Марио Бертолотти - История лазера
Теперь проблема была найти материал для лазерной среды. После изучения научных публикаций по этому предмету Сорокин обнаружил, что русский ученый П. П. Феофилов изучил испускание света ионами урана и самария в кристаллах флюорида кальция. Добавление урана дает люминесцентное излучение на длине волны около 2,5 мкм. Ионы урана или самария замещают ионы кальция в кристалле флюорида кальция и имеют энергетические уровни, подобные тем, что имеют ионы хрома в рубине, с одним отличием, показанном на рис. 53. Имеется один добавочный уровень, поэтому испускание света может происходить между уровнем, который заселяется из-за распада с одной из полос, на промежуточный уровень, который, если работают при низкой температуре, практически не заселен, так как тепловое возбуждение не способно заселить его из основного состояния. Это обстоятельство, которое мы можем описать, как четырехуровневая система, позволяет значительно легче получать инверсную населенность. Кроме того, флюорид кальция, допированный ураном, имеет сильную полосу поглощения в видимой области. Это значит, что ее можно накачивать ксеноновой лампой высокого давления. Разумеется, система нуждается в охлаждении до низких температур.
Рис. 53. Энергетические уровни трижды ионизованного атома урана в кристалле флюорита кальция (CaF2:U3+). При накачке происходит переход с основного уровня (1) в полосу (2). (Поглощением света на уровни 4115 можно пренебречь). Электроны скатываются с полосы (2) на уровни (3), и лазерный переход получается на длине волны около 2,5 мкм между уровнями (3) и (4)
Оба исследователя заказали кристаллы, допированные ураном и самарием. Когда они их получили, то услышали об успехе Меймана с рубином. Они немедленно отказались от идеи использовать полное внутреннее отражение, обработали кристаллы в виде цилиндров с отполированными и посеребренными торцами, и приобрели нужные импульсные лампы. В начале ноября они получили лазерный эффект на кристалле, допированном ураном, а вскоре, и на кристалле, допированном самарием.
После этих успехов они написали статью для Physical Review Letters, Стевенсон, будучи прямолинейным и агрессивным, сказал: «Нам не следует посылать статью. Мы должны отправиться в Брукхейвен и сказать Сэму Гоудсмиту (редактору), что мы хотим решения, прежде чем уедем. Сорокин сказал: «Мирек, давай не будем так делать». «Нет, мы именно так сделаем». Итак, они отправились к Гоудсмиту. Он был слегка смущен различием мазеров и лазеров, но сказал, что не хочет еще одной «мазерной» работы, что он и сделал со статьей Меймана. Но Стевенсон настаивал так упорно, что он в конце концов согласился принять статью для публикации.
На прощание Гоудсмит сказал: «Скажите вашим людям в IBM, чтобы они не являлись сюда с автоматами».
Из-за работы по четырехуровневой схеме вместо трехуровневой для рубина, лазер работал с мощностью накачки, которая была в десять раз меньшая, чем требовалась для рубина. Уран имеет сильную полосу поглощения в зелено-синей области. Лазерная генерация получается на длине волны 2,49 мкм, в инфракрасной области. Устройство лазера было подобно устройству лазера на рубине, за исключение некоторого усложнения, обусловленного тем, что кристалл следовало помещать в дьюар для охлаждения до гелиевых температур.
Некоторое время спустя Сорокин со своим техником Джоном Ланкардом построил лазер другого типа на жидкости. Он стал первым в серии лазеров, речь о которых будет далее. В них используются растворы органических красителей. Эти лазеры успешно разрабатывались во многих лабораториях и используются до сих пор.
Гелий-неоновый лазер
Кроме Шавлова, еще два исследователя Bell Labs работали в 1958 г. над проблемой лазера: Али Джаван и Джон Сандерс. Джаван был иранцем по происхождению. Он получил докторскую степень в 1954 г. под руководством Таунса по теме радиоспектроскопии. Он четыре года оставался в группе Таунса, работая в области радиоспектроскопии и мазеров. После защиты диссертации, когда Тау не был в творческом отпуске в Париже и в Токио, Джаван стал более активно заниматься мазерами и пришел к идее трехуровнего мазера, прежде чем группа из Bell Labs опубликовала экспериментальную работу по этой теме. Он нашел метод получения усиления безынверсной населенности, используя, в частности, эффект Рамана в трехуровневой системе, однако он опубликовал свои результаты позже, чем группа из Bell.
В апреле 1958 г., когда он искал место в Bell Labs, общался с Шавловым, который рассказал ему о лазерах. В августе 1958 г. он был принят в Bell Labs, и в октябре начал систематические исследования по лазерам. Первоначально он имел там этические затруднения. Компания RCA предварительно изучила его записи о трехуровневом мазере и установила, что его даты предшествуют датам группы из Bell. RCA заплатила ему $1000 за право на патент, и начала спор с Bell, где Джаван уже работал. В течение примерно шести месяцев Джаван имел дело с юристами из RCA и Bell Labs. К счастью, RCA провела маркетинговое исследование и, убедившись, что этот мазерный усилитель не сулит прибыли, прекратила дело, оставив патент Bell Labs.
Итак, Джаван мог всецело посвятить себя лазеру. Он думал построить его, используя газы, и опубликовал предполагаемую конструкцию в Physical Review Letters в 1959 г. Он решил использовать газ в качестве активной среды, поскольку полагал, что это простое вещество облегчит исследования. Однако он думал, что невозможно использовать мощные лампы для накачки атомов прямо в возбужденное состояние, и рассматривал возбуждение либо прямыми столкновениями с электронами в среде чистого неона, либо путем столкновений второго рода. В последнем случае разрядная трубка наполняется двумя газами, которые выбираются так, что атомы первого газа, возбуждаемые столкновениями с электронами в электрическом разряде, могут передавать свою энергию атомам второго газа, возбуждая их. Некоторые смеси газов имели структуру энергетических уровней, которая удовлетворяла этим условиям. Фактически, необходимо, чтобы энергетический уровень второго газа имел энергию, практически равную энергии возбуждения первого газа. Из возможных комбинаций газов Джаван выбрал комбинацию гелия и неона, уровни которых показаны на рис. 54. Он считал, что любой физический процесс стремится к установлению больцмановского распределения энергии по уровням (т.е. населенность нижнего уровня больше, чем населенность верхнего). Поэтому среда с инверсной населенностью может получиться в стационарном процессе только в результате конкуренции различных физических процессов, протекающих с разной скоростью.
Это можно лучше понять на примере с рассмотрением дерева с ветками (две на рис. 55), на которых сидят обезьяны. Рассмотрим сперва населенность согласно больцмановской статистике, т.е., скажем, четыре обезьяны сидят на верхней ветке (1), пять на нижней (2) и шесть на земле (3, основной уровень). Из этих трех уровней основной наиболее населен, и чем выше уровень, тем менее он заселен. Однако обезьяны не сидят на месте, но прыгают по веткам (для примера мы можем полагать, что это происходит каждую минуту). Населенности на уровнях при этом остаются одними и теми же во времени (равновесная ситуация). Предположим теперь, что мы продолжаем заселять ветки с той же скоростью (одна обезьяна за минуту), но в то же время мы смачиваем ветку 2 и делаем ее скользкой. Теперь обезьяны не могут оставаться на ней более, например, 10 секунд. Поэтому эта ветка быстро расселяется, и вскоре на ветке 1 оказывается больше обезьян, чем на ветке 2. Таким образом, получается инверсная населенность из-за того, что время пребывания обезьяны на разных ветках различно. Хотя это очень примитивные рассуждения, но они помогают понять соображения Джавана.
Выбор гелий-неоновой смеси проходил через тщательный отбор, чтобы получить систему, обещающую оптимальную среду, и лишь последующий успех принес a posteriory полное доверие Джавану. Даже после того, как он убедился, что гелий-неон является лучшей смесью, находилось немало скептиков, которые говорили ему, что газовый разряд слишком хаотичен. Они говорили, что слишком много неопределенностей, и его попытки напоминают охоту на диких гусей.
Рис. 54. Энергетические уровни гелия (Не) и (Ne). Показаны главные лазерные переходы Рис.55. Обезьяны на дерене распределяются согласно статистике Больцмана. Их больше на земле, и их число уменьшается по мере высоты ветокДжаван потратил много денег, но, к счастью, система заработала, иначе администрация уже готова была закрыть проект и прекратить эксперименты. К концу проекта на это исследование были затрачены два миллиона долларов. Хотя эта сумма, по-видимому, преувеличена, проект, несомненно, требовал значительных затрат.
