Odyseja laserowa - ebook

Słowo od eksperta

Książka Teodora Maimana _Odyseja laserowa_ jest wyjątkowa pod kilkoma względami.

Po pierwsze, trafia do polskiego czytelnika w 60. rocznicę zbudowania pierwszego lasera emitującego światło widzialne – impulsowego lasera rubinowego. Od tego czasu lasery stały się urządzeniami obecnymi w codziennym życiu – nie tylko zaawansowanymi urządzeniami badawczymi. Jest to świetna okazja, aby spojrzeć na to odkrycie z pewnego dystansu.

Po drugie, autorem książki jest sam odkrywca, co gwarantuje relację „z pierwszej ręki” najlepszego możliwego eksperta.

Po trzecie, książka bardzo szeroko przedstawia tło i okoliczności towarzyszące temu odkryciu. Ten aspekt uważam za prawdziwie fascynujący i w mojej opinii stanowiący największą wartość książki. Odkąd poznano i sformułowano zasady działania lasera i stworzono pierwszy maser (źródło spójnego promieniowania mikrofalowego wykorzystujące tę samą co laser zasadę – emisję wymuszoną), odkrycie lasera, wydawało się tylko kwestią czasu. Pracowały nad tym najpotężniejsze laboratoria na całym świecie – głównie w USA, dysponujące wielkimi funduszami i znakomitym personelem. Teodor Maiman pochodził z tego środowiska – doktoryzował się na Uniwersytecie Stanforda u Willisa E. Lamba (laureata Nagrody Nobla z fizyki w 1955 roku). Mając szansę na kontynuację swojej czysto naukowej kariery u boku noblisty, decyduje się na pracę nad techniczno-praktycznymi problemami, „popełnia mezalians” i wiąże się z niewielkim oddziałem Hughes Aircraft Company. Co więcej, w swoich pracach idzie pod prąd trendom narzuconym przez establishment naukowy i pracuje samodzielnie nad krytykowanym przez środowisko sposobem uzyskania akcji laserowej.

Książka wprowadza w świat intryg i polityki, nieznany przeciętnemu czytelnikowi. Przedstawia różne niezwykłe okoliczności związane nie tylko z tym odkryciem, lecz także z atmosferą na styku nauki i wielkiego przemysłu. Oczywiście spojrzenie autora jest bardzo subiektywne, ale takie jest jego prawo.

Ujawnienie powiązań wielkiego biznesu i uwikłań nauki, a także ukazanie jakże romantycznej postawy osamotnionego badacza idącego pod prąd establishmentu i ostatecznie odnoszącego sukces, to wielka wartość tej książki.

_Wojciech Gawlik_

_Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ_

Kraków, 9. 10. 2020Wstęp

Laser należy z pewnością do najważniejszych osiągnięć nauki XX wieku, a jego zastosowania zaskakują nas dalej swoją różnorodnością w wieku XXI. W roku 2010, pod nazwą LaserFest, obchodzono na całym świecie 50. rocznicę wynalezienia lasera. Podczas 39. sesji konferencji UNESCO 7 listopada 2017 roku zapadła decyzja o proklamowaniu 16 maja Międzynarodowym Dniem Światła – dla upamiętnienia dnia pierwszego błysku rubinowego lasera Theodore’a Maimana. Na rok 2020 przypadła już 60. rocznica wynalezienia lasera. Jednak pomimo ogromnego spektrum zastosowań lasera historia jego powstania nie jest powszechnie znana, a nawet krąży wiele informacji nieścisłych, wręcz błędnych, związanych z jego odkryciem. Niniejsza książka, napisana przez konstruktora pierwszego w historii lasera Theodore’a Maimana, na pewno wiele wyjaśni. Jest fascynującym opisem drogi do tego wiekopomnego odkrycia. Theodore Maiman napisał książkę w roku 2000, po pojawieniu się na rynku wydawniczym w roku 1999 książki Charlesa Townesa _How the Laser Happened. Adventures of a Scientist_. Książka T. Maimana opisuje wysiłki i dramatyczną atmosferę badań laserowych w latach 50. i 60. XX wieku.

Miałam przyjemność poznać Theodore’a Maimana i zaprzyjaźnić się z nim, kiedy w roku 1999 zdecydował się opuścić USA i zamieszkał z żoną Kathleen na stałe w kanadyjskim Vancouver. Rozmawialiśmy czasami na tematy związane z laserem. Zdarzyło się nawet, że światło prawdziwego pierwszego lasera zabłysnęło dla nas w pokoju państwa Maimanów. Theodore Maiman zmarł w Vancouver w roku 2007. Pozostały nam wspomnienia o wynalazcy lasera, ale również skromnym, uczciwym, ciekawym człowieku. Pierwszy laser podróżuje po słynnych muzeach technicznych świata i jest często demonstrowany na sympozjach i konferencjach.

Polskiego czytelnika z pewnością zainteresują rodzinne związki Theodore’a Maimana z naszym krajem. Jego dziadkowie od strony ojca pochodzili z Warszawy. Zgodnie z zachowanymi pamiętnikami ojca Theodore’a Abego rodzina Maimanów była znana w Warszawie z mistrzowskiej sztuki rzeźbienia w drewnie. Zarówno pradziadek Theodore’a, jak i dziadek Saul Maiman zostali nawet zwolnieni przez cara ze służby wojskowej, gdyż byli wspaniałymi snycerzami. Saul Maiman budował artystyczne zegary stojące, rzeźbił ikony dla kościołów prawosławnych, wykonał również artystyczną _Torah Ark_ (Aron ha-kodesh – zdobioną szafę, w której trzymane są zwoje Tory) dla wówczas nowo budowanej warszawskiej synagogi chóralnej. Zgodnie z opinią historyka architektury dr Eleonory Bergman była to prawdopodobnie synagoga Adas Jeszurun przy ulicy Świętojerskiej 21. Z powodu nasilającego się antysemityzmu i rosnących problemów finansowych Saul opuścił Polskę w 1899 roku. Najpierw znalazł się w Nowym Jorku, potem w Denver, dokąd ściągnął z Warszawy żonę. W 1902 roku w Denver urodził się Abe, ojciec Theodore’a.

Wychowanie w rodzinie, w której szanowało się wykształcenie, niezależność umysłową i naukę, wywarło wpływ na rozwój intelektualny młodego człowieka. Pierwszy laser powstał w 1960 roku dzięki temu, że Theodore Maiman miał odwagę wybrać własną, oryginalną drogę naukową. Przy różnych okazjach zalecał wybór indywidualnego podejścia w badaniach naukowych. Oto, co powiedział na zakończenie uroczystości nadania mu tytułu doktora honoris causa kanadyjskiego Uniwersytetu Simona Frasera:

Rada dla tych, którzy chcą zaryzykować pójście własną drogą: musisz zaakceptować realia życia. Im bardziej się oddalisz od wydeptanych ścieżek i konwencjonalnych poglądów, tym bardziej narazisz się na utratę poparcia środowiska. Naturalnie, jeśli dopniesz celu mimo przeciwstawienia się utartym poglądom, będziesz szczególnie usatysfakcjonowany. Ale nawet w przypadku, kiedy nie uda ci się dojść do celu, wciąż czeka cię nagroda za twój wybór. Doznasz dreszczu emocji i podniecenia przygody. Zapewniam cię, twoja droga nie będzie nudna.

Cytat powyższy stanie się szczególnie wymowny po przeczytaniu niniejszego pamiętnika.

Niedawno upłynęło sto lat od czasu, kiedy Albert Einstein przewidział teoretycznie zjawisko emisji wymuszonej. Jest to znakomity moment, aby celebrować nie tylko jego geniusz, lecz także geniusz Theodore’a Maimana, który wykorzystał to zjawisko w zakresie fal świetlnych w laserze. Pamiętnik wynalazcy lasera zapozna czytelnika z trudnymi początkami powstania tego fantastycznego wynalazku.

Wiesława RawiczWspomnienie Kathleen Maiman

Ted był osobą wyjątkową. Po przeczytaniu jego wspomnień każdy zrozumie, że jego indywidualizm był nieodzowny, aby stworzyć pierwszy na świecie laser. Szybko mnie zafascynował, gdy poznaliśmy się w lutym 1984 roku w czasie podróży samolotem z Waszyngtonu do Kalifornii. Zauważyłam, że obserwował mnie w czasie lotu. Aby przerwać milczenie, zapytałam o cel jego podróży. Ponieważ na początku odpowiadał lakonicznie, zaledwie „tak” lub „nie”, żartobliwie zapytałam, czy jedzie na obiad z prezydentem Stanów Zjednoczonych. Jego zagadkowa odpowiedź: „Nieomal” została wyjaśniona, kiedy dowiedziałam się, że Ted wracał z uroczystości wprowadzenia do National Inventors Hall of Fame, na której spodziewano się obecności prezydenta Ronalda Reagana.

Kiedy poznałam Teda, byłam pod wrażeniem zarówno jego skromności, jak i zdolności do szybkiego dotarcia do istoty problemu, zarówno technicznego, politycznego, jak i codziennego. Dzięki temu, że był bardzo towarzyski, poznałam wiele interesujących osób z różnych środowisk, które podobnie jak on miały szerokie zainteresowania i różnorodne doświadczenia i poglądy. Towarzyszyłam Tedowi na wielu konferencjach laserowych. Mieliśmy okazję oglądać osobiście operację wykonania by-passów serca przy wykorzystaniu lasera rubinowego do tworzenia kanałów w chorym sercu, byliśmy świadkami laserowej fotodynamicznej terapii nieuleczalnego dotąd raka nosa, a także poszerzenia oczu osobom pochodzenia azjatyckiego przy użyciu lasera.

Ted znajdował odpoczynek i relaks w ciągłym opracowywaniu nowych projektów, zarówno pokrewnych laserom, jak i spoza dziedziny jego wiedzy specjalistycznej. Nałogowo kreślił schematy nowych urządzeń i wypełnił wiele notatników matematycznymi formułami i obliczeniami. W każdym miejscu zamieszkania miał warsztat, w którym przeprowadzał testy swoich pomysłów. Wśród kreacji jego płodnego umysłu było urządzenie do destylacji świeżej wody z atmosfery, plan samolotu pionowego startu, a nawet działający cienki laserowy telewizor (na wiele lat, zanim stały się one powszechne dostępne).

W intensywnym okresie rozwoju pierwszego lasera w Hughes Aircraft Ted często grał w szachy ze swoim asystentem Irneem D’Haenesem, aby złagodzić stres związany z ciągłym niebezpieczeństwem utraty niewielkich funduszy, co groziło zarzuceniem projektu i niedokończeniem lasera.

Laser skonstruowany przez Teda był elegancki i prosty. Ted był człowiekiem eleganckim, człowiekiem z zasadami.

Kathleen MaimanPodziękowania – wydanie oryginalne

Jestem wdzięczny wielu osobom, które przyczyniły się do powstania tej książki, i chciałbym wyróżnić niektóre z nich. Oto one.

Przede wszystkim moja siostra Estelle Kurtzman – za nieustające wsparcie, wnikliwe czytanie każdej kolejnej wersji roboczej oraz za ciągłą pomoc w pracy nad książką.

Mój wieloletni przyjaciel Jim Cavuoto – za wsparcie i pomoc w redagowaniu tekstu oraz pomysł rekonstrukcji mojego pierwszego lasera.

Sharon Levin, która skrupulatnie sprawdziła mój początkowy manuskrypt pod względem gramatycznym.

Przyjaciele i koledzy, którzy wspaniałomyślnie poświęcili swój czas na przeczytanie mojego rękopisu i wnieśli wnikliwe uwagi oraz zdobyli się na konstruktywną krytykę: Mike Barnoski, Tom Wickes, Cecil Gaspar, Bernie i Joan Mintz, Barbara Finke, Ray i Edith Tasker, Lawrence McCain i Jacob Kuriyan.

Marion Harding – za wnikliwe komentarze i ogromną pracę przy doprowadzeniu manuskryptu do publikacji.

Moja redaktorka Pratibha Patel – zadawała wiele prowokujących pytań, zmuszających mnie do jaśniejszego wyrażenia myśli i idei.

Monica Karamanian – za cierpliwe odszyfrowywanie mojego pisma w rękopisie i przetworzenie go w czytelny tekst oraz za jej entuzjastyczne poparcie mojego projektu.

Najbardziej dziękuję mojej żonie Kathleen za fenomenalną cierpliwość, godną podziwu zdolność słuchania, niesłabnący entuzjazm, energię i zaradność w procesie publikacji książki.Podziękowania – wersja polska

Wiele osób przyczyniło się do powstania polskiej edycji _Odysei laserowej_. Szczególne podziękowania należą się Kathleen Maiman, mojemu przyjacielowi Stanisławowi Lasockiemu oraz mojemu synowi Bolkowi, którzy od początku aktywnie popierali ten projekt. Bez ich entuzjastycznego wsparcia polski przekład książki wynalazcy lasera nie pojawiłby się w druku.

Specjalne podziękowania kieruję do prof. Wojciecha Gawlika za czas spędzony na dokładnym przeczytaniu mojego tłumaczenia i jego wnikliwej korekcie pod względem językowym i merytorycznym. Prof. Jerzemu Szwedowi dziękuję za bezcenne wskazówki.

Prof. Eleonorze Bergman dziękuję za informacje związane z warszawską rodziną Theodore’a Maimana.

Ponadto dziękuję za pomoc w tłumaczeniu i dyskusje Pawłowi Kowalskiemu, Michałowi Paszkowskiemu, a także mojemu mężowi Andrzejowi Rawiczowi.

Dziękuję zespołowi PWN, a szczególnie redaktorowi Karolowi Zawadzkiemu, za dostarczenie polskiemu czytelnikowi książkowego wydania historii pierwszego lasera.

Wiesława RawiczProlog

16 maja 1960 roku to dzień, w którym zademonstrowałem działanie zaprojektowanego przeze mnie pierwszego na świecie lasera. Był to debiut znanego dzisiaj wszystkim źródła olśniewającego światła. Od tego dnia pojawiły się niezwykłe zastosowania laserów w medycynie, technice światłowodowej, odtwarzaczach CD, DVD i wielu innych dziedzinach nauki i techniki.

Chociaż praca nad pierwszym rubinowym laserem przyniosła mi wiele satysfakcji, to jednak na drodze do niego piętrzyło się mnóstwo przeszkód. Aby osiągnąć cel, musiałem przeciwstawić się poglądom wielu specjalistów w tej dziedzinie. Sytuacja ta nie zakończyła się w momencie zbudowania pierwszego lasera – przeciwnie, wiele ważnych aspektów dramatu dopiero się zaczęło. Mój ojciec Abe, naukowiec-altruista, wierzył, że jedynym celem technologii jest służenie ludzkości i ulepszenie świata, dlatego nie byłem przygotowany na przedzieranie się przez dżunglę komplikacji, w której się znalazłem w okresie po odkryciu lasera.

W realnym świecie naukowym istnieje ostra konkurencja, jeśli chodzi o uznanie, zaszczyty, wpływy i finansowanie. Być może nic w tym dziwnego, że reakcja pokonanej konkurencji często wydaje się bardziej polityką pełną intryg i nieczystych zagrywek niż nauką. Większość z nas nie zdaje sobie sprawy, że w świecie nauki istnieją brudne zagrywki, ale taka jest rzeczywistość. Zostałem zmuszony do manewrowania na tym polu minowym. W tym czasie spotkałem ludzi o przeróżnych charakterach i znalazłem się w wielu niezwykłych, czasem nawet skandalicznych sytuacjach.

Napisano dużo wersji historii powstania lasera, ale bez informacji z pierwszej ręki opisy te są niepełne i omijają ważne osoby i polityczne tendencje w ewolucji lasera. W tej osobistej relacji uzupełnię brakujące informacje, aby przywrócić równowagę faktom, i opowiem, w jaki sposób rzeczywiście powstał laser. Mam nadzieję, że czytelnik zechce wziąć udział w przygodach mojej laserowej odysei.

ROZDZIAŁ 1
WPROWADZENIE

Wszechobecność laserów

Obecnie w użyciu jest mnóstwo różnego rodzaju laserów. Wydaje się, że są wszędzie. Wkraczają w różnorodne dziedziny życia, takie jak medycyna, rozrywka, nauka, przemysł, telekomunikacja, wojsko. Technologie laserowe wniknęły nawet do domu – jak niewielka półprzewodnikowa dioda laserowa, CD-ROM i napęd DVD. Laser musi też być gdzieś wewnątrz domowej drukarki laserowej.

Lasery mogą dostarczyć urzekających wrażeń, choćby w czasie pokazów lub oglądania bohaterów _Gwiezdnych wojen_ wymachujących laserowymi mieczami. Migające czerwone światełko skanera w kasie supermarketu i błyskający punkt świetlny na ścianie, pochodzący od wskaźnika laserowego, przypominają nam o ich istnieniu. Telefony, telefony komórkowe, telewizja, surfowanie po internecie – wykorzystują przepływ informacji przez włókna szklane o grubości ludzkiego włosa. Łączność światłowodowa odbywa się za pomocą promienia pochodzącego od lasera o rozmiarze główki od szpilki, podobnego do tych używanych w odtwarzaczach CD, w płytach CD-ROM i napędach DVD.

Technologie laserowe zrewolucjonizowały zabiegi medyczne, poczynając od nieomal bezkrwawych operacji, a skończywszy na pionierskich metodach leczenia raka. W okulistyce używa się laserów do leczenia katarakty, jaskry, schorzeń siatkówki. Laserowa korekcja wad wzroku to dobry sposób na pozbycie się okularów. Zabiegi kosmetyczne uległy zmianom dzięki użyciu laserów do usuwania zmarszczek i znamion, a także niechcianych włosów i tatuaży. Lasery są nawet stosowane do wybielania zębów.

Znalazły również zastosowanie w przemyśle. W produkcji samochodów używa się ich do cięcia stali, w produkcji samolotów do precyzyjnej obróbki specjalistycznych materiałów, są wykorzystywane przy produkcji elementów półprzewodnikowych i elektronicznych. Nawet w przemyśle odzieżowym lasery tną tkaniny na ubrania. Nowoczesne samoloty, jak na przykład Boeing 767, używają laserowych żyroskopów do nawigacji.

W zastosowaniach militarnych lasery są używane w dalmierzach (optycznych radarach) do pomiarów odległości do celu i naprowadzania broni (tak zwanych inteligentnych bomb i rakiet).

Istnieje wiele rodzajów laserów o różnych kształtach, rozmiarach i charakterystykach wiązki promieniowania. W zależności od zastosowań lasery mogą być albo przemysłowe, o bardzo dużej mocy, rzędu wielu tysięcy watów, albo miniaturowe, o mocy kilku watów nawet do ułamka wata, stosowane w chirurgii, odtwarzaczach CD i DVD.

Odkrycie

Często jestem pytany, jak to się stało, że wynalazłem laser. Wielu zakłada, że był to wynik jakiejś nagłej inspiracji. Nie, to nie tak. Wydaje się bardzo ekscytujące i dramatyczne dokonać odkrycia pod wpływem snu lub nagłej wizji, ale zdarza się to niezmiernie rzadko. W rzeczywistości prawie wszystkie odkrycia naukowe opierają się na poprzednich osiągnięciach nauki. Tak było, kiedy bracia Wright po raz pierwszy zbudowali szybowce, których nie wynaleźli, ale udoskonalili. Użyli śmigła, którego wynalezienie przypisuje się Leonardowi da Vinci, i wykorzystując aerodynamikę, skonstruowali lekki silnik. Połączenie tych udoskonaleń doprowadziło do zbudowania samolotu, który odbył pierwszy w świecie lot załogowy. Nawet tak zwane „przypadkowe wynalazki”, jak tworzywa sztuczne lub penicylina, mogły się zdarzyć, ponieważ ich wynalazcy mieli wiedzę i potrafili docenić ważność tego, co widzieli. Mieli dość kreatywności, aby urzeczywistnić swoje pomysły.

Odkrycie zdarza się przygotowanemu umysłowi!

Tak samo było z laserem. W 1917 roku Albert Einstein stworzył podstawy i założenia, na których oparte są lasery. Einstein sformułował i wyjaśnił zasady absorpcji i emisji promieniowania atomów i molekuł. To on wprowadził podstawowy koncept działania lasera jako zjawiska _stymulowanej emisji promieniowania._ Końcówka „-ser” w wyrazie „laser” pochodzi właśnie od pierwszych liter wyrażenia s_timulated_ e_mission of_ r_adiation_ (stymulowana emisja promieniowania).

W latach dwudziestych XX wieku fizycy C.H. Füchtbauer i Rudolf Ladenburg rozwinęli teorię Einsteina i wykazali związek absorpcji światła w medium z podstawowymi właściwościami atomów danego medium (równania Füchtbauera-Ladenburga). Ale to rosyjski fizyk Walentin A. Fabrikant w 1940 roku pierwszy przedstawił koncept lasera.

Postęp w nauce i technologii następnych lat stworzył drogę do mojego wynalazku. Wcześniejsze doświadczenie technologiczne, praktyka i wyksztalcenie pomogły mi w uzyskaniu narzędzi do otwarcia drzwi wiodących do pierwszego lasera.

Spójność światła

Kiedy stacja radiowa lub telewizyjna wysyła sygnał, całe promieniowanie elektromagnetyczne ma jedną częstotliwość, reprezentowaną liczbą na pokrętle lub numerem kanału telewizyjnego. Fale przekazywane przez przekaźnik radiowy lub telewizyjny są zgodne w fazie. Promieniowanie tych źródeł może być łatwo przesyłane w żądanym kierunku lub zogniskowane w ograniczonym obszarze. Ten rodzaj promieniowania nazywa się promieniowaniem _spójnym_ lub _koherentnym._ Natomiast słońce, żarówki i lampy fluorescencyjne są znanymi przykładami źródeł światła _niespójnego lub niekoherentnego_. Promieniowanie tych źródeł fali elektromagnetycznej (światła) rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, dlatego po włączeniu żarówki cały pokój jest oświetlony. Fale emitowane z takich niespójnych źródeł nie są w fazie. Źródła te emitują fale w szerokim zakresie spektralnym promieniowania widzialnego (wszystkie kolory tęczy – światło białe), a nawet poza zakresem światła widzialnego.

Pojawienie się lasera zostało okrzyknięte przełomem w nauce. Inaczej niż w przypadku Słońca i innych źródeł światła niekoherentnego laser wysyła światło jednego koloru, jego fale są zgodne w fazie, a promieniowanie może być skupione w małym punkcie. Krótko mówiąc, laser produkuje światło spójne o właściwościach podobnych do fal elektromagnetycznych używanych w radiu, telewizji i radarach. Niespójne źródła światła oczywiście spełniają również bardzo ważną funkcję w naszym życiu. Dostarczają światła potrzebnego do poruszania się, jak i do czytania. Jednak w komunikacji wymagającej światła monochromatycznego (o pojedynczej częstotliwości), jak i w odtwarzaczu DVD wymagającym precyzyjnego skupienia światła, trudno użyć światła niespójnego.

Aby lepiej zrozumieć znaczenie źródła światła spójnego, efekty jego wynalezienia i szerokie zastosowanie, rozważmy niektóre podstawowe koncepty w fizyce. Energia elektryczna z gniazdka sieciowego w domu, radio AM, fale wysokich częstotliwości używane w telewizji i radiu FM (UKF), mikrofale używane w komunikacji, radarach, komunikacji satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych, światło podczerwone, widzialne i nadfioletowe – wszystkie te rodzaje promieniowania mają coś wspólnego. Są częścią _widma elektromagnetycznego_. Wszystkie przenoszą się (propagują energię) z prędkością światła. Światło widzialne jest dla nas specjalną częścią tego spektrum, ponieważ mamy w ciele wbudowany jego czujnik: oczy.