahuldatakse. Samal aaastal, 16. mail saab Th. Maiman esimesi välkeid maailma esimeseslt, rubiinlaserilt. Kuid siinkohal oleks kohane anda sõna sündmuste vahetule osalisele, Dr. Ammon Yariv'ile Caltechist.

1998 korraldas USA firma Lucent vastuvõtu laseri 40nda sünnipäeva puhul, tähistamaks Schawlow' ja Townes'i artikli ilmumise ümmargust tähtpäeva. Kohal olid ka Schawlow ja Townes ise. Dr Amnon Yariv Kalifornia Tehnoloogiainstituudist jagas seal oma mälestusi.

"1960ndal aastal ma liitusin väikese uurimisrühmaga Belli laboris. Schawlow' ja Townes'i artikkel oli ilmunud juba kaks aastat tagasi, ja kogu maailmas käis äge rebimine: kes saab valmis esimeses laseri.

Belli juures mässas sellega kolm-neli rühma: Derrick Scoville, C.G.Garrett, Ali Javan ja veel mõned. Igaüks rühkis edasi omamoodi. Kes saab esimeseks? Mis seal salata, me vedasime kihlagi.

Suvel läksin naise ja äsjasündinud beebiga puhkusele San Diegosse. Saime nädalakese seal olla, kui helistas mu boss Jim Gordon: "Kuule, üks kutt Hughesi laborist Malibus ütleb, et ta on teinud laseri. Kas sa võiksid võtta firma kulul päevakese ja kihutada Malibusse? Vaata, mis seal's päris on." Öeldud, tehtud.

Tegin siis selle kolmetunnise otsa ära ja otsisin Ted Maimani välja. Ta näitas mulle oma esimesi tulemusi, ise ilmselt kõvasti närvis. Aimasin, et ega ta endas päris kindel olnud. Aga kui te kuulutate, et olete teinud maailma esimese laseri, eks ta ajab närvi küll. Ja talle oli nii kangesti julgustust vaja.

Esimese laser.
Esimese laseri komponendid. Spiraalne klaastoru on gaaslahenduslamp valgusvälke tekitamiseks, punane toru on rubiinsüdamik, kust laser valgust kiirgab, korpuses on peeglid.

Noh mulle tundus, et tal oli tõepoolest laser käes ja seda ma talle ka ütlesin. Siis helistasin Jim Gordonile tagasi ja ütlesin: "Jim, mulle paistab, et me oleme võidujooksu kaotanud."

Kuid ega me kaotusega leppida tahtnud. See on nii Belli rahva moodi. Seletasime: "See on vaid impulsseade. Mis see ka ära ei ole." Kuid eks te tea, kui palju impulsslasereid sest ajast peale on tehtud ja tööle pandud.

Oma kvantelektroonika tudengitele jutustan ma alati sellest õppetunnist: meie töötasime laseri loomiseks, kõvasti, meil oli taga tugev tehniline abiteenistus, aga meil oli mõttes ainult pidevalt kiirgav alalislaser. Ja meil ei tulnud kordagi pähe üritada teha impulsslaserit, mis on muidugi palju lihtsam.

Theodore Maiman ja esimene laser

Aga Ted Maiman, töötades Hughesi laboris üksipäini, tegelikult vastu oma šefi tahtmist, oskas leida teise, edukama lähenemise. Niisiis meil oli, mida temalt õppida.

Need olid väga erutavad päevad, sest peaaegu kõik, mis me tegime, oli tollal uus ja pikemata trükis avaldatav".

Maimani erutus saab eriti mõistetavaks, kui arvestada, et tollal oli tal ainsaks tõestuseks, et laseri genereerimislävi oli ületataud, spektri kiirgusjoone järsk kitsenemine. Mõistnuks ta ereda valguslaigu laserist lihtsalt seinal suunata, olnuks see palju näitlikum ja kindlam argument.

Jääb vaid lisada, et 10. detsembril 1964 ulatas Rootsi kuningas aastakümnetega välja kujunenud rituaali kohaselt Bassovile, Prohhorovile ja Townes'ile Nobeli preemia kuldmedalid ja sertifikaadid. Preemia formulatsioonis on öeldud, et see anti "teedrajavate tööde eest kvantelektroonikas, mis viisid maseri/laseri põhimõttel rajanevate generaatorite ja võimendite loomisele". 17 aastat hiljem, 1981 sai Nobeli ka Schawlow, "teenete eest laserspektroskoopia arendamisel". "Lõpuks tasuti ammune võlg", ütles seepeale Townes.

Laseri lugu jääks aga ülekohtuselt poolikuks, kui me ei mainiks veel üht Ameerika leidurit, Gordon Gouldi (s. 17.07.1920). Columbia ülikooli assistendina puutub Gould kokku Townesiga ja suure leiundusfännina hakkab samuti juurdlema laseri loomisvõimaluste üle. Ööl vastu 10. novembrit 1957, otsekui äkilise ilmutuse ajel, leiab Gould lahtise resonaatoriga laseri printsiibi, visandab tema konstruktsiooni ja näeb ette rea tema rakendusvõimalusi tööstuses. Ta notariseerib sedamaid oma märkmed, kuid ekslikult arvates, et patenteerimiseks peab tal olema töötav laseri prototüüp, esitab avalduse alles 1959. Muidugi hilja: Schawlow' ja Townes'i artikkel on juba ilmunud ja patenditaotluski sees. Järgneb raudsete närvidega Gouldi ja tema toetajate 30-aastane patendisõda, milles on ajuti helgemaid hetki, kuid enamasti musta lootusetust. Siiski, 1985-86 saab ta lõpuks rea patente laseri teistel leiutajatel kahe silma vahele jäänud aspektide peale ja on nüüd rikas mees: teiste patendid on juba aegunud, tema honorarid alles jooksevad. Selge, et Gouldi taotlused äratasid nii laseritööstureis kui ka teistes leidureis raevu ja laseriloo tavakäsitlustes teda ei mainita. (Lähemalt vt H.Käämbre, Kolmekümneaastane patendisõda, Luup nr 13(122), 21.07.2000, lk 22-23.)

Laseri leiutamislugu on suurepärane näide alusuuringute praktilistest viljadest. Mitte keegi ei planeerinud ja kavandanud "projekti" (nagu nüüd igast asjast kombeks öelda) nimega "Ülivalgusallikas laser". Schawlow meenutab: "Oletasime, et tal võiks olla mõnesuguseid rakendusi sidepidamises ja teadustöös, kuid muid rakendusi ei tulnud meil pähegi. Kui neid olnukski, oleks nad meid vaid kammitsenud ja loonud tarbetut pinget."

Ja Townes lisab: "Milline uurimisplaneerija, kavandades ereda valgusallika loomist, oleks alustanud molekulide mikrolaineuurimisega? Või milline tööstur, otsides uusi lõike- ja keevitusriistu, või arst, soovides uut kirurgiainstrumenti, oleks õhutanud uurima mikrolainespektroskoopiat? Kogu kvantelektroonika on tõeliselt krestomaatiline näide sellest, kuidas kõige laiema rakendusväljaga tehnoloogia kasvab ootamatult ja ettekavatsematult välja alusuuringutest."

Suurte ja pöördeliste, kogu teaduse paradigmat pea peale pööravate avastustega pole tihti kerge harjuda isegi suurtel meestel. Ch.Townes kirjeldab om kohtumist Bohriga 1954. aastal Kopenhaagenis. Bohr päris temalt, millega ta tegeleb. Townes kirjeldas talle maserit ja selle ülimalt ainusageduslikku kiirgust. "Aga see pole ju võimalik!" hüüatas Bohr. Townes püüdis teda veenda, kuid toetudes Heisenbergi ebatäpsuse relatsioonile, jäi Bohr kindlaks, et kui molekulid lipsavad maseris läbi resonaatori suure kiirusega, peavad nende kiirgusjooned olema laiad. Kui Townes ajas ikkagi oma, Bohr taandus: "Nojah, võibolla teil on tõesti õigus." Kuid Townes'ile jäi ikkagi mulje, et see oli vaid Bohri tavaline viisakus, veenda teda ei õnnestunud. Väga sarnane jutuajamine oli Townes'il mingil banketil ühega kompuutrite isadest, ungari matemaatiku John von Neumanniga. Üksnes selle vahega, et mõne aja pärast loovis Neumann Townes'i juurde tagasi ja sõnas: "Jah, teil on ikkagi õigus." Tema ümberveendumisest andis kõige kindlamat tunnistust see, et tema järelejäänud paberite hulgas leidus kirjakontsept Edward Tellerile, kus ta arutleb võimaluse üle luua infrapunalaserit pooljuhtidel, mida tugevasti pommitatakse neutronitega.