Horváth Zoltán György
50 éves a lézer

Második rész
A lézerek kora


"A sikeres kutatáshoz nem kell mindent tudnod.
Elég egyetlen dolgot, azt, ami korábban ismeretlen volt."
A. Schawlow
 

1960. május 16-át tekintik a lézer születésnapának, amikor az Egyesült Államokban, a Hughes Laboratóriumban T. Maiman asztalán működni kezdett az első, impulzus üzemű rubinlézer. Ma már tudjuk, hogy szó sem volt villanásról, hacsak a gerjesztő villanólámpa fényét nem tekintjük annak, de az a családi fotózások során is sokszor villog. Maiman mesterséges rubinkristályt helyezett két tükör közé – a gyakorlatban úgy, hogy a rúd merőlegesre csiszolt végeit beezüstözték –, és a rudat villanólámpával gerjesztette. Azt vette észre, hogy a kibocsátott fény spektrumában az egyik vonal (szín) kierősödött, sokszorosára nőtt az intenzitása egy másik közeli vonalhoz képest. Ez a fizikusok számára már egyértelmű jele volt a ma már lézernek nevezett folyamatnak.
 

T. Maiman első rubinlézere és a lézer által kibocsátott piros fény spektruma. A felső spektrum a rubin spontán fluoreszcenciáját, az alsó, intenzitásban kb. századrészére csökkentett spektrum pedig a lézerküszöb feletti sugárzást mutatja. A két csúcs közül a jobb oldali, beszűkült 694,3 nm-es, erős vonal bizonyította a lézerműködést 

A Hughes vezetői pillanatok alatt sajtókonferenciát szerveztek, s a ma divatos megoldással nem várták meg a szakcikk megjelenését, hanem sajtótájékoztatón, közönséges újságokban jelentették be az eredményt. Tudták, hogy perceken belül bárki megelőzheti őket, ha késlekednek. Az első napon készült fotókon például a fényképész kicsinek vélte a csodacuccot, és napokkal később nagyobb rubinrúddal és villanólámpával ismételték meg a fotózást. Ez utóbbi vált az első lézer jelképévé annak ellenére, hogy ez soha nem működött. (Más volt a rubin szennyezése, és ahhoz a rúdhoz kicsi volt a fényképen látható lámpa. Ezt sokan nehezményezték, akik e fotó alapján próbálták sikertelenül reprodukálni a kísérlet.) 

Az „igazi” rubinlézer és 
T. Maiman a soha nem működő „fotogén, óriási” rubinlézerével 

Természetesen a szakcikket is azonnal megírták és elküldték a legrangosabb, viszonylag gyors megjelenést biztosító laphoz, a Phys. Rev. Lettershez, ahonnan rövid úton kirúgták az „optikai mézer”-ről szóló cikket. Részben azért, mert már elegük volt a rengeteg mézeres cikkből, ami akkoriban nap nap után született, részben azért, mert Maiman egy másik cikkét abban az évben már megjelentették, s a helyszűke miatt ilyen apróságokra is figyelni szoktak. Maimanék ezután kínjukban egy angol lapnál, a „Nature”-nél próbálkoztak, akik azonnal elfogadták a dolgozatot, s a mai napig rettenetesen büszkék e szakmai döntésükre. Kívülállóként ők ismerték fel először a munka különleges, szinte forradalmi jelentőségét.
 

   Mindenkinek volt rubinja?
 
Talán meglepő, de igen. A mézerek egyik favorit anyaga volt a krómion, ami zafírhordozóba ágyazva „rubin” néven közismert, s természetes formájában ékszerként funkcionál. A kor kristálynövesztési technikája lehetővé tette, hogy a kutatók szinte minden Cr-ion-koncentrációban vizsgálják mézerkísérleteikben a rubinkristályokat. Prohorovék 1959-es munkájukban is az egyik legígéretesebb optikai kvantumgenerátor-anyagnak javasolták a rubint. Ez eredményezte azt, hogy a világ sok laborjában szinte napok alatt meg tudták ismételni Maiman kísérletét, sőt pár hét múlva a konkurens Bell Laboratóriumban már tényleg hatalmasat villant is Schawlow és Townes laborjában a rubinlézer. Napokon belül kriosztáttal hűtött változatban, folyamatosan is világított a rubinlézer piros fénynyalábja. A Bell egy másik szobájában működni kezdett a közismert, ugyancsak híres He-Ne gázlézer is. Igaz, akkor még csak egy infravörös hullámhosszon. A piros hélium-neon lézerre még várni kellett.

 Utólag rekonstruálva a történéseket, a nagyon tudatos munkának és a véletlen szerencsének is köszönhető, hogy éppen Maiman nyerte meg az optikaimézer-építési világversenyt. Schawlowék szintén rubint akartak használni, de folyamatos üzemmódban. Ezért dolgoztak a rubinkristály hűtési megoldásain és valószínű, hogy nem a később legerősebbnek mutatkozó vonalon próbálkoztak. Maiman saját maga mérte ki rubinjai optikai spektrumvonalainak tulajdonságait, ezért talán több és pontosabb adat birtokában döntött helyesen, de az sem kizárt, hogy próba szerencse alapon próbálkozott az impulzusgerjesztéssel. Ma már tudjuk, hogy rövid időre sokkal egyszerűbb lézerműködést produkálni, mint hosszú, folytonos, stacioner állapotban. Neki bejött. Neki jött be. A sarokban azért nála is ott állt a kriosztát, azaz ő is a sok más helyen alkalmazott hűtési módszerrel dolgozott volna tovább, ha a villanólámpás próba során nem szűkül be spektrálisan és nem erősödik fel extrém mértékűre az ő rubinkristályából kilépő piros fény. 1960-ban tehát beindult a lavina, s szinte naponta fedeztek fel és publikáltak – most már nem csak az Egyesült Államokban – újabb és újabb lézeranyagokat, hullámhosszakat, gerjesztési módokat és természetesen az alkalmazási lehetőségek valós, vagy csak fantáziában létező végtelen sorát is. Reménytelen felsorolást nem vállalunk, hiszen ma már „szinte mindenből” tudunk lézert készíteni. Csak két apró bulvár érdekességet említünk: Schawlow és Hansch ehető lézere egy közismert gyorsbüfé-lánc kocsonyás zöld aszpikjából készült. Baszov és Prohorov munkatársai pedig a Kreml kincstárának szinte minden drágakövét kipróbálták. A Sándor cárról elnevezett „alexandrit”-ot akkoriban rosszul mérhették, mert csak évtizedekkel később vált meghatározóan fontos lézeranyaggá. 


   Nobel-díjasok és -díjtalanok

A díjakat adják – tartja a közkeletű mondás. Egy ilyen eredmény feltétlen elismerést érdemel. A lézerekért (pontosabban a mézer/lézerelv megalkotásáért) C. Townes, N. Baszov és A. Prohorov részesült 1964-ben ebben a megtiszteltetésben. Tudjuk, hogy nem csak három ember meghatározó munkája volt az elért siker. 

Két évre rá A. Kastler többek között a mézer- és lézerfizikában egyaránt fontos optikai gerjesztésért részesült az elismerésben. Sokkal később, 1981-ben A. Schawlow is megkapta, kissé más indoklással (lézerspektroszkópia). Mikor a kissé megkésett (17 év utáni) díj híréről értesülve megkérdezték, mit érez, rezignáltan válaszolta, hogy ezután végre talán már nem kell magyarázkodnia, miért éppen őt hagyták ki a sorból. Vele egy időben a lézerekkel végezhető, ún. nemlineáris optika úttörője, N. Bloembergen is díjazott lett mézerfizikai és lézerspektroszkópiai munkájáért. Ugyancsak megkésve, 2000-ben utazhatott Stockholmba Z. Alfjorov, akinek a legelterjedtebb lézertípus, a félvezető lézerek legfontosabb kulcsproblémájának megoldását köszönhetjük. A sor szerencsére azóta is töretlenül folytatódik. 

A „lézeres” Nobel-díjasok közül hatan is részt vettek nyáron a párizsi Louvre-ban megrendezett, 50 éves jubeliumi konferencián. A legsikeresebb és egyben legszellemesebb előadást a lézerfizika megkérdőjelezhetetlen atyja, a 95 éves, kíváló szellemi és fizikai állapotban lévő Charles Townes tartotta.

Talán nem felesleges azokról az úttörőkről is megemlékezni, akik talán szintén megérdemelték volna ezt a megtiszteltetést.

 A fizikusok leginkább A. Maimant, az első működő lézer elkészítőjét hiányolják a listáról. Őt magas amerikai kitüntetéssel kárpótolták és a „Dicsőség csarnokában” is helyet kapott. Szovjet oldalon is hosszan lehetne sorolni a kiemelkedő egyéniségeket. V. Fabrikant lényegében már 1939-ben felismerte a lézerelvet, s az 50-es évek közepén majdnem elindult He (-Ne?) lézere. Kollégáival ellentétben ő kihagyta a szinte mindenki által követett mézeriskolát, és a gázkisülések vizsgálata során jutott el a fényerősítő gondolatáig. 

 Ugyancsak mellőzötté vált az a kutató is, akinek a közismert betűszót köszönhetjük.
 

   A Gordon Gould-sztori

A lézer felfedezésének sztárjai pillanatok alatt híresek lettek. Még szakkörökben is szinte ismeretlen viszont Gordon Gould neve. Pedig neki köszönhetjük a „lézer” kifejezést, és sokan hozzájárultunk meggazdagodásához, még akkor is, ha nem tudunk róla. Gould, a Bell Laborban dolgozó Schawlow mellett Townes legközvetlenebb munkatársa, tanítványa volt akkoriban, a kutatóintézettel szorosan együttműködő szomszédos Columbia Egyetemen, ahol Townes „főállásban” tanított. Inkább tartotta magát konstruktőrnek, fejlesztőnek, iparosnak, mint tudósnak, s kiemelkedő tudású kollégái mellett ő oldotta meg a naponta felmerülő technikai problémák zömét. Munkakapcsolatuk során természetesen a folyamat sok részletét ismerte.

 1958 tavaszán Townes egy apró megjegyzéséből Gould arra a következtetésre jutott, hogy nagyon közel állnak a sikerhez, ezért még aznap szép, vonalas füzetlapokra 7 oldalon kézzel leírta mindazt, amit egy működőképes lézerről akkori tudása szerint gondolt. Lényegében azt, hogy egy 2 tükörből álló, ún. Fabry–Perot-rezonátorba kell tenni a lézeranyagot. Főnökétől, Townestól tanulta, hogy a kutatónak minden nap, pontosan dátumozva le kell jegyeznie egy kockás füzetbe azt, amit aznap éppen elért, felismert. Ezeket a lapokat még akkor este ledátumoztatta, lepecsételtette és aláíratta egy cukorkás bolt vezetőjével, aki afféle közösségi közjegyzői funkciót töltött be (véletlenül még névrokona is volt). Mindez pár hónappal Townesék szabadalmi bejelentésének beadási dátuma előtt történt. Sokkal később ezekre a füzetlapokra hivatkozva, visszamenőleges dátummal ő is beadta a szabadalmi bejelentést, megtámadva ezzel főnökei elsőbbségét. 18 évig pereskedett, míg sikert nem ért el.
  

A 20 millió dollárt érő, lepecsételt füzetlapok egyike

A szabadalmi konfliktus miatt a szakma hallgatólagosan, de kiközösítette. Ma már látjuk, sikerrel. Talán ezért nem túl ismert a neve és története. A Bellben évekig tilos volt a tőle származó „lézer” nevet kiejteni. Ott továbbra is „optikai mézer”-eket kutattak. Bánatában(?) egy haditechnikával is foglalkozó céghez ment dolgozni, ahonnan egy akkoriban nagynak számító összeget kérve (300 000 dollár) pályázatot adott be a lézerek katonai célú fejlesztésére. A pályázatot ma elképzelhetetlen sikerrel nyerte el. Mindenki megrökönyödésére több mint háromszoros összeget, egymillió dollárt kapott. Pletykák szerint a belles kollégák által ugyancsak kissé mellőzött, a konkurens Hughes-nál dolgozó lézerúttörő, Maiman keze is benne volt a dologban. 

 Egymilliót kapott volna... Csakhogy a kutatás, katonai témája miatt, szigorúan titkosnak minősíttetett, ami a résztvevők multjának alapos átvilágítását igényelte, s mivel már régen elvált feleségének korábban marxista kapcsolatai voltak, kiesett a nemzetbiztonsági rostán. (Tart még a hidegháború.) Nem vehetett részt saját projektjében! Szaktanácsadóként alkalmazták ugyan, de csak úgy adhatott tanácsokat, hogy ő maga nem tudhatta, hol tart a kutatás. 1977-ben kapta meg végre a szabadalmat a lézerre, s attól számítva 17 évig jelentős százalék járt neki minden eladott lézer árából. Az így kapott mintegy 20 millió dollár talán enyhítette szakmai mellőzöttségének fájdalmát.


   A kis fényerősítés kora

Az első 5–10 évet (1960–70) tekinthetjük a lézerkutatás (nem alkalmazás) aranykorának. Természetesen kissé kibővítve, az infravörös és ultraibolya tartományban is lézereknek hívjuk az elvben csak a látható tartományra illő fogalmat. Szinte minden, ma is használatos fontosabb lézertípust kifejlesztettek, elkészítettek az első dekádban, megszámlálhatatlanul sok anyagban és gerjesztési megoldással, mind folyamatosan világító (folytonos), mind csak rövid ideig működő (impulzus) üzemmódban. E lézerek közös jellemző tulajdonságai az egyszínűség (monokromatikus), az interferenciára való képesség (koherencia), a viszonylag nagy fényteljesítmény (pontosabban spektrális intenzitássűrűség) és a nyalábszerű fénykibocsátás (kis divergencia). Ezek voltak azok a jellemzők, amelyek a gyakorlatban megkülönböztették a lézereket a szokásos, hétköznapi fényforrásoktól. Ezekre épült a lézerek gyakorlati alkalmazásának végtelen sora.

Egy tipikus kis erősítésű (fél-)klasszikus: az argonion-lézer. Erős, nyalábszerű látható fényt sugároz, de már nem csak egyetlen hullámhosszon

A klasszikus, ma már pirosan (is) világító hélium-neon lézerekben csak néhány százalék a fényerősítés méterenként. Ezért voltak termetes jószágok az első ilyen berendezések, s ma sem nagyon tudunk ebből néhány centiméternél kisebbet építeni. Egy méretes, igen drága rubinrúd is csak 5–10-szeresére erősíti a fényt egy átfutás során. Az első időkben tehát meglehetősen kicsi volt a fényerősítés. Emlékezzünk csak a kezdeti lépésekre: örültünk, hogy legalább egyetlen hullámhosszon (színen) és egy irányban a két tükör között ide-oda verődve egyetlen irányban, vonalszerűen be tudjuk indítani a lézerfolyamatot. Mára viszont éppen ettől – az eredetileg nem tervezett – vonalszerű tulajdonságtól lett a lézerfény koncentrált, jól fókuszálható „sugárzás”. E jellemző elválaszthatatlanul hozzátapadt a fogalomhoz. Talán sokakat megdöbbent, de a mai lézerek zöme, például a CD- és DVD-készülékeinkben használt félvezető lézerek, eredeti formájukban, a rájuk szerelt lencserendszer nélkül, messze nem vonalszerű sugárzók. 

A korszerű dióda- (félvezető) lézerekből nem fénynyaláb, hanem „tölcsérszerű” fény lép ki, s teljesítményük a lézerek számával növelhető. Egy miniatűr lézertokba akár több száz kis lézer is beépíthető. Így lesz sok watt a milliwattokból

Még a kis piros mutatópálcák forrásából is seprűszerű, divergens fény lép ki, amiből a korszerű optikai technika varázsol párhuzamos fénynyalábot! A lézer-„sugár” fogalom tehát kizárólag a lézerfizika kezdetén elért kis fényerősítés következménye.
 

Ma már nagy is lehet e fényerősítés

Már hosszú ideje a nagy fényerősítés korában élünk. Diódalézereinkben milliméterenként akár ezerszeresre is megnőhet a fény intenzitása. Ugyanez igaz a színes lézerfestékekre, s a korszerű lézertechnika legújabb (kvantumpötty, diszk, mikrodiszk stb.) anyagaira. Ezek már nem feltétlen vonalsugárzók.

 A világ első síkban sugárzó (Halo) lézere

Ugyancsak a nagy erősítés tette lehetővé, hogy nem csak egyetlen színen működhet egy lézer. Sokvonalas, sokszínű, hangolható és szinte a teljes látható sávnak megfelelő, széles spektrumú fényt sugárzó lézereink is vannak. 

A részben hazánkban hamarosan megépülő ELI (Extreme Light Infrastructure: extrém intenzitású lézerrendszer) hihetetlenül rövid időtartamú fényimpulzusait igen széles spektrumú „fehér” (sőt annál sokkal szélesebb spektrumú) színű lézerekkel lehet csak előállítani. 

50 év alatt eljutott tehát a lézertechnika arra a szintre, hogy a lézereink zöme mára már se nem feltétlen egyszínű, se nem feltétlen nyalábszerű, egyszerűen csak lézerek. Hogy mitől lézer a lézer 2010-ben? Ez már külön cikk témája lenne.
 

  Tanulságok

Egy történelmi visszaemlékezést illik a folyamatokból levonható tanulságokkal zárni. Több téma is kézenfekvő lenne. Most csak egy kérdést tennék fel: 2010-ben megismétlődhetne-e hasonló folyamat? Lehet-e ma egy teljesen ismeretlen területen, szívós munkával, a tévedés és kudarc nagy valószínűségétől fenyegetve, forradalmian új jelenséget, eszközt, módszert, felismerni, „felfedezni”, kifejleszteni? Sommás válaszom: NEM! Legalábbis a világ szinte összes országában az adófizetői közösségek, államok által finanszírozott, a tudomány logikájától és fejlődési sebességétől idegen, bürokratikus és lassú kutatástámogatási rendszerekben egy ilyen „felfedezési” folyamat ma elképzelhetetlen. 

A 60-as években a lézerek bölcsőjének tekinthető Hughes és a Bell Laboratóriumok villámgyors szakmai vezetői döntésekkel irányított, komoly ipari kutatóhelyek voltak. A hasonló szovjet intézetek élén pedig pályázati időveszteség nélküli, komoly anyagi döntésekre is felhatalmazott szakmai vezetők álltak. Ezek az idők elmúltak, ezeket a kutatási technikákat a kutatáspolitika ellehetetlenítette. Kis reménnyel kecsegtet, hogy nagy ipari világcégek saját ipari fejlesztéseik, kutatásaik mellett támogatnak tudományos alapkutatást manapság is. Ott felelős, jelentős anyagi háttérrel és felhatalmazással bíró, megkérdőjelezhetetlen szakmai tudású vezetők – egy új ötletet felismerve – azonnal dönthetnek a kellő támogatásról. Tipikus példája ennek az alagútmikroszkóp története, mely az IBM-nél született, és kifejlesztőit (G. Binning és H. Rohrer) 1981-ben Nobel-díjban részesítették. Ha szabad javasolni: sürgősen be kéne vezetni a kockázati tőke fogalmának és gyakorlatának mintájára a „venture science”, azaz a kockázati (OTKA?) tudományfinanszírozás intézményét! Másképp aligha számíthatunk a lézeréhez hasonló történetek megismétlődésére.

1963-ban még a régi, elavult tudománytámogatási technikával készült el az első működő hazai lézer, kb. 5 hónap(!) alatt. Remélem, hogy 2013 Mikulás-napján (december 6-án) a hazai lézerkutatás 50 évéről is megemlékezhetünk.

Végezetül idéznék egy nagyon tanulságos gondolatot a lézerfizika egyik vitathatatlanul meghatározó egyéniségétől, C. Townestól. Az idézett rész előtt arról elmélkedett, hogy miért nem fedezték fel a lézereket sokkal korábban, például az 1930-as években, amikor lényegében már minden szükséges fizikai feltétel ismert volt. Nem tudta a választ, de megjegyezte: [nem is tudjuk, hogy] „hány más fontos jelenség lehet ma is körülöttünk, amit még elmulasztottunk észrevenni”. 


Természet Világa, 141. évfolyam, 11. szám, 2010. november
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/