Σαν σήμερα... 1960, το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για LASER.

Η πρώτη σελίδα της πατέντας για τη συσκευή 
"Masers and Maser Communications System".
Επάνω αριστερά διακρίνεται η ημερομηνία έγκρισης
22 Μαρτίου 1960, δίπλα διακρίνεται η ημερομηνία
κατάθεσης της αίτησης 30 Ιουλίου 1958 και στο κάτω μέρος
φαίνονται τα ονόματα των A. L. Schawlow και C. H. Townes.

Σαν σήμερα, στις 22 Μαρτίου 1960, το Γραφείο Ευρεσιτεχνιών των ΗΠΑ έδωσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας με αριθμό U.S. No. 2.929.922 στους Arthur Schawlow (Άρθουρ Σκάλοου) (Nobel Φυσικής 1981) και Charles Townes (Τσαρλς Τάουνς) (Nobel Φυσικής 1964) για τη συσκευή που είχαν καταθέσει με τίτλο "Masers and Maser Communications System" ("Masers και Σύστημα Επικοινωνιών με Masers"). Αυτό που έκανε ξεχωριστή την ανακάλυψη των δύο επιστημόνων, ήταν το γεγονός ότι αυτό το laser ήταν το πρώτο που λειτουργούσε στο ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. 

Στην πραγματικότητα το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ήταν υπέρ των Bell Laboratories (Εργαστήρια Bell) όπου εργάζονταν οι Σκάλοου και Τάουνς.

Τελικά, όπως φάνηκε εκ των υστέρων, αυτό το δίπλωμα δεν ήταν τίποτα άλλο παρά μέρος μιας πολύχρονης αντιπαράθεσης για το δικαίωμα στην πρωτιά του laser.

O Τσαρλς Τάουνς και το πρώτο maser αμμωνίας (πρωτότυπο).
(από wikipedia)

Το 1951 ο Τάουνς συνέλαβε την ιδέα του maser (μέιζερ). Την άνοιξη του 1952, ενώ βρισκόταν στην Ουάσιγκτον D.C. για συναντήσεις, καθισμένος στο παγκάκι ενός πάρκου στην πλατεία Lafayette, του ήρθε η ιδέα για τον τρόπο κατασκευής του μέιζερ. Αμέσως σημείωσε τις σκέψεις του στο πίσω μέρος ενός ταχυδρομικού φακέλου. Αυτές οι σημειώσεις θα ήταν η βάση για την δημιουργία μιας πολύ σπουδαίας εφεύρεσης του 20ου αιώνα.

Λίγους μήνες αργότερα ο ίδιος και οι συνεργάτες του άρχισαν να δουλεύουν σε μια συσκευή που χρησιμοποιούσε την αέρια αμμωνία ως ενεργό υλικό.  Στις αρχές του 1954 κατάφεραν για πρώτη φορά να πετύχουν την παραγωγή ενισχυμένων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από διεγερμένη εκπομπή. Ο Τάουνς και οι φοιτητές του στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια δημιούργησαν την λέξη "maser" ως ακρωνύμιο της έκφρασης "microwave amplification by stimulated emission of radiation" ("ενίσχυση μικροκυμάτων με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας"). 

Άρθουρ Σκάλοου και Τσαρλς Τάουνς.

Η δημιουργία του maser εξέπληξε ευχάριστα τον διαπρεπή φυσικό Niels Bohr, αλλά και τον Isidor Rabi, προϊστάμενο του Τάουνς στο Κολούμπια. Αξίζει να επισημάνουμε, ότι ο Rabi είχε αποτρέψει τον Τάουνς να συνεχίσει την έρευνά του στο μέιζερ, γιατί δεν πίστευε ότι μπορούσε να γίνει πραγματικότητα. Όμως ο Τάουνς επέμεινε και τον έπεισε ότι ήταν δυνατόν να κατασκευαστεί. 

Η δημιουργία του μέιζερ βρήκε άμεση χρήση στην αστρονομία, όπου χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας της επιφάνειας της Αφροδίτης.

Το 1957, ο Τσαρλς Τάουνς και ο Άρθουρ Σκάλοου που ήταν γαμπρός του και τότε εργάζονταν στα Εργαστήρια Bell στην έρευνα για την υπεραγωγιμότητα, προσπάθησαν να δείξουν θεωρητικά ότι ένα μέιζερ μπορούσε να λειτουργήσει στην περιοχή του ορατού και του υπέρυθρου και πρότειναν τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσαν να το πετύχουν. Δηλαδή, αυτό που στην ουσία πρότειναν ήταν ένα μέιζερ που θα λειτουργούσε σε μικρότερα μήκη κύματος και γι' αυτό το είχαν ονομάσει "οπτικό  maser". Αυτή η συσκευή αργότερα ονομάστηκε laser (λέιζερ). 

Σελίδα από τις σημειώσεις του Τάουνς (Σεπτέμβριος 1957).

Στις 30 Ιουλίου 1958, τα Εργαστήρια Bell υπέβαλλαν αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας στην USPTO (United States Patent and Trademark Office - Γραφείο Ηνωμένων Πολιτειών για Πατέντες και Σήματα) για την προτεινόμενη συσκευή του οπτικού maser.

Στις 15 Δεκεμβρίου 1958, το περιοδικό Physical Review (τεύχος No. 6, τόμος 112) δημοσίευσε την  εργασία των Τάουνς και Σκάλοου με τίτλο "Infrared and Optical Masers" ("Υπέρυθρα και Οπτικά Μέιζερς"), όπου περιέγραφαν τους θεωρητικούς υπολογισμούς τους για την διαδικασία λειτουργίας ενός λέιζερ. 

Την ίδια περίοδο, στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, ο μεταπτυχιακός φοιτητής Gordon Gould (Γκόρντον Γκουλντ) προετοίμαζε τη διδακτορική του διατριβή σχετικά με τις ενεργειακές στάθμες του διεγερμένου  Θάλλιου. 

Το 1957, ο Τάουνς συναντήθηκε με τον Γκουλντ και συζήτησαν κάποιες ιδέες για την άντληση φωτεινής ενέργειας από άτομα. 

Το Νοέμβριο του 1957 ο Γκουλντ σημείωσε στο σημειωματάριό του τις ιδέες του  για ένα "laser". 

Επίσης, το 1958, ο Ρώσος Alexander Prokhorov (Nobel Φυσικής 1964) εργαζόμενος ανεξάρτητα παρουσίασε για πρώτη φορά στη Σοβιετική Ένωση μια παρόμοια ιδέα.

Ο Τάουνς με την σύζυγό του Frances κάθονται δίπλα στο άγαλμα
που φτιάχτηκε γι' αυτόν στη γενέτειρά του Greenville (2006). 
Σ' ένα τέτοιο παγκάκι καθόταν το 1952 στην Ουάσιγκτον, 
όταν είχε την ιδέα για την κατασκευή του μέιζερ.
(Η φωτό από την εφημερίδα The New York Times)

Το 1959, σε συνέντευξή του ο Γκουλντ δημοσιοποίησε τον όρο LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Ενίσχυση Φωτός με Εξαναγκασμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας) γραμμένο σε χαρτί. Από γλωσσική άποψη, η πρόθεση του Γκουλντ ήταν να χρησιμοποιήσει την κατάληξη "-aser" για κάθε ακτινοβολία που εκπέμπεται και το κατάλληλο γράμμα-πρόθεμα που θα δηλώνει την περιοχή στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που εκπέμπει η πηγή της ακτινοβολίας. Π.χ. "xaser" για τις ακτινογραφίες (ακτίνες Χ), "uvaser" για το υπεριώδες (ultraviolet), "laser" (light - ορατό φως) κλπ. Μέχρι τότε δεν είχε επίσημα καθιερωθεί κάτι τέτοιο, αν και ήδη χρησιμοποιείτο ο όρος ¨Raser" (Radio) για τις συσκευές εκπομπής ραδιοσυχνοτήτων.

Οι σημειώσεις του Γκουλντ περιείχαν και πιθανές εφαρμογές του laser, όπως στη  φασματομετρία, στη συμβολομετρία, στα ραντάρ και στην πυρηνική σύντηξη. 

Η πρώτη σελίδα των σημειώσεων του Γκουλντ, όπου 
φαίνεται να χρησιμοποιεί τον όρο LASER (Νοέμβριος 1957).  

Τον Απρίλιο του 1959, ο Γκουλντ υπέβαλλε αίτηση για να πάρει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την ιδέα του. Το Γραφείο Ευρεσιτεχνιών των ΗΠΑ απέρριψε την αίτησή του και όπως ήδη σημείωσα, το 1960 έδωσε την πατέντα στα Εργαστήρια Bell.

Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ο Γκουλντ να ξεκινήσει ένα δικαστικό αγώνα που κράτησε 28 χρόνια, γιατί η κατοχή του διπλώματος ευρεσιτεχνίας συνδεόταν με μεγάλες χρηματικές αποζημιώσεις. 

Τον Οκτώβριο του 1977 ο Γκουλντ είχε την πρώτη δικαστική νίκη και το Γραφείο Ευρεσιτεχνιών του έδωσε το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την οπτική άντληση λέιζερ (optical pumping of lasers). Το 1987 Ομοσπονδιακός Δικαστής διέταξε το Γραφείο Ευρεσιτεχνιών να κατοχυρώσει στον Γκουλντ τις συσκευές λέιζερ οπτικής άντλησης και εκκένωσης αερίου. Τότε του αναγνωρίστηκαν και τα 4 διπλώματα ευρεσιτεχνίας που είχε αιτηθεί δεκαετίες πριν.

Μέχρι τον Απρίλιο του 1988, όταν εγκρίθηκαν τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας χρήσης του Γκουλντ, τα λέιζερ οπτικής άντλησης κάλυπταν το 80% των λέιζερ που κατασκευάζονταν στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η αγορά για λέιζερ είχε εκτοξευτεί σε περισσότερα από 500 εκατομμύρια δολάρια ετησίως. Ξαφνικά, ο Γκουλντ έγινε πολυεκατομμυριούχος.

Γκόρντον Γκουλντ

Μέχρι σήμερα το ερώτημα για το ποιος προηγήθηκε στην κατασκευή του LASER παραμένει αναπάντητο από τους ιστορικούς.

Τελικά, στις 16 Μαΐου 1960, ο Theodore H. Maiman από το Hughes Research Laboratories  (Ερευνητικό Εργαστήριο Χιους) παρουσίασε το πρώτο laser που λειτούργησε, ξεπερνώντας τις προσπάθειες των Τάουνς, Σκάλοου και Γκουλντ. Όπως είχε ειπωθεί χαρακτηριστικά ήταν "μια λύση που γύρευε το πρόβλημά της" ("a solution looking for a problem"). Όμως πολύ σύντομα οι χαρακτηριστικές ιδιότητες μιας ακτινοβολίας λέιζερ (ικανότητα να παράγει μια έντονη, πολύ στενή δέσμη φωτός ενός μόνο μήκους κύματος) αξιοποιήθηκαν για την επιστήμη, την τεχνολογία και την ιατρική. Σήμερα, τα λέιζερ τα βρίσκουμε παντού: στα ερευνητικά εργαστήρια, στην κβαντική φυσική σε πάμπολες ιατρικές εφαρμογές, στα τηλεφωνικά δίκτυα, αλλά και στα ταμεία ενός σούπερ μάρκετ. 

Ο Theodore Maiman εξετάζει ένα κύλινδρο ρουβιδίου,
την καρδιά της πρώτης πειραματικής συσκευής του. 

Τον Δεκέμβριο του 1964 ο Τσαρλς Τάουνς (1/2) με τους Nicolay Basov (1/4) και Aleksandr Prokhorov (1/4) μοιράστηκαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής "για θεμελιώδεις εργασίες στον τομέα της κβαντικής ηλεκτρονικής, η οποία οδήγησε στην κατασκευή ταλαντωτών και ενισχυτών με βάση την αρχή maser-laser".

• Το πλήρες έγγραφο (pdf) του διπλώματος ευρεσιτεχνίας με αριθμό U.S. No. 2.929.922, όπου υπάρχει αναλυτική περιγραφή της συσκευής maser.

• 2 συνεντεύξεις του Τσαρλς Τάουνς στο Oral-History της Engineering and Technology History Wiki  ΕΔΩ (1991)  κι  ΕΔΩ (1992).

• Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας που έχουν κατοχυρωθεί στον Άρθουρ Σκάλοου από το USPTO.

• Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας που έχουν κατοχυρωθεί στον Τσαρλς Τάουνς από το USPTO.

"Στιλό" - δείκτης εκπομπής πράσινης ακτίνας λέιζερ.

• Άρθρο του Τσαρλς Τάουνς με τίτλο "The first laser" από το δοκίμιο "A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World" των Laura Garwin and Tim Lincoln.

• Βίντεο από την Bell Telephone Laboratories με τίτλο "Principles of the Optical Maser" ("Αρχές του Οπτικού ή Ορατού Μέιζερ") (αγγλικά, 29:08).

• Η ομιλία του Καθηγητή Bengt Edlén, μέλους της Επιτροπής για την Απονομή του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής, στην τελετή απονομής του βραβείου τον Δεκέμβριο του 1964 στη Στοκχόλμη. 

•  Η ιστορία του λέιζερ από το American Institute of Physics (AΙΡ).

• Βίντεο "Πώς λειτουργεί το λέιζερ;" από τον ιστότοπο PhysicsHigh.

Πηγή: Today in Science History,  wikipedia,  electrdesign,  press,