История лазера - Марио Бертолотти

ГЛАВА 13

И НАКОНЕЦ-ТО, ЛАЗЕР!

Сразу же после опубликования работы Шавлова и Таунса и даже до того целый ряд людей стали размышлять о разных способах создания инверсной населенности в инфракрасной и видимой областях. Творческая ментальность исследователя, который стремится улучшить существующие знания и прорваться в новом направлении без предубеждений, приводит почти одновременно и независимо к рассмотрению нескольких различных систем. В ряде случаев, например, как тот, в котором используется излучение, испускаемое за счет стимулированной рекомбинации электрон-дырочных пар в полупроводнике, исследования проводились до обсуждения Шавловым и Таунсом.

Конечно, главные темы исследований были под воздействием идей этих двух ученых, и большинство людей ожидало, что первая работа лазера осуществится в возбужденном газе. Но получилось так, что первый работающий лазер был создан в июле 1960 г.[8] в Исследовательских лабораториях фирмы Hughes (Малибу, Южная Калифорния, США) Теодором Мейманом, который использовал рубин в качестве активного материала. Затем последовало огромное число других лазеров на твердотельных материалах, газах и жидкостях. Это продемонстрировало, что многие люди в различных частях мира устремились к проблеме с разных направлений, работая, более или менее, независимо друг от друга. Более того, они показали, как, сравнительно легко сделать лазер, после того как поняты основные принципы его работы.

Мейман начинает создавать рубиновый мазер

Теодор Мейман родился в 1927 г. После учебы в университете Колорадо и после получения докторской степени по физике в 1955 г.  в Стэнфордском университете по диссертации, посвященной микроволновой спектроскопии, он стал работать в промышленности. Вначале он был исследователем в Lockheed Aircraft, где занимался изучением проблем коммуникаций для управляемых снарядов. Затем он перешел в Hughes для работы над мазером.

Во время своей работы над диссертацией в Стэнфорде Мейман изучал тонкую структуру возбужденных состояний гелия. В своей работе он использовал разработанные им измерительные методики, которые представляли комбинацию электроники, техники микроволн и оптических приборов. В Hughes он стал работать во вновь созданном Отделе атомной физики. Главной целью была генерация когерентных частот, более высоких, чем удавалось получать в то время. Это было время, когда появился аммиачный мазер. В Hughes возник большой интерес к исследованиям мазеров. Однако Мейман сперва работал по другому контракту. Когда он окончил эту работу, то пожелал работать в области фундаментальных исследований, но ведомство Армии, которое финансировало эту работу, требовало в то время практический мазер, работающий на длине волны 3 см. Их не интересовали какие-либо научные достижения, они просто хотели иметь такой мазер, и Меймана попросили возглавить проект. У него это не вызвало энтузиазма, поскольку проект был чисто техническим, а он стремился к исследовательской деятельности. Но затем он заинтересовался и, хотя заказчики не требовали, чтобы он сделал выдающееся изделие, решил, что может сделать мазер более практичным.

Мазеры в то время имели два серьезных практических недостатка. Главная трудность была в том, что твердотельный мазер (наиболее полезный тип) требовал для своей работы очень низких температур. В самом деле температура жидкого гелия, которая требовалась, всего лишь на 4 К выше абсолютного нуля. Другая проблема была в том, что в обычном мазере использовался огромный магнит весом около двух тонн. Он был нужен, чтобы получить зеемановские уровни, требуемые для работы мазера. Внутри магнита помещался дьюар (специальный сосуд, в котором может продолжительное время сохраняться сжиженный газ). В него приходилось подливать жидкий азот с температурой — 166° С, которая была первой стадией охлаждения гелия. В дьюар с жидким азотом помещался второй дьюар с жидким гелием. Сам мазер представлял маленький резонатор с кристаллом внутри него. Все это помещалось в дьюар с жидким гелием, который, в свою очередь, помещался между полюсами магнита. Магнит должен был обеспечить сильное поле во всей области, занимаемой дьюарами, резонатором и кристаллом. Поэтому он имел большие размеры и вес.

Предпочтительным материалом для мазера в то время был рубин. Мейман решил, что он может кое-что сделать, также используя рубин. Он сделал миниатюрный резонатор, используя сам кристалл рубина. С этой целью рубин вырезался в виде маленького параллелепипеда. Его грани покрывались слоем серебра, имеющего высокую проводимость. В одной из стенок, делалось маленькое отверстие. Таким образом получался резонатор и, одновременно, активный материал. Затем он решил, вместо того, чтобы помещать двойной дьюар в громадный магнит, взять маленький постоянный магнит и поместить его в дьюар. Были опасения, что магнит лопнет, но все сработало прекрасно. В результате все устройство стало весить не более 15 кг вместо двух тонн и работало много лучше и много более стабильно, чем прежде.

Позднее он сделал еще меньшие мазеры весом не более 2 кг и разработал «горячий» мазер, который работал при температуре жидкого азота и даже сухого льда.

Рубиновый лазер

В первой половине 1960 г. предположения о лазерных материалах сосредоточивались на газах, и более конкретно на парах щелочных металлов, возбуждаемых оптическим излучением, а также на инертных газах, возбуждаемых электрическим разрядом. Успех, полученный Мейманом с рубиновым лазером, был поистине сюрпризом. Однако это не было случайным открытием. Уже работая с рубином как с материалом для мазера, Мейман решил использовать его в качестве отправного материала для лазера. Вначале он выполнил некоторые расчеты, но без успеха, поскольку Ирвин Видер опубликовал работу, в которой указал, что квантовая эффективность рубина (т.е. число фотонов люминесцентного излучения на каждый поглощенный фотон) была всего лишь около 1%.

Рубин является кристаллом окиси алюминия (Аl2O3), в которую добавлено небольшое число атомов хрома в качестве примеси (мы говорим допирование хромом[9]). Атом хрома теряет три своих электрона и становится ионом хрома, который замещает один из ионов алюминия в кристаллической решетке. Эти ионы хрома имеют серию энергетических уровней в видимой области (рис. 50), которые делают прозрачный и бесцветный материал окрашенным от розового до тёмно-красного, в зависимости от концентрации примеси. На рис. 50 показаны две серии уровней, которые настолько близки друг к другу, что практически сливаются в две непрерывные полосы. Эти две полосы имеют центры на длине волны 0,55 мкм (зеленая; эту полосу в спектроскопии обозначают 4F2) и на длине волны 0,42 мкм (фиолетовая; обозначенная 4F1) соответственно. Если кристалл облучается зеленым или фиолетовым светом, возбужденные ионы релаксируют на два промежуточных уровня, обозначаемых 2Е, за очень короткое время, вместо того, чтобы непосредственно спадать в основное состояние. Переход из зеленой и из фиолетовой полос на эти уровни происходит без испускания света, но дает избыток энергии решетке через колебания ее атомов. С этих очень близко расположенных уровней (обозначаемых 2A и Ē) ионы медленно спадают (за время порядка миллисекунды) на основной уровень, причем в это время испускается красный свет, который имеет очень узкое спектральное распределение (узкие линии) около 6928 А° (спектроскописты называют ее R2 линией) или 6943 A° (R1). Этот свет, испускаемый после освещения кристалла, называется люминесценцией. Наименование этих уровней и полос было предложено теоретиками согласно рассмотрению на основе теории групп, которое отражает определенные свойства симметрии соответствующих состояний. Это не представляет интереса в нашем случае.

Ирвин Видер из Исследовательских лабораторий Вестингауза занимался исследованием излучения, соответствующего узким линиям рубина, т.е. R линий. Он использовал лампу накаливания, свет которой поглощался и возбуждал обе зеленую и фиолетовую полосы рубина. Затем энергия передавалась на 2Ē уровень. Видер рассчитал, что эффективность этого преобразования энергии была около 1% (т.е. около одной сотой энергии, поглощенной в этих двух полосах, оказывается в виде красного света, испускаемого в R линиях). Если это так, то лишь один красный фотон получается на каждые 100 поглощенных фотонов, что, практически, закрывает возможность использования оптической накачки для получения лазера. Однако после исследования других материалов, Мейман решил выполнить более точные измерения для рубина, путем изучения спектроскопии ионов хрома в розовом рубине. Он обнаружил, что на самом деле, квантовая эффективность была очень высока. Эти и другие результаты точных исследований люминесценции составили предмет статьи, которая была направлена 22 апреля 1960 г. в журнал Physical Review Letters и была опубликована в июне того же года.