История лазера. Научное издание
Шрифт:
Р’ 1961 Рі. РІ Bell Labs началась большая программа лазерных исследований. Рсследователей, занятых РґСЂСѓРіРёРјРё проблемами, переориентировали РЅР° РЅРѕРІСѓСЋ тематику, были приняты новые сотрудники. Решение использовать РІ резонаторе РґРІР° одинаковых сферических зеркала, расположенных РІ положении РёС… фокусов (такая конфигурация называется конфокальным резонатором), показало, каких трудностей РјРѕРі Р±С‹ избежать Джаван, если Р±С‹ использовал такой резонатор. Р’ результате, Вильям Р’. Р РёРіСЂРѕРґ, Хервиг Когельник, Дональд Р . Хериотт Рё Р”. Дж. Брангачио построили весной 1962 Рі. первый конфокальный резонатор СЃРѕ сферическими зеркалами, которые концентрируют свет Рє РѕСЃРё разрядной трубки, причем эти зеркала помещались РІРЅРµ трубки. Рто позволило получить генерацию РЅР° красной линии 6328 Рђ. Часть света неизбежно теряется РїСЂРё отражениях РѕС‚ поверхностей РѕРєРѕРЅ (френелевское отражение). Ртих потерь, однако, можно избежать, если наклонить РѕРєРЅР° РїРѕРґ определенным углом, называемым углом Брюстера. Р’ этом случае для света определенной поляризации потери практически равны нулю. Такая новая конфигурация лазера показана РЅР° СЂРёСЃ. 57.
Рис. 57. Конфокальный оптический резонатор. Трубка, в которой газ возбуждается электрическим разрядом, закрыта окошками, наклоненными под углом Брюстера. Вогнутые зеркала с равными радиусами кривизны располагаются за трубкой так, чтобы расстояние между ними было равно радиусу кривизны
Красный He-Ne-лазер стал широко применяться, и до сих пор находит использование, в частности, в медицине. Кроме того, он сильно способствует пониманию принципиальных различий между лазерным (высококогерентным) и обычным (некогерентным) светом. С помощью этого лазера легко наблюдаются явления интерференции, а также модовая структура лазерного пучка, которая легко и наглядно изменяется небольшим наклоном зеркала резонатора. Также стимулировалась разработка других, многочисленных типов лазеров.
Современный He-Ne-лазер может генерировать на одном из нескольких переходах, показанных на рис. 54. Для этого могослойные зеркала изготавливаются с максимальным отражением на нужной длине волны. Генерация получается на длинах волн 3,39 мкм, 1,153 мкм, 6328 А и даже при использовании особых зеркал, на длинах волн 5433 А (зеленая линия), 5941 А (желтая линия), 6120 А (оранжевая линия).
Цезиевый лазер
1961 г. был годом реализации еще двух лазеров, над которыми специалисты работали с самого начала появления концепции лазера. Одним из них был цезиевый лазер. После того как Таунс и Шавлов написали свою работу, было решено, что Таунс попытается построить лазер на парах калия. Выбор был обусловлен тем, что расчеты показывали возможность работы, а также тем, что пары калия являются простым одноатомным газом с хорошо известными свойствами. Таунс хотел работать с системой, свойства которой можно было проанализировать в деталях. Позднее он говорил: Мой стиль физики заключается в том, чтобы обдумать проблему теоретически, проанализировать ее, а затем поставить эксперимент, который должен работать. Если он не получается, вы должны заставить его заработать. Вы анализируете и усиливаете теоретические условия в лаборатории, до тех пор, пока вы не добьете проблему. Его предварительные расчеты показывали, что калиевый лазер будет иметь высокомонохроматическое излучение, что было бы весьма полезно для специальных применений. Но были и недостатки: малый коэффициент полезного действия (около 0.1%) и выходная мощность в доли милливатта.
Р’ то время как Таунс сконцентрировался РЅР° парах калия, Шавлов РІ Bell Labs, изучая СЂСѓР±РёРЅ, пришел Рє заключению, что его линии, которые позднее Мейман использовал для создания первого лазера, РЅРµ годятся. Таунс запросил Рё получил финансирование РѕС‚ Военно-воздушного ведомства. Рто позволило ему привлечь Рє проекту РґРІСѓС… аспирантов: Р“. Камминса Рё Р. Абелла.
Однако в работе возник ряд проблем. Пары калия вызывали потемнение стекла разрядной трубки и действовали химически на вакуумную аппаратуру. В конце 1959 г. Таунс попросил О. Хивенса, британского специалиста по диэлектрическим зеркалам, приехать и помочь, а также решил использовать пары цезия вместо калия, накачивая их гелиевой лампой.
Р РёСЃ. 58. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё цезия Рё гелия
РћРґРЅР° РёР· СѓР·РєРёС… линий поглощения атома цезия имеет РІ точности такую же энергию, как РѕРґРЅР° РёР· СѓР·РєРёС… линий гелия. Поэтому можно использовать свет гелиевой лампы, испускаемой РЅР° этой длине волны (389 РЅРј), для селективной накачки СѓСЂРѕРІРЅСЏ цезия Рё заселить его больше, чем нижние СѓСЂРѕРІРЅРё. Таким образом, можно получить инверсную населенность (СЂРёСЃ. 58). После сообщения Меймана Таунс перевел Абелла РЅР° работу СЃ СЂСѓР±РёРЅРѕРј, Р° Камминс продолжал работу СЃ цезием. Цезиевый лазер был запущен РІ TRG между концом 1961 Рі. Рё первыми месяцами 1962 Рі. Полом Рабиновичем, Стефеном Джакобсом Рё Голдом. РћРЅ испускал излучение РЅР° 3,20 Рё 7,18 РјРєРј. Рто был РѕРґРёРЅ РёР· лазеров, запущенных благодаря конфокальным зеркалам. Рсследователи РёР· TRG также начали СЃ калия, РЅРѕ после РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· семинаров, РЅР° котором Хивенс сказал, что цезий лучше, также перешли РЅР° этот материал Рё оказались первыми, стремясь показать, что миллион долларов, выделенный РёРј, потрачен РЅРµ напрасно. РћРЅРё РІ марте 1961 Рі. добились получения инверсии, Рё получили генерацию РІ начале 1962 Рі.
Ртот лазер был скорее любопытен, чем практичен. Р’ настоящее время генерацию РЅР° этих длинах волн более легко получают РґСЂСѓРіРёРјРё методами, Рє тому же цезиевые пары ядовиты.
Неодимовый лазер
Другой лазер, запущенный РІ 1961 Рі. Рё РІСЃРµ еще остающимся РѕРґРЅРёРј РёР· главных, лазер РЅР° неодимовом стекле. Р’ 19591960 РіРі. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые РїСЂРѕРІРѕРґРёР» РѕРґРёРЅ РёР· ее ученых, Рлиас Снитцер. Рта компания первоначально концентрировалась РЅР° оптических приборах Рё офтальмологических изделиях. РћРЅР° также была сильна РІ области изготовления стекла Рё изделий РёР· него. Р’ течение 1950-С… РіРі. компания решила расширить производство Рё, поэтому запустила исследовательские проекты РІ новых областях, таких как военная электрооптика Рё волоконная оптика. Рлиас Снитцер был РїСЂРёРЅСЏС‚ РІ начале 1959 Рі. РІ исследовательскую РіСЂСѓРїРїСѓ Рё начал СЃРІРѕРё работы РїРѕ распространению электромагнитных волн РІ оптических волокнах. Для компании эта работа принесла патенты РІ области волоконной оптики Рё укрепила ее РёРјРёРґР¶ РІ этой области РІ научном РјРёСЂРµ. Снитцер уловил СЃРІСЏР·Рё между исследованиями оптических волокон Рё лазерными работами. Поскольку стеклянное волокно может поддерживать РјРѕРґС‹ электромагнитного излучения, то его можно превратить РІ лазерный резонатор, если РЅР° его концах разместить зеркала. Рто предположение было интересно, поскольку РІ научной среде были сомнения, будет ли работать резонатор ФабриПеро. Стекло само РїРѕ себе может стать лазерным материалом, если его допировать подходящим веществом, таким как самарий или иттербий, Рё накачивать требуемые СѓСЂРѕРІРЅРё СЃ помощью некогерентного света, посылаемого либо через поверхность, либо через торец волокна. Снитцер полагал, что РѕРЅ может даже сконцентрировать больше света накачки РІ волокне, если покроет его тонким слоем стекла СЃ несколько отличающимся показателем преломления.
Р’ начале 1960 Рі. Снитцер СЃ РґРІСѓРјСЏ сотрудниками начал исследования серии стеклянных волокон, допированных ионами, имеющими линии люминесценции РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области. Стекло было необычным выбором. Р’СЃРµ исследованные материалы были либо газами, либо кристаллами. После успеха Меймана Снитцер попробовал волокна СЂСѓР±РёРЅР°. До этого РѕРЅ использовал ртутные лампы большого давления, непрерывно испускающие свет. Теперь РѕРЅ приобрел лампы-вспышки. Группа исследовала 200 волокон. Р’ конце 1960 Рі. РѕР±Р° помощника Снитцера были переведены РЅР° закрытый проект Р’Р’РЎ, имеющий цель создать лазерный излучатель СЃ солнечной накачкой. Снитцер остался РѕРґРёРЅ Рё решил перейти РѕС‚ РІРёРґРёРјРѕРіРѕ диапазона Рє инфракрасному. Рто решение означало замену допированных материалов. Р’ инфракрасной области можно было использовать редкие земли: неодим, празеодим, гольмий, СЌСЂР±РёР№ Рё тулий. Снитцер также решил оставить волокна Рё сосредоточиться РЅР° простом стержне допированного стекла. Р’ октябре 1961 Рі. РѕРЅ получил лазерную генерацию РЅР° стержне стекла, допированного неодимом.
РРѕРЅС‹ неодима, РєРѕРіРґР° РѕРЅРё введены РІ кристаллы или РІ аморфный материал, подобный стеклу, имеют СѓР·РєРёРµ спектры. Рспользование стекла РІ качестве лазерного материала дает СЂСЏРґ преимуществ. Методы приготовления оптических стекол хорошо освоены, Рё изготовление стеклянного образца значительно проще выращивания кристалла. РљСЂРѕРјРµ того, оптическое качество стекла несравненно лучше, чем Сѓ кристаллов, Рё можно изготавливать стеклянные образцы значительно больших размеров. Более того, стекла, допированные ионами редких земель (окрашенные стекла), уже производились РІ течение РјРЅРѕРіРёС… лет, РІ частности для использования РІ фотографии.