لیزر

اختراع لیزر

US2929922
چارلز هارد تونز

تحقیقات بنیادی یا تحقیقات در علوم محض، پیش‌نیاز اساسی توسعه فناوری‌های آتی است. البته برخلاف علوم کاربردی که حل یک مشکل صنعتی را مد نظر دارد، در این تحقیقات هدف تنها توسعه دانش است. دانشی که کاربرد و سود ناشی از آن، می‌تواند در آینده باورنکردنی باشد. با این وجود، عموماً فاصله زیادی بین کشفیات به عمل آمده و بهره‌برداری از آن‌ها وجود داشته و در نتیجه، کاشفان اصلی از ثروت احتمالی که در نتیجه یافته‌های آن حاصل می‌شود، بهره‌ای نمی‌برند. غالباً زمانی که پتانسیل‌های کاربردی و درآمدی کلان این دستاوردها نمود می‌یابد، افراد و مؤسسات تحقیقاتی که در توسعه یافته‌های مذکور نقشی ایفا نموده‌اند، با استفاده از ابزارهای حفاظت از دارایی‌های فکری، درصدد کسب حداکثری اعتبار و حقوق مربوط به آن بر می‌آیند. در چنین شرایطی، دعاوی حقوقی کم‌سابقه‌ای میان مؤسسات تحقیقاتی مطرح به راه افتاده که به‌طور نمونه، می‌توان به دعاوی دانشگاه‌های کالیفرنیا، هاروارد و «MIT»، بر سر حقوق و اعتبار مربوط به فناوری اصلاح ژنتیک کریسپر، اشاره نمود. با توجه به این‌که دستاوردها و اختراعات، درگذر زمان و برخاسته از تحقیقات علوم پایه از چندین نظریه، مقاله و پتنت است، تعیین کاشف یا مخترع اصلی، کاری دشوار به نظر می‌رسد. به نظر فناوری لیزر نیز از چنین قواعدی مستثنی نبوده و نظرات مختلفی در رابطه با مخترع اصلی آن وجود دارد؛ این مسئله تا حدی حاد است ‌که چندین کتاب با نتیجه‌گیری متضاد، در این خصوص تألیف شده است و همچنین جنگ حقوقی ۳۰ ساله در رابطه با پتنت اولیه آن وجود داشته که یک طرف این دعوی، آزمایشگاه معروف بل و شرکت‌های بزرگ فعال در این حوزه بوده‌اند.

به عقیده بسیاری، لیزر جزء ده دستاورد و فناوری برتر قرن بیستم بوده که در کنار اختراعاتی چون ترازیستور، دنیا را با تغییر روبرو نموده است. در طول قرن اخیر، لیزر به یکی از راه‌حل‌های اساسی برای رفع مشکلات و موانع در تحقیقات علمی و صنعت بدل شده است. دامنه کاربردهای لیزر، هر روز توسعه یافته و این فناوری، نقش به سزایی در تحقیقات و توسعه مرزهای دانش، به ویژه در زمینه‌های فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و کیهان‌شناسی داشته است و از طرفی، صنعت، حوزه‌های پزشکی، دفاعی و حتی سرگرمی، به‌واسطه آن دگرگون شده است.

با کمک تکنیک‌های توسعه داده شده با استفاده از لیزر در چشم‌پزشکی، میلیون‌ها انسان توانسته‌اند بینایی از دست داده و یا ضعیف شده خود را بازیابند. انواع متعدد سرطان، به ویژه سرطان‌هایی که در سطح اندام وجود دارند، با استفاده از آن درمان می‌شود. بسیاری از اعمال جراحی، با جراحت بسیار کم‌تر و دقت بسیار بالاتر، با استفاده از لیزر انجام می‌شود و حتی تکنیک‌های درمانی زیادی، به مدد آن توسعه ‌یافته که نیاز به جراحی را مرتفع ساخته است. در صنعت، هرجایی که نیاز به‌دقت بالا باشد، حتماً فناوری لیزر نیز حضور دارد. از جمله، می‌توان به فناوری ساخت مدارات مجتمع یا پرینترهای سه‌بعدی که امروزه در طیف وسیعی از حوزه‌ها، از پزشکی و ساخت اعضای مصنوعی بدن، تا ساختمان‌سازی حضور دارد، اشاره نمود. دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها، برش‌کاری‌ها و جوش‌کاری‌ها در صنعت، با استفاده از لیزر صورت می‌گیرد و امکان ساخت محصولاتی با کیفیت بالا، فراهم می‌شود. لیزر اساس صدها محصول پرکاربرد قرن گذشته را تشکیل داده است که برای نمونه، می‌توان به پرینترهای لیزری و دیسک‌های فشرده اشاره نمود. در صنایع نظامی نیز، این فناوری در محصولات مختلف، از جمله در موشک‌های هدایت‌شونده و رادارهای لیزری به کار گرفته‌شده است. در ارتباطات راه دور و فضایی و همچنین انتقال داده‌ها در بستر فیبر نوری نیز، کاربردهای لیزر محسوس است. ثبت بیش از ۵۵۰۰۰ پتنت مرتبط با لیزر در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا، می‌تواند گواهی بر اهمیت و دامنه وسیع کاربردهای این فناوری باشد. این فناوری، آن‌چنان برای بشر شگفت‌انگیز است که در کنار اندک فناوری‌هایی چون رباتیک، موضوع بسیاری از فیلم‌های تخیلی پرفروش دنیا بوده است.

ماهیتاً، لیزر همان نور است؛ با این وجود، پرتوهای آن ویژگی‌هایی دارد که طیف وسیعی از کاربردها و مشخصه‌ها را برای آن به ارمغان آورده است. تفاوت میان لیزر و پرتوهای نور معمولی، مشابه تفاوت میان امواج منسجم و هم‌راستای چند ده متری اقیانوس‌ها با امواج پراکنده ایجاد شده در یک تشت کوچک است. اگر دستتان را در آب به جلو و عقب حرکت دهید، امواجی در آن به وجود می‌آورید. حال اگر حرکت دستان را منطبق با حرکت امواج قبلی، ادامه دهید، این موج‌ها بزرگ‌تر و بزرگ‌تر خواهد شد. تصور کنید این حرکت را میلیون‌ها بار در آب اقیانوس انجام دهید! بعد از مدتی شما امواجی خواهید ساخت که از شما بلندتر خواهد بود. در لیزر، چیزی مشابه این پدیده بر روی امواج نور اعمال می‌شود. در حقیقت، پرتوی لیزر در ابتدا یک پرتوی ضعیف نور است که به‌طور ممتد انرژی بدان اضافه شده تا متمرکز و تقویت شود. برخلاف پرتوهای معمول نور که از طول‌موج‌های مختلف و به تعبیری رنگ‌های مختلف تشکیل ‌شده‌اند، پرتوهای لیزر همان‌طوری که اشاره شد، دارای طول‌موج و فرکانس یکسان (سرعت حرکت دست در آب) هستند. اصطلاحاً گفته می‌شود که پرتوهای لیزر تک‌فام هستند. امواج لیزر، منسجم و اصطلاحاً هم‌دوست هستند؛ یعنی میان آن‌ها اختلاف فاز وجود نداشته و همدیگر را تضعیف نمی‌کنند. در حالی که پرتوهای ساطع‌شده از منابع نور، در جهات مختلف منتشر می‌شوند، ولی پرتوها در لیزر از توازی بالایی برخوردارند.

لیزر یا تقویت نور به روش گسیل القایی تابش «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»، در نتیجه چندین نظریه و تئوری مهم توسعه یافت. «ماکس پلانک» در سال ۱۹۰۰، رابطه میان انرژی و فرکانس تابش را بیان نمود. طبق نظریه وی، انرژی در بسته‌های گسسته که آن‌ها را کوانتا «quanta» نام گذاشت، منتشر یا جذب می‌شود. این نظریه، نقطه عطفی در فیزیک و الهام‌بخش فیزیکدانان دیگر همچون آلبرت اینشتین شد. پنج سال بعد، اینشتین در مقاله‌ای که در باب اثر فتوالکتریک منتشر نمود، بیان داشت که نور نیز حاوی بسته‌های گسسته انرژی است و در این مورد، ذرات گسسته کوانتومی انرژی را فنون نام‌گذاری کرد. وی در سال ۱۹۱۷ در ادامه این نظریه، تئوری دیگری به نام گسیل القایی را مطرح نمود که اساس ساخت لیزر شد. او بیان کرد که در کنار گسیل و جذب خود به خودی نور، می‌توان الکترون‌ها را به گونه‌ای تحریک کرد که نور با طول‌موج‌های مشخصی را ساطع نماید. لازم به ذکر است که این موضوع، تنها در حد تئوری بوده و بیش از ۴۰ سال زمان نیاز بود تا دانشمندان بتوانند نور را این‌چنین تقویت و گسیل نموده، بر درستی نظریه انیشتین صحه بگذارند و شروع به توسعه لیزر به عنوان ابزاری قدرتمند و فراگیر کنند.

زمینه برخی از اختراعات مهم، به واسطه جنگ ایجاد شده است و اختراع لیزر نیز از این قاعده پیروی می‌کند. به‌طوری که «میزر» یا «تقویت ماکروویو به روش القایی گسیل تابش»، به عنوان ایده‌ای که قبل از لیزر عملی شد و راه را برای ساخت آن هموار نمود، طی جنگ جهانی و در نتیجه تحقیقات در زمینه فناوری رادارها ساخته شد. در میزر، به جای تقویت نور مرئی، با سازوکاری مشابه لیزر، امواج الکترومغناطیس ماکروویو تقویت می‌شود.

در سال ۱۹۵۱، چارلز هارد تونز «Charles Hard Townes»، فیزیکدانی که سابقاً بر روی رادارها با طول موج کوتاه کار می‌کرد، زمانی که روی نیمکتی در پارکی واقع در واشینگتن نشسته بود، ایده اولیه این فناوری را تبیین نمود. لازم به ذکر است که وی در سال ۱۹۳۹، در تکمیل تحقیقات دوره دکتری خود، به آزمایشگاه بل ملحق شد و در طی جنگ جهانی، بر روی سیستم رادارها به تحقیقات پرداخت. تونز در این تحقیقات، به ارزش امواج ماکرویو در مطالعه ساختار مواد و مولکول‌ها پی برد. وی بعد از جنگ جهانی، به عنوان استاد در دانشگاه کلمبیا مشغول شد. در این سال‌ها، آرتور اسکالو «Schawlow» که یک محقق و فیزیکدان بود را به عنوان دستیار به خدمت گرفت. این دو علاوه بر همکاری علمی، رابطه برادرخواندگی نیز داشتند. اسکالو و تونز، بر روی ایده میزر و عملی نمودن آن کار کردند و علی‌رغم نظرات همکاران خود در دانشگاه که این پروژه را تلف کردن بودجه و در خوش‌بینانه‌ترین حالت بی کاربرد می‌دانستند، در سال ۱۹۵۲ و با کمک حمایت‌های دولتی، توانستند اولین دستگاه میزر را بسازند. تونز، اصول میزر و نتایج تحقیقات خود را به واسطه مقالات، کتاب تألیفی و کنفرانس در کشورهای متعدد، با جامعه فیزیک در میان می‌گذاشت. تونز و اسکارلو، بعد از تحقق یافتن ایده میزر، به فکر تقویت امواج مرئی با استفاده از گسیل القایی افتادند، چیزی که خودشان آن را میزر نوری نامیدند.

 

 

 هم‌زمان گوردون کولد «Gordon Gould»، دانشجوی فیزیک دانشگاه کلمبیا که در شرکت تحقیقاتی «TRG» مشغول به کار بود، بر روی موضوع مشابهی تحقیق می‌کرد. در سال ۱۹۵۷، تونز در مورد ایده خود در رابطه با اعمال انرژی نوری به اتم‌ها، با وی صحبت نمود. شاید همین موضوع باعث شد که گولد، نتایج دستاوردهای تحقیقاتش را مرتباً در دفتری یادداشت نموده و آن‌ها را به‌صورت رسمی و محضری ثبت کند، تا بعدها سندی برای ادعاهایش در برابر تونز داشته باشد. بالاخره تونز در سال ۱۹۵۸، بعد از به نتیجه رسیدن تحقیقاتش در رابطه با تکنیک ساخت میزر نوری و البته ثبت پتنت در خصوص آن، طی مقاله مشترکی با برادرخوانده‌اش اسکالو، نتایج آن را به اطلاع جامعه فیزیک رساند و در آن نشان داد که می‌توان میزر را به‌گونه‌ای ساخت که در طیف مرئی نیز کار کند. این دو به همراه آزمایشگاه بل، به عنوان حامی و مالک این فناوری، توانستند در بیست و دوم مارس ۱۹۶۰، گواهی ثبت اختراعی به شماره «US2929922A»، برای میزر نوری که دیگر لیزر خوانده می‌شد، از دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا دریافت نمایند.

گردون گولد که تحقیقات هم‌زمانی را انجام می‌داد برای اولین بار از واژه لیزر، به‌عنوان تقویت نور به روش گسیل القایی استفاده کرده بود. گولد و موسسه تحقیقاتی «TRG» نیز، نه ماه بعد از تونز در سال ۱۹۵۹، چندین پتنت در رابطه با لیزر به ثبت رسانید که همگی بر اساس پتنت آزمایشگاه بل، رد شدند و همین موضوع، باعث شد که یکی از طولانی‌ترین دعاوی پتنت تاریخ، میان مؤسسه بل، «TRG» و سایر غول‌های بزرگی که وارد صنعت لیزر شده بودند و قصد فرار از پرداخت حق امتیاز داشتند، آغاز گردد.

در طول دادگاه‌های رسیدگی به این دعوی که قریب به سی سال به طول انجامید، مهم‌ترین سندی که مورد توجه و بررسی قرار گرفت، دفتری بود که گولد آن را به طور رسمی و محضری ثبت کرده بود. وی در این دفتر، نتایج تحقیقات و محاسباتش را به همراه تاریخ دقیق آن‌ها ثبت و مهروموم نموده بود و این موضوع، به نوعی حق تقدم برای وی ایجاد می‌کرد و وی بر اساس آن‌ها، ادعا می‌کرد که پیش از تونز، به ایده‌های مربوط لیزر دست‌یافته است؛ موضوعی که به نوعی برای دادگاه‌های آن زمان تازه بود. از طرف دیگر، در این مدت کاربردهای وسیعی از لیزر نمود یافته بود و در ارتباط با کاربردهای این فناوری و تجاری‌سازی آن، مسابقه عجیبی میان شرکت‌ها و مؤسسات فناور به راه افتاده بود که حقوق و درآمد باورنکردنی را برای صاحب اصلی فناوری لیزر به همراه می‌داشت. در سال ۱۹۸۷، گولد و حامیان مالیش، موفقت شدند تا قسمت اعظمی از اعتبار فناوری لیزر را از آن خود نموده و این موضوع، موجب شد که به ثروت کلانی دست یابد.

در حقیقت، چیزی که باعث شد وی صاحب اعتبار فناوری مربوط به لیزر شده و به پیروز نهایی دعاوی مذکور تبدیل شود، تغییری بود که به توصیه وکیل و مشاورش در استراتژی حقوقی و پیگیری خود اعمال نمود. درخواست اولیه گولد در سال ۱۹۵۹ میلادی، بسیار جامع بود و در آن، ده‌ها اختراع به هم مرتبط که فناوری‌های پایه‌ای لیزر را پوشش می‌دادند، ادعا شده بود. وی در تغییر رویکردی که در سال ۱۹۷۰ داشت، به جای این‌که تلاش نماید تا برای همه‌ اجزای مربوط به لیزر درخواستی ثبت نماید، تصمیم گرفت که فقط برای اجزای ضروری آن که ساخت دستگاه لیزر بدون آن‌ها ممکن نبود، درخواست ثبت اختراع ارائه نماید. این موضوع، باعث شد که گولد در سال ۱۹۷۷، پتنتی به شماره «US4053845A» را در خصوص تقویت‌کننده‌های نوری لیزر، به خود تخصیص دهد. اعطای این پتنت به گولد، غول‌های صنعت لیزر را علیه وی متحد کرد. این شرکت‌ها که قصد داشتند حق امتیازی را به وی پرداخت نکنند، در صدد ابطال پتنت وی برآمده و این موضوع، باعث شد که گولد بیش‌تر درگیر محاکم قضایی شود.

در پی تغییر رویکرد و ثبت درخواست‌های متعدد توسط گولد، دو سال بعد پتنت دیگری در ارتباط با روشی برای انرژی دادن به مواد و با شماره «US4161436A»، به وی اعطا گردید که طیف وسیعی از کاربردهای لیزر را پوشش می‌داد. اعطای پتنت جدید به گولد، شرکت‌های مذکور را که به دنبال لغو پتنت قبلی او بودند، بیش‌تر مبهوت و دستپاچه ساخت. لازم به ذکر است که گولد برای ادامه این دعاوی سنگین قضایی، مجبور شد تا ۸۰ درصد حقوق اختراعات خود را واگذار نموده تا بتواند بودجه‌ای برای ادامه مبارزه با شرکت‌های بزرگی که وارد صنعت لیزر شده و علیه وی متحد شده بودند، به دست آورد.

از نکات درخور توجه، تأسیس شرکتی توسط گولد و حامیان مالی وی برای مدیریت و پیگیری حقوق مالکیت فکری و دعاوی قضایی مربوطه بود. آن‌ها بدین منظور، شرکت پاتلکس «Patlex» را در سال ۱۹۷۹ تأسیس نمودند که این شرکت، در حال حاضر به یکی از بزرگ‌ترین اسامی مطرح در زمینه ارائه مشاوره به کسب‌وکارها، صنایع، مؤسسات تحقیقاتی و دانشگاهی، مخترعین و محققین در حوزه‌های متنوع، به‌ویژه مالکیت فکری، بدل شده است.

لحظه تاریخی برای گولد و پاتلکس، زمانی اتفاق افتاد که در سال ۱۹۸۷، پتنتی به شماره «US4704583A» نیز به گولد اعطا گردیده شد. با اعطای این پتنت که در رابطه با تقویت‌کننده‌های تصادفی لیزر بود، نقطه تمرکز گولد و پاتلکس، به دعاوی نقض پتنت و مذاکرات اعطای لیسانس معطوف شد. علی‌رغم این‌که گولد ۸۰ درصد از حقوق پتنت‌های خود را واگذار نموده بود، ولی به‌واسطه توسعه سریع صنعت لیزر و حق امتیازهایی که دریافت می‌کرد، به ثروت کلانی دست ‌یافت. وی تا سال ۲۰۰۵ میلادی و پیش از مرگش، ۴۸ پتنت دریافت نمود و در سال ۱۹۹۱، نام او در تالار مشاهیر آمریکا، در کنار نام بزرگان این کشور، قرار گرفت. البته همواره نقش و تأثیرگذاری او در اختراع لیزر، مورد بحث بوده است.

 در سال‌هایی که گولد درگیر دعاوی قضایی و در صدد تصاحب حقوق و اعتبار فناوری لیزر بود، تونز به‌واسطه فعالیت‌هایش در توسعه میزر و لیزر، مفتخر به دریافت جوایز متعدد و ارزشمندی شد که می‌توان به دریافت جایزه نوبل در سال ۱۹۶۴، مدال افتخار «IEEE» در سال ۱۹۶۷، مدال ملی علم از رئیس‌جمهور در سال ۱۹۸۲، مدال نیلز بور و ده‌ها جایزه معتبر دیگر اشاره نمود. بسیاری وی را به واسطه توسعه میزر و مقالات و نظریاتش در باب لیزر، مخترع لیزر می‌دادند و اعتبار این فناوری تحول‌آفرین را به او نسبت می‌دهند. تونز در سال ۲۰۱۵ میلادی از دنیا رفت و دانشجویان فیزیک دانشگاه برکلی، برای گرامی داشت یاد او، از نیمکتی در محوطه دانشگاه پرده‌برداری نمودند که نمادی از نیمکتی بود که وی در سال ۱۹۵۱، در پارکی واقع در واشینگتن بر روی آن نشسته و به ایده لیزر فکر می‌کرد. آن‌ها حاضرین در این مراسم را به نشستن بر روی این نیمکت و تأمل، دعوت می‌کردند.

 

 

جالب است که به جای گولد، تونز و اسکارلو، برخی از انجمن‌ها و نهادها، تئودور هارولد مایمان «Theodore Harold Maiman» را مخترع لیزر دانسته که اولین لیزر کارا را بر پایه نظریات تونز و اسکارلو ساخت. وی نشان داد که لیزر را می‌توان به سادگی و با هزینه‌ای اندک ساخت و در سال ۱۹۶۷، برای لیزری که توسعه داده بود، پتنتی به شماره «US3353115A» دریافت نمود. تونز بیان داشته بود که لیزر مایمان، جنبه‌هایی داشته که ما در نظریات خود به آن‌ها نپرداخته بودیم؛ اما دستگاهی که وی ساخته بود، همچنان نواقص زیادی داشت و لیزری نبود که امروزه در حوزه‌های مختلف از آن استفاده می‌شود. ایراد اصلی لیزر وی، این بود که فقط پرتوهای گسسته تولید می‌کرد. ولی در سال ۱۹۶۰، دانشمند ایرانی به نام علی جوان، در آزمایشگاه بل موفق شد تا اولین لیزر گازی هلیوم نئون با پرتوی پیوسته را بسازد. وی در دسامبر همان سال، به همراه دو تن از همکاران خود، درخواست پتنتی در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا به ثبت رسانید که قریب به چهار سال بعد، گواهی ثبت اختراعی به شماره «US3149290A»، به آن تخصیص یافت.

فناوری لیزر گازی، در حوزه‌های مختلفی از جمله مخابرات و انتقال داده‌های اینترنتی، اسکنرها، تجهیزات پزشکی و ده‌ها مورد دیگر کاربرد دارد. لازم به ذکر است که پروفسور علی جوان، بعد از اتمام دوره فوق‌لیسانس خود در دانشگاه تهران، جهت تحصیل در دوره دکتری به دانشگاه کلمبیا دعوت شد. «چارلز تونز»، استاد وی در دانشگاه کلمبیا بود و علی جوان همانند او دستاوردهای بزرگی در فیزیک، به ویژه فناوری لیزر داشت و به‌واسطه آن، جوایز متعددی دریافت نمود. وی در سال ۱۹۹۳ میلادی، جایزه جهانی آلبرت اینشتین را دریافت نمود و در سال ۲۰۰۶، نام او در تالار مشاهیر، در کنار نام گردون گولد قرار گرفت و در سال ۲۰۰۷ نیز، نشریه دیلی تلگراف او را در جایگاه دوازدهم صد نابغه زنده جهان معرفی نمود.