Чтение онлайн

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 4А 2и обозначен числом 1) в полосу уровней, обозначенную как 4F 2и числом 3. Отсюда ионы быстро, за доли микросекунды (путем передачи энергии при столкновениях с атомами решетки), переходят на уровень 2E, 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 4A 2на 4F 1. За счет этого перехода энергия ионов хрома возрастает с основного уровня 1 в полосу, обозначенную 4F 1. 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 4F 2уменьшает число ионов на основном уровне, которые можно возбудить светом на 4100 А° в полосу 4F 1. Тем самым уменьшается поглощение фиолетового света. Только после ~ 5 мс, когда ионы возбужденные в полосу 4F 2, пройдя уровень 2E, 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.

На следующий день, после того, как Мейман объявил, что рубин успешен, многие продолжали сомневаться в этом. В августе группа, включающая Шавлова, воспроизвела в Bell Labs лазер Меймана и показала, что он эффективно работает. Свои результаты они опубликовали в октябрьском выпуске Physical Review Letters. Многие, из тех кто не видел английских работ Меймана, посчитали, что первый лазер был создан в научном центре Bell Labs. Это заблуждение поддерживалось тем, что предложение лазера было сделано в том же Bell Labs Шавловым и Таунсом, которые, как было известно, работают над практической реализации своей идеи. Hughes в Калифорнии была полностью в стороне от этих исследований и от принципиальной команды на Восточном Побережье.

Работу лазера легко понять. Когда возбуждение импульсной лампой достаточно сильное, населенность состояния 2E становится больше, чем населенность основного состояния. В этой ситуации, некоторые из спонтанно испущенных фотонов люминесценции, которые распространяются параллельно оси системы и которые отражаются обратно и вперед на зеркалах концов рубина, многократно проходят через усиливающую среду, стимулируя излучение возбужденных ионов, производя, тем самым, вынужденное излучение. Таким образом, лазерное действие инициируется спонтанным излучением и протекает за счет усиления только того излучения, которое из-за селективных свойств резонатора, распространяется взад и вперед вдоль оси стержня. Фотоны, распространяющиеся не вдоль оси, а по другим направлениям, теряются после нескольких отражений.

В принципе лазерное действие можно получить на R 1или R 2линиях, но обычно оно получается на R 1, линии. Лазер характеризуется некоторыми особенными свойствами, присущими источнику этого типа: когерентностью, т.е. способностью производить интерференционные явления; направленностью пучка испусканием очень узкой полосы частот с очень большой мощностью. Расходимость пучка, т.е. угол, под которым он расходится, был около 5°, на расстоянии 10 м пятно излучения было меньше 9 см в диаметре. Более того, пучок был пространственно когерентным, что было немедленно продемонстрировано путем наблюдения способности производить интерференционные полосы. Испускаемая мощность была около 10 кВт, это означало, что поток, испускаемый в частотном интервале (спектральная мощность), почти в миллион раз превосходил тот, что соответствует солнечному свету на поверхности земли для того же спектрального интервала.

При исследовании временных характеристик лазерного излучения с помощью фотоэлектрического приемника и осциллографа оказалось, что излучение состоит из ряда тесно расположенных импульсов («пичков»), каждый длительностью порядка микросекунды (рис. 52). Эта особенность была названа пичковым режимом, а лазер обозначался как работающий в режиме свободной генерации. Вскоре была использована специальная техника, называемая Q-switching, или модуляция добротность. Этот метод заставляет лазер излучать лишь один импульс с существенно меньшей длительностью и соответственно с существенно большей (в сотни раз) пиковой мощностью. Получались импульсы света с пиковыми мощностями в сотни и даже тысячи мегаватт. Такие импульсы стали называть гигантскими.

Появление лазера произвело в научном мире эффект разорвавшейся бомбы, вызвав разработку целого ряда систем лазеров, в реальность которых никто не верил несколькими месяцами ранее. Практически, любая субстанция, включая воздух, могла быть использована для создания лазера. Мы рассмотрим лишь несколько случаев и начнем рассмотрение с примеров твердотельных лазеров, а затем опишем реализацию первого газового лазера, гелий-неонового лазера, который даже сегодня является одним из наиболее широко используемых лазеров с прекрасными характеристиками. Мы также рассмотрим цезиевый лазер, неодимовый лазер, а также лазеры, основанные на растворах органических красителей. Эти лазеры можно перестраивать в очень широком диапазоне частот, и они являются некоторыми из наиболее универсальных лазеров. Наконец, полупроводниковые лазеры, имеющие фундаментальное значение для современных систем коммуникации, основанных на применении оптических волокон. Для этого применения полупроводниковый лазер является идеальным источником.

В сентябре 1959 г. Таунс организовал конференцию «Квантовая электроника — резонансные явления», на которой, хотя лазер еще не был создан, большинство неформальных дискуссий концентрировалось на лазерах.

В этой конференции приняли участие Петер Сорокин и Мирек Стевенсон из Исследовательского Центра им. Томаса Ватсона фирмы IBM. Они стали энтузиастами концепции лазера. Этот Центр был организован в 1956 г. и предоставлял комфортные условия в прекрасном месте вблизи Нью-Йорка. Директор физического отдела Центра Вильям Смит, предложил после прочтения статьи Шавлова и Таунса, чтобы его группа, занимающаяся микроволновой спектроскопии и в которой работали Сорокин и Стевенсон, переключила свои усилия на лазеры.