История лазера - Марио Бертолотти

В этом исследовании Мейману помогал И. Д'Хейнес, который только частично был связан с фирмой и придерживался мнения своих руководителей Дж. Бирнбаума и Г. Лайона, высказывавших скептицизм относительно успеха.

В результате исследований было обнаружено распределение энергии в ионах хрома, которое мы описали и которое изображено на рис. 50, причем время жизни 2Ē уровней, оказалось около 5 мс. Это, относительно длинное, время жизни, в течение которого атомы остаются в метастабильном состоянии, и их последующий распад с испусканием излучения (радиационный распад) является ответственным за явление люминесценции рубина, т.е. явления, которое и дает материалу его красный цвет. Рубины, которые исследовал Мейман, относились к так называемым розовым рубинам, в которых концентрация ионов хрома составляет только около 0,05% по весу. Поэтому, хотя обе линии 6943 A° и 6928 А° красные, полная окраска получается розовой (отсюда и название). Измерения квантовой эффективности люминесценции, т.е. числа фотонов, испускаемых при люминесценции, по сравнению с числом поглощенных фотонов зеленого возбуждающего света, показали, что это отношение близко к единице. Это означает, что практически каждый поглощенный зеленый фотон приводит к испусканию одного красного фотона. Это результат опровергал данные Видера и делал возможным осуществление лазера.

Мейман рассчитал, что достаточно интенсивный зеленый свет может желательным образом заселить промежуточное состояние 2Ē. Это, в свою очередь, должно было изменить населенность основного состояния (уменьшить его населенность). Все эти результаты побудили его использовать рубин для первого лазеры и продолжить расчеты.

На этом этапе принципиальной проблемой было найти источник зеленого света, достаточно мощного, чтобы накачать атомы на верхний уровень. Грубо говоря, лампа излучает свет, как если бы она была черным телом с высокой температурой.

Предварительные расчеты показали, что требуется лампа с эквивалентной температурой черного тела 5000 К. Мейман начал свои расчеты с коммерчески доступными ртутными лампами, но убедился, что их характеристики на пределе. Тогда он вспомнил, что импульсные ксеноновые лампы имеют эквивалентную температуру 8000 К. Не было причин исключать работу лазера в импульсном режиме, так как во многих случаях импульсный источник был привлекательным.

Теперь мы можем легко понять динамику процесса, снова обращаясь к рис. 50. Освещение зеленым светом возбуждает некоторые ионы хрома с основного уровня (на рисунке он имеет спектроскопическое обозначение 4А2 и обозначен числом 1) в полосу уровней, обозначенную как 4F2 и числом 3. Отсюда ионы быстро, за доли микросекунды (путем передачи энергии при столкновениях с атомами решетки), переходят на уровень 2Ē, обозначенный числом 2. С него они возвращаются на основной уровень в течение ~ 5 мс, испуская красный свет.

Мейман измерил уменьшение числа ионов, остающихся на основном уровне после поглощения зеленого света на 5600 А°, путем наблюдения фиолетового света на 4100 А°, который поглощается на переходе от 4A2 на 4F1. За счет этого перехода энергия ионов хрома возрастает с основного уровня 1 в полосу, обозначенную 4F1. На образец рубина посылался интенсивный короткий импульс излучения зеленого света на 5600 А° и одновременно образец просвечивался фиолетовым светом на 4100 А°. Когда интенсивный импульс излучения на 5600 А° посылается на образец, излучение на 4100 А°, также посылаемое в это же время на образец, испытывает резкое увеличение (поглощение уменьшается), которое спадает за ~ 5 мс. Этот эффект легко объяснить. Импульс света на 5600 А°, который возбуждает ионы с основного уровня в полосу 4F2 уменьшает число ионов на основном уровне, которые можно возбудить светом на 4100 А° в полосу 4F1. Тем самым уменьшается поглощение фиолетового света. Только после ~ 5 мс, когда ионы возбужденные в полосу 4F2, пройдя уровень 2Ē, возвратятся на основной уровень, поглощение фиолетового света возвратится к первоначальному состоянию. Этот и другие эксперименты позволили Мейману рассчитать, что изменение населенности основного уровня в 3% вполне осуществимо.

Воодушевленный этим результатом, он модифицировал условия эксперимента, чтобы возбудить максимально возможное число ионов хрома с основного уровня 1 на уровень 2. Для этого он использовал рубин в виде цилиндра, окруженного спиральной импульсной лампой (лампой-вспышкой). Чтобы собрать побольше света на образец рубина, он поместил все в цилиндр с посеребренными внутренними стенками. Таким образом, около 98% света лампы отражалось от них на образец. После внимательного изучения каталога ламп-вспышек, выпускаемых для профессиональных фотографов фирмой Дженерал Электрик, он установил, что три из них, FT 503, FT 506, FT 634, в принципе годятся. Чтобы получить резонатор, он отполировал оба основания цилиндра рубина и сделал их грани параллельными. На них испарением в вакууме наносились слои серебра (получался эталон Фабри-Перо). Один из слоев имел максимальный коэффициент отражения, а другой имел некоторое малое пропускание для вывода излучения из резонатора. Цилиндр рубина имел длину около 2 см и диаметр несколько меньший 1 см, и полностью окружался спиралью импульсной лампы (рис. 51). Мейман выбрал самую маленькую лампу, FT 506. Через лампу разряжалась батарея конденсаторов, заряженная до нескольких киловольт. Напряжением на батарее определялась интенсивность излучения лампы- Когда энергия разряда была не слишком высока, через не полностью отражающую грань рубина проходил красный свет люминесценции, который можно было наблюдать глазом на экране. С помощью подходящего приемника (фотоэлемент или фотоумножитель) можно было также прослеживать изменение интенсивности этого света во времени, убеждаясь, что она затухает за характерное время ~ 5 мс, типичное для люминесценции. Однако когда энергия разряда достигала определенного значения, внезапно на экране наблюдалось интенсивное красное пятно диаметром около 1 см.

Этот результат был получен в мае 1960 г. Сигнал лазера был не очень сильным, поскольку образец рубина выбирался из тех, что использовались в мазерах, и был довольно плохого оптического качества. Мейман заказал специальные рубины и немедленно подготовил сообщение о своих впечатляющих результатах, которое он отправил 24 июня в Physical Review Letters. Однако редактор журнала не принял статью для публикации, считая, что физика мазеров уже достигла значительного уровня и новые результаты в этой области не заслуживают быстрой публикации. Нет необходимости говорить, что он ничего не понял по существу дела. Однако не будем забывать, что в то время соответствующее устройство обозначалось как оптический мазер, а также то, что люди были склонны верить Шавлову, что R-линии рубина не годятся для лазера. Поэтому можно оправдать скептицизм редактора в отношении достоверности результатов. Во всяком случае, Мейман сделал известным свое изобретение через сообщение в New York Times 7 июля 1960 г., а статья, отвергнутая Physical Review Letters, через короткое время появилась в британском журнале. В выпуске от 6 августа в Nature был описан этот выдающийся эксперимент.

Когда люди, отвечающие за рекламу в Hughes, решили сделать фотографию первого лазера и его создателя Меймана, они использовали самую большую спиральную лампу-вспышку FT503, поскольку фотография Меймана на ее фоне была более фотогенична. Широкое распространение этой фотографии создало представление, что именно такая лампа используется в рубиновом лазере. Это способствовало продаже этой лампы, так как желающие воспроизвести результаты Меймана использовали эту лампу.

Когда Мейман работал над своим проектом, в фирме не было особого энтузиазма. В больших компаниях часто имеется огромное сопротивление к чему-то новому и необычному. Многие люди были настроены скептически и не верили, что оптические мазеры будут созданы. Более того, они видели, что многие занимаются этой проблемой без какого-либо успеха. И наконец, даже если лазер удастся построить, на что он будет нужен? Если этого недостаточно, отметим, что Шавлов сказал, что рубин не годится, а Мейман как раз использовал именно этот материал. Люди фирмы заботились о деньгах. Стоит ли компании финансировать такую работу? Мейман не работал по контракту, но использовал общие фонды на исследования. Во всяком случае к концу девяти месяцев было потрачено 50 000 долларов.

Однако Мейман не опустил руки и был намерен продолжать. Через какое-то время, он 14 ноября 1967 г. получил патент на свой лазер. Сразу же после создания лазера, он оставил Hughes и в 1962 г. основал собственную компанию, Korad Corporation, которая стала лидером рынка, выпуская рубиновые лазеры высокой мощности. В последующие годы Мейман занимался коммерческой деятельностью. В 1984 г. его ввели в Зал славы Национальных изобретателей.