Boeken

Tuesday, May 11, 2010

De geschiedenis van de laser

Uitvinder Theodore Maiman bij de allereerste laser in 1960.
Credit: Hughes Research Laboratories

In het zojuist verschenen nummer van technologietijdschrift De Ingenieur staat een uitgebreid artikel van mijn hand over de toekomst van de laser. Aanstaande zaterdag verschijnt in NRC Handelsblad ook nog een artikel van mij over de laser. En dat alles ter gelegenheid van de vijftigste verjaardag van de laser, aanstaande zondag, 16 mei.

Ter voorbereiding op deze artikelen heb ik een zorgvuldig en zeer uitgebreid overzicht samengesteld van de geschiedenis van de laser en zijn toepassingen.

Je kunt dit overzicht hieronder bekijken, of als PDF.

Drie perioden:


1. De pre-maser-periode (1916-1953)
2. De maser-periode (1953-1960)
3. De laser-periode (vanaf de uitvinding van de laser in 1960)

1916

De Duitse fysicus Albert Einstein suggereert de theoretische mogelijkheid van gestimuleerde emissie van licht, de natuurkundige essentie van laserlicht. In die tijd denkt men dat het effect in de praktijk te klein is om het waar te nemen.

1928

De Duitse fysicus Rudolf Walther Ladenburg observeert voor het eerst op een indirecte manier gestimuleerde emissie. Niemand ziet er een praktische toepassing in.

1935

Uitvinding van de radar: coherente elektromagnetische golven in het radiospectrum

1951

De Amerikaan Charles Townes ontwikkelt de eerste ideeën om gestimuleerde emissie op te wekken met microgolfstraling. Nobelprijswinnaar Rabi en de latere Nobelprijswinnaar Kusch beweren dat het onmogelijk is een maser te bouwen en vragen Townes te stoppen met zijn maser-onderzoek. Maar Townes gaat door.

1953

Charles Townes demonstreert samen met zijn promovendus Jim Gordon de eerste ‘maser’ bij de Columbia University in New York. ‘Maser’ staat voor: microwave amplification by the stimulated emission of radiation. Het is eigenlijk een laser bij microgolfstraling. De maser kent maar weinig toepassingen: versterking van zwakke microgolven en toepassing in atoomklokken.

1954

De Russen Nikolaj Basov en Aleksandr Prokhorov publiceren de eerste theoretische analyse van de werking van een maser.

1956

De Nederlander Nicolaas Bloembergen bedenkt aan de Harvard University een drietraps-maser, veel praktischer dan de eerdere tweetraps-maserontwerpen. Bloembergen stort zich niet in de race om de laser, omdat hij denkt dat hij het met een relatief bescheiden budget aan de Harvard Universiteit toch niet kan winnen van de veel vermogender bedrijfslaboratoria als Bell en IBM. (In 1958 wordt Bloembergen genaturaliseerd tot Amerikaan.)

14 september 1957

Charles Townes schrijft in zijn notitieboek ideeën over een “Maser at optical frequencies”, een maser voor zichtbaar licht, door Townes consequent ‘optische maser’ genoemd (maar later werd ‘laser’ de gangbare naam).

25 & 28 oktober 1957

Charles Townes en Gordon Gould, beiden verbonden aan Columbia University − de eerste als hoogleraar en de tweede als promovendus − praten over de mogelijkheid om het maserprincipe uit te breiden naar zichtbaar licht, maar gaan hierna ieder hun eigen weg.

13 november 1957

Gordon Gould heeft zijn ideeën uitgewerkt op negen pagina’s van zijn notitieboek onder de titel: “Some rough calculations on the feasibility of a laser: light amplification by stimulated emission of radiation”. De eerste zes pagina’s gaan over de werking van de laser, de laatste drie over toepassingen ervan. Als eerste gebruikt hij de term ‘laser’. Gould voorziet ook als eerste een breed spectrum aan toepassingen, vooral gebaseerd op het feit dat je veel energie op een kleine oppervlakte kunt produceren. Hij laat zijn lasernotities op 13 november officieel registreren door een notaris, maar dient geen patentaanvraag in omdat hij − onterecht − denkt dat hij ook een werkend exemplaar moet kunnen laten zien.

Gould publiceert zijn ideeën niet in een wetenschappelijk tijdschrift, in tegenstelling tot Charles Townes iets later. Tussen Goulds ideeën en het maken van een werkende laser, ligt echter nog een groot gat. Onduidelijk is vooral welke materialen als lasermedium werken.
Gould zoekt naar een omgeving buiten Columbia University waar hij een laser kan bouwen en komt terecht bij het bedrijf TRG. Hier wordt het voorstel van Gould de basis van een classified (geheim) militair contract dat TRG veel onderzoeksgeld oplevert. Defensie is vooral geïnteresseerd in hoge-vermogenlasers die vijandelijke doelen uit de lucht kunnen schieten.

Vanaf maart 1958 treedt Gould in dienst van TRG en stopt hij met zijn promotieonderzoek. Omdat het laseronderzoek in dienst van defensie wordt uitgevoerd, moeten alle medewerkers officieel een bewijs van goed gedrag hebben (security clearance). Vanwege Goulds vermeende communistische sympathieën – zijn ex-vrouw had sterke communistische ideeën – krijgt hij dit niet en wordt tot zijn grote frustratie door TRG op een zijspoor gezet.

februari 1958

Arthur Schawlow en Charles Townes bedenken onafhankelijk van Gould dezelfde configuratie van een buis met twee parallelle spiegels als lichtversterker, een essentiële component van een laser. Een van de spiegels is geheel reflecterend, de ander deels reflecterend (een open resonator). Townes gelooft later niet dat Gould onafhankelijk van hem op hetzelfde idee is gekomen en verdenkt Gould ervan op een heimelijke manier aan zijn ideeën te zijn gekomen. Gould op zijn beurt wantrouwt Townes.

13 juli 1958

Arthur Schawlow en Charles Townes dienen een patentaanvraag in voor “Masers and Maser communications system”. Ze krijgen het patent op 22 maart 1960.

15 december 1958

Arthur Schawlow en Charles Townes publiceren een baanbrekend wetenschappelijk artikel in Physical Review Letters: “Infrared and Optical Masers”. In tegenstelling tot Gould, zien Schawlow en Townes de laser vooral als een wetenschappelijk instrument voor het bedrijven van spectroscopie. Dit artikel stimuleert diverse onderzoeksgroepen tot de ontwikkeling van de eerste laser. Columbia University, Bell Labs, Westinghouse Electric, IBM, United Aircraft, American Optical en diverse andere Amerikaanse bedrijven storten zich op de bouw van de eerste laser. Maar net als Gould weten ook Schawlow en Townes nog niet welke materialen als lasermedium kunnen dienen.

6 april 1959

Gordon Gould dient zijn eerste patentaanvraag in, maar hij krijgt het patent niet. Het patent gaat op 22 maart 1960 naar Bell Labs (Schawlow en Townes). Gould vecht de beslissing aan en dit leidt tot een bijna dertigjarige patentenoorlog waarin Gould uiteindelijk aan het langste eind trekt.

Juli 1959

Bij een conferentie in Ann Arbor introduceert Gould voor het eerst publiekelijk zijn term ‘laser’. Dit tot ongenoegen van Schawlow en Townes, die over een ‘optische maser’ blijven spreken.

14-16 september 1959

Onder leiding van Charles Townes wordt de conferentie “Quantum Electronics-Resonance Phenomena” georganiseerd in Shawanga Lodge, Catskills (VS). Alle belangrijke wetenschappers die aan de eerste laser werken komen hier bijeen: Townes, Schawlow, Gould, Maiman, en vele andere Amerikaanse en internationale onderzoekers. Zelfs de Russen Basov en Prokhorov nemen deel. Vele deelnemers beschouwen deze conferentie als een keerpunt in de race naar de eerste laser. Aan de andere kant is inmiddels ook wel duidelijk dat het niet gemakkelijk is een werkende laser te bouwen. Ruim een jaar na het baanbrekende Physical Review-artikel van Schawlow en Townes heeft nog niemand serieuze vooruitgang geboekt op weg naar een werkende laser. Nog steeds ontbreekt het aan het materiaal met de juiste eigenschappen.

16 mei 1960

Theodore Maiman bouwt bij het bescheiden Hughes Research Laboratories de eerste werkende laser op basis van robijn als lasermedium (een vaste-stoflaser). De laser zendt rood licht uit bij een golflengte van 694 nanometer. Maiman heeft een eenvoudiger en robuuster laserontwerp dan alle anderen gekozen. Zo bouwt hij een gepulste laser in plaats van een continue laser, waar alle anderen aan werkten.

Pikant is dat gevestigde wetenschappers als Arthur Schawlow hadden voorspeld dat een laser gebaseerd op robijn niet kon werken, en dat het management van Hughes Research Laboratories precies daarom niets had gezien in Maimans gecalculeerde risico om toch te proberen een robijnlaser te bouwen. Maiman trok echter zijn eigen plan en ontdekte dat robijn wel degelijk een lasermedium kon zijn.

Irnee D’Haenens, Maimans assistent, noemt de laser “a solution looking for a problem”, omdat de toepassingen van de laser nog onduidelijk zijn.

mei/juni 1960

Binnen enkele weken reproduceren andere natuurkundigen een werkende robijnlaser op basis van Maimans experimentele opstelling. Het machtige Bell Labs heeft moeite te erkennen dat Maiman de eerste laser bouwde, en claimt zelf de eerste laser te hebben gebouwd.

24 juni 1960

Physical Review Letters weigert Maimans wetenschappelijke artikel over de allereerste laser, een van de grootste blunders uit de geschiedenis van dit prestigieuze tijdschrift. Hoofdredacteur Samuel Goudsmit vindt dat er veel te veel artikelen over masers zijn verschenen die te weinig nieuws bieden. Hij ziet de laser – door Maiman in navolging van Townes ‘optische maser’ genoemd – als niets anders dan een speciaal soort maser, waarvan de werking al uitgebreid is beschreven, en niet als iets fundamenteel nieuws.

november 1960

De twee IBM-fysici Peter Sorokin en Mirek Stevenson bouwen een tweede type vaste-stoflaser: een viertraps-laser gebaseerd op calciumfluoridekristallen gedopeerd met uranium.

13 december 1960

Ali Javan, William Bennett en Donald Herriott bouwen bij Bell Labs de eerste gaslaser, gebaseerd op een mengsel van helium met een klein beetje neon. Deze laser produceert infrarood licht en het is de eerste laser die een continue straal produceert, precies zoals Gould, Schawlow en Townes de laser hadden bedacht. Het is ook de eerste laser die de laserwerking opwekt met elektriciteit in plaats van met licht. Helium-neon-lasers worden de eerste lasers met brede commerciële toepassingen.

1961

Eerste toepassingen van de laser in de oogheelkunde. Bij het Columbia-Presbyterian Hospital in de VS wordt een netvliestumor met een laser kapotgeschoten. De laser ontwikkelt zich hierna als medisch precisie-instrument voor behandeling, reparatie en correctie van hoornvlies, netvlies, vaatvlies en lens. Hiervoor wordt meestal infrarood licht van een koolstofdioxidelaser gebruikt.

1962

Robert Hall bouwt bij General Electric Research and Development Center de eerstehalfgeleider-laser (later toegepast in onder andere cd-spelers, laserpointers, supermarktscanners).

1963

Emmett Leith en Juris Upatnieks maken aan de University of Michigan met lasers het eerste driedimensionale hologram.

1964

William B. Bridges ontwikkelt bij het Hughes Research Laboratories de eerste edelgas-ion lasers (argon, krypton, xenon). Tegenwoordig gebruikt bij laserlichtshows en in DNA-sequencers.

1964

Charles Townes wint samen met de Russen Nikolaj Basov en Aleksandr Prokhorov de Nobelprijs voor bijdragen aan de ontwikkeling van zowel de maser als de laser. Vooral Theodore Maiman, en in mindere mate Gordon Gould, voelen zich gepasseerd.

1964

In de James Bond-film 'Goldfinger' snijdt Goldfinger met een rode laser een tafel met daarop vastgebonden James Bond doormidden, totdat Bond net op tijd voldoende informatie geeft om de laser te doen stoppen en zijn leven te redden.

1969

Laser-afstandsmeting: een laser-radar meet de afstand tussen de aarde en de maan. Begin jaren zeventig wordt de laserafstandsmeting verder ontwikkeld tot LIDAR: Light Detection And Ranging.

1970

Uitvinding van continue halfgeleiderlasers bij kamertemperatuur (onafhankelijk van elkaar ontdekt bij het Ioffe Instituut in Sint Petersburg en bij Bell Labs). Het levert de Rus Zhores Alferov en de Amerikaan Herbert Kroemer de Nobelprijs in 2000.

1970

Ontwikkeling van de eerste optische glasvezels voor datacommunicatie met laserlicht (van halfgeleiderlasers die infrarood licht produceren). Glasvezel wordt de basis van wereldwijde telecommunicatie.

Begin jaren zeventig

De eerste laserlichtshows verschijnen bij concerten.

1974

De eerste laserscanners in de supermarkt (rode helium-neon-lasers).

1976

De eerste commercieel verkrijgbare laserprinters.

1977

Gordon Gould ontvangt de eerste van een serie van vier laserpatenten: op het optisch pompen van de laser.

1978

Gordon Gould ontvangt zijn tweede patent: dit keer op een groot aantal toepassingen.

1979

De eerste speelgoed lasergun.

1980

De eerste audio cd-speler, gebruik makend van infraroodlasers.

1981

Arthur Schawlow en de tot Amerikaan genaturaliseerde Nederlander Nicolaas Bloembergen delen de Nobelprijs voor hun bijdragen aan de laserspectroscopie.

1981

Uitvinding van lasergeleide wapens voor het Amerikaanse leger.

1983

De Amerikaanse president Ronald Reagan lanceert zijn Strategic Defense Initiative, gebaseerd op laserwapens. Het initiatief komt niet van de grond. Bovendien laten experimenten zien dat de atmosfeer krachtige laserstralen te zeer verstoort om een doel precies te kunnen raken.

1984

De eerste lasergames, gebaseerd op speelgoedwapens voorzien van een infraroodlaser.

1985

Uitvinding van de laserkoeling bij Bell Labs, onder leiding van Steven Chu, de huidige minister van Energie in de regering van Barack Obama. Met laserkoeling kunnen atomen tot dicht bij het absolute nulpunt worden afgekoeld. Chu wint er samen met Claude Cohen-Tannoudji en William D. Phillips in 1997 de Nobelprijs voor.

1987

Snelste camera ter wereld. Ahmed Zewail demonstreert hoe je met een supersnel gepulste (femtoseconde)laser atomen en moleculen tijdens een chemische reactie kunt volgen. Hij ontvangt er in 1999 de Nobelprijs voor.

1987

Eerste ooglasering (LASIK) ter verbetering van het gezichtsvermogen, een correctie die bril of contactlenzen overbodig maakt (met ultraviolette laserpulsen).

1987

Gordon Gould ontvangt zijn derde laserpatent, op gasontladingslasers.

1988

Gordon Gould ontvangt zijn vierde en laatste patent (op Brewsterhoek-raampjes in lasers). De vier patenten samen leveren hem miljoenen dollars aan royalty's op. Toch beslaan ze slechts een deel van zijn oorspronkelijke ideeën.

1988

De eerste trans-Atlantische glasfiber voor telefoonverkeer.

1995

Eerste Bose-Einsteincondensaat wordt gemaakt, een nieuwe materietoestand bij een temperatuur van 170 nanokelvin, waarvoor de ontdekkers in 2001 de Nobelprijs winnen. Het condensaat wordt gemaakt met laserkoeling.

1996

De eerste DVD-spelers verschijnen in Japan. Gebruik van een 640 nanometer-rode laser tegenover 780 nanometer bij audio.

1996

Eerste toepassing van laserontharing.

2000

Het principe van de laser-satellietlancering wordt aangetoond. Een tien-kilowatt gepulste laser schiet een lichtgewicht toestel van slechts vijftig gram tot een hoogte van 71 meter. Om een microsatelliet van een kilogram in een lage baan rond de aarde te brengen, is echter een laser met een vermogen van een megawatt nodig.

2003

De eerste Blu-ray-spelers als opvolger van de DVD-speler. Blu-ray gebruikt een 405 nanometer blauw-violette laser.

2005

Theodor Hänsch en John Hall winnen de Nobelprijs voor hun bijdragen aan de lasergebaseerde precisiespectroscopie.

2009

Charles Kao wint de Nobelprijs voor zijn bijdragen aan de optische glasvezelcommunicatie met laserlicht.

2009

De National Ignition Facility in de VS voltooit de bouw van ‘s wereld krachtigste laser: een opstelling zo groot als drie voetbalvelden produceert 192 laserbundels, met als ultieme doel het opwekken van laserfusie (kernfusie). Uiteindelijke doel: 1,8 megajoule aan energie. In 2010 halen ze al 669 kilojoule.

2010

De laser wordt vijftig!

------------------------------

Ten slotte enkele geplande grote laserprojecten in de komende tien jaar:

2014

Geplande start van de Europese röntgenlaser XFEL in Hamburg voor het in beeld brengen van virussen, moleculaire processen in cellen en chemische reacties.

2015

De Amerikaanse laserinterferometer “Advanced LIGO” gaat met lasers op zoek naar zwaartekrachtgolven.

2015

Introductie van de eerste holografische 3D-TV

2020

Geplande lancering van LISA, een laserinterferometer bestaande uit drie satellieten die met laserbundels voor het eerst zwaartekrachtgolven wil detecteren.

2020

Geplande bouw van het Europese laserfusie-experiment Hiper (High Power Laser Energy Research)

Bronnen:
Beam, Jeff Hecht
Laser, Nick Taylor
Laser, Encyclopaedia Brittannica, Jeff Hecht
Eigen research en interviews