История лазера. Научное издание
Шрифт:
Р РёСЃ. 53. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё трижды ионизованного атома урана РІ кристалле флюорита кальция (CaF2:U3+). РџСЂРё накачке РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ переход СЃ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ (1) РІ полосу (2). (Поглощением света РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРё 4115 можно пренебречь). Рлектроны скатываются СЃ полосы (2) РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРё (3), Рё лазерный переход получается РЅР° длине волны около 2,5 РјРєРј между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё (3) Рё (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 РѕРЅРё написали статью для Physical Review Letters, Стевенсон, будучи прямолинейным Рё агрессивным, сказал: Нам РЅРµ следует посылать статью. РњС‹ должны отправиться РІ Брукхейвен Рё сказать РЎСЌРјСѓ Гоудсмиту (редактору), что РјС‹ хотим решения, прежде чем уедем. РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ сказал: Мирек, давай РЅРµ будем так делать. Нет, РјС‹ именно так сделаем. Ртак, РѕРЅРё отправились Рє Гоудсмиту. РћРЅ был слегка смущен различием мазеров Рё лазеров, РЅРѕ сказал, что РЅРµ хочет еще РѕРґРЅРѕР№ мазерной работы, что РѕРЅ Рё сделал СЃРѕ статьей Меймана. РќРѕ Стевенсон настаивал так СѓРїРѕСЂРЅРѕ, что РѕРЅ РІ конце концов согласился принять статью для публикации.
На прощание Гоудсмит сказал: Скажите вашим людям в IBM, чтобы они не являлись сюда с автоматами.
РР·-Р·Р° работы РїРѕ четырехуровневой схеме вместо трехуровневой для СЂСѓР±РёРЅР°, лазер работал СЃ мощностью накачки, которая была РІ десять раз меньшая, чем требовалась для СЂСѓР±РёРЅР°. Уран имеет сильную полосу поглощения РІ зелено-синей области. Лазерная генерация получается РЅР° длине волны 2,49 РјРєРј, РІ инфракрасной области. Устройство лазера было РїРѕРґРѕР±РЅРѕ устройству лазера РЅР° СЂСѓР±РёРЅРµ, Р·Р° исключение некоторого усложнения, обусловленного тем, что кристалл следовало помещать РІ дьюар для охлаждения РґРѕ гелиевых температур.
Некоторое время спустя РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ СЃРѕ СЃРІРѕРёРј техником Джоном Ланкардом построил лазер РґСЂСѓРіРѕРіРѕ типа РЅР° жидкости. РћРЅ стал первым РІ серии лазеров, речь Рѕ которых будет далее. Р’ РЅРёС… используются растворы органических красителей. Рти лазеры успешно разрабатывались РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… лабораториях Рё используются РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ.
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.
Ртак, Джаван РјРѕРі всецело посвятить себя лазеру. РћРЅ думал построить его, используя газы, Рё опубликовал предполагаемую конструкцию РІ Physical Review Letters РІ 1959 Рі. РћРЅ решил использовать газ РІ качестве активной среды, поскольку полагал, что это простое вещество облегчит исследования. Однако РѕРЅ думал, что невозможно использовать мощные лампы для накачки атомов РїСЂСЏРјРѕ РІ возбужденное состояние, Рё рассматривал возбуждение либо прямыми столкновениями СЃ электронами РІ среде чистого неона, либо путем столкновений второго СЂРѕРґР°. Р’ последнем случае разрядная трубка наполняется РґРІСѓРјСЏ газами, которые выбираются так, что атомы первого газа, возбуждаемые столкновениями СЃ электронами РІ электрическом разряде, РјРѕРіСѓС‚ передавать СЃРІРѕСЋ энергию атомам второго газа, возбуждая РёС…. 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. РР· возможных комбинаций газов Джаван выбрал комбинацию гелия Рё неона, СѓСЂРѕРІРЅРё которых показаны РЅР° СЂРёСЃ. 54. РћРЅ считал, что любой физический процесс стремится Рє установлению больцмановского распределения энергии РїРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏРј (С‚.Рµ. населенность нижнего СѓСЂРѕРІРЅСЏ больше, чем населенность верхнего). Поэтому среда СЃ инверсной населенностью может получиться РІ стационарном процессе только РІ результате конкуренции различных физических процессов, протекающих СЃ разной скоростью.
Рто можно лучше понять РЅР° примере СЃ рассмотрением дерева СЃ ветками (РґРІРµ РЅР° СЂРёСЃ. 55), РЅР° которых СЃРёРґСЏС‚ обезьяны. Рассмотрим сперва населенность согласно больцмановской статистике, С‚.Рµ., скажем, четыре обезьяны СЃРёРґСЏС‚ РЅР° верхней ветке (1), пять РЅР° нижней (2) Рё шесть РЅР° земле (3, РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ уровень). РР· этих трех уровней РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ наиболее населен, Рё чем выше уровень, тем менее РѕРЅ заселен. Однако обезьяны РЅРµ СЃРёРґСЏС‚ РЅР° месте, РЅРѕ прыгают РїРѕ веткам (для примера РјС‹ можем полагать, что это РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ каждую минуту). Населенности РЅР° СѓСЂРѕРІРЅСЏС… РїСЂРё этом остаются РѕРґРЅРёРјРё Рё теми же РІРѕ времени (равновесная ситуация). Предположим теперь, что РјС‹ продолжаем заселять ветки СЃ той же скоростью (РѕРґРЅР° обезьяна Р·Р° минуту), РЅРѕ РІ то же время РјС‹ смачиваем ветку 2 Рё делаем ее скользкой. Теперь обезьяны РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ оставаться РЅР° ней более, например, 10 секунд. Поэтому эта ветка быстро расселяется, Рё РІСЃРєРѕСЂРµ РЅР° ветке 1 оказывается больше обезьян, чем РЅР° ветке 2. Таким образом, получается инверсная населенность РёР·-Р·Р° того, что время пребывания обезьяны РЅР° разных ветках различно. Хотя это очень примитивные рассуждения, РЅРѕ РѕРЅРё 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.
Р РёСЃ. 54. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё гелия (РќРµ) Рё (Ne). Показаны главные лазерные переходы
Р РёСЃ.55. Обезьяны РЅР° дерене распределяются согласно статистике Больцмана. РС… больше РЅР° земле, Рё РёС… число уменьшается РїРѕ мере высоты веток