История лазера. Научное издание
Шрифт:
Предпочтительным материалом для мазера в то время был рубин. Мейман решил, что он может кое-что сделать, также используя рубин. Он сделал миниатюрный резонатор, используя сам кристалл рубина. С этой целью рубин вырезался в виде маленького параллелепипеда. Его грани покрывались слоем серебра, имеющего высокую проводимость. В одной из стенок, делалось маленькое отверстие. Таким образом получался резонатор и, одновременно, активный материал. Затем он решил, вместо того, чтобы помещать двойной дьюар в громадный магнит, взять маленький постоянный магнит и поместить его в дьюар. Были опасения, что магнит лопнет, но все сработало прекрасно. В результате все устройство стало весить не более 15 кг вместо двух тонн и работало много лучше и много более стабильно, чем прежде.
Позднее он сделал еще меньшие мазеры весом не более 2 кг и разработал горячий мазер, который работал при температуре жидкого азота и даже сухого льда.
Рубиновый лазер
Р’
Р РёСЃ. 50. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё С…СЂРѕРјР° РІ СЂСѓР±РёРЅРµ, которые участвуют РІ излучении лазера
Р СѓР±РёРЅ является кристаллом РѕРєРёСЃРё алюминия (Рђl2O3), РІ которую добавлено небольшое число атомов С…СЂРѕРјР° РІ качестве примеси (РјС‹ РіРѕРІРѕСЂРёРј допирование С…СЂРѕРјРѕРј[9]). Атом С…СЂРѕРјР° теряет три СЃРІРѕРёС… электрона Рё становится РёРѕРЅРѕРј С…СЂРѕРјР°, который замещает РѕРґРёРЅ РёР· РёРѕРЅРѕРІ алюминия РІ кристаллической решетке. Рти РёРѕРЅС‹ С…СЂРѕРјР° имеют серию энергетических уровней РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области (СЂРёСЃ. 50), которые делают прозрачный Рё бесцветный материал окрашенным РѕС‚ СЂРѕР·РѕРІРѕРіРѕ РґРѕ тёмно-красного, РІ зависимости РѕС‚ концентрации примеси. РќР° СЂРёСЃ. 50 показаны РґРІРµ серии уровней, которые настолько близки РґСЂСѓРі Рє РґСЂСѓРіСѓ, что практически сливаются РІ РґРІРµ непрерывные полосы. Рти РґРІРµ полосы имеют центры РЅР° длине волны 0,55 РјРєРј (зеленая; эту полосу РІ спектроскопии обозначают 4F2) Рё РЅР° длине волны 0,42 РјРєРј (фиолетовая; обозначенная 4F1) соответственно. Если кристалл облучается зеленым или фиолетовым светом, возбужденные РёРѕРЅС‹ релаксируют РЅР° РґРІР° промежуточных СѓСЂРѕРІРЅСЏ, обозначаемых 2Р•, Р·Р° очень короткое время, вместо того, чтобы непосредственно спадать РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРµ состояние. Переход РёР· зеленой Рё РёР· фиолетовой полос РЅР° эти СѓСЂРѕРІРЅРё РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ без испускания света, РЅРѕ дает избыток энергии решетке через колебания ее атомов. РЎ этих очень близко расположенных уровней (обозначаемых 2A Рё E) РёРѕРЅС‹ медленно спадают (Р·Р° время РїРѕСЂСЏРґРєР° миллисекунды) РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ уровень, причем РІ это время испускается красный свет, который имеет очень СѓР·РєРѕРµ спектральное распределение (СѓР·РєРёРµ линии) около 6928 Рђ (спектроскописты называют ее R2 линией) или 6943 A (R1). Ртот свет, испускаемый после освещения кристалла, называется люминесценцией. Наименование этих уровней Рё полос было предложено теоретиками согласно рассмотрению РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ теории РіСЂСѓРїРї, которое отражает определенные свойства симметрии соответствующих состояний. Рто РЅРµ представляет интереса РІ нашем случае.
РСЂРІРёРЅ Видер РёР· Рсследовательских лабораторий Вестингауза занимался исследованием излучения, соответствующего СѓР·РєРёРј линиям СЂСѓР±РёРЅР°, С‚.Рµ. R линий. РћРЅ использовал лампу накаливания, свет которой поглощался Рё возбуждал РѕР±Рµ зеленую Рё фиолетовую полосы СЂСѓР±РёРЅР°. Затем энергия передавалась РЅР° 2E уровень. Видер рассчитал, что эффективность этого преобразования энергии была около 1% (С‚.Рµ. около РѕРґРЅРѕР№ сотой энергии, поглощенной РІ этих РґРІСѓС… полосах, оказывается РІ РІРёРґРµ красного света, испускаемого РІ R линиях). Если это так, то лишь РѕРґРёРЅ красный фотон получается РЅР° каждые 100 поглощенных фотонов, что, практически, закрывает возможность использования оптической накачки для получения лазера. Однако после исследования РґСЂСѓРіРёС… материалов, Мейман решил выполнить более точные измерения для СЂСѓР±РёРЅР°, путем изучения спектроскопии РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР° РІ СЂРѕР·РѕРІРѕРј СЂСѓР±РёРЅРµ. РћРЅ обнаружил, что РЅР° самом деле, квантовая эффективность была очень высока. Рти Рё РґСЂСѓРіРёРµ результаты точных исследований люминесценции составили предмет статьи, которая была направлена 22 апреля 1960 Рі. РІ журнал Physical Review Letters Рё была опубликована РІ РёСЋРЅРµ того же РіРѕРґР°.
Р’ этом исследовании Мейману помогал Р. Р”'Хейнес, который только частично был связан СЃ фирмой Рё придерживался мнения СЃРІРѕРёС… руководителей Дж. Бирнбаума Рё Р“. Лайона, высказывавших скептицизм относительно успеха.
Р’ результате исследований было обнаружено распределение энергии РІ ионах С…СЂРѕРјР°, которое РјС‹ описали Рё которое изображено РЅР° СЂРёСЃ. 50, причем время жизни 2E уровней, оказалось около 5 РјСЃ. Рто, относительно длинное, время жизни, РІ течение которого атомы остаются РІ метастабильном состоянии, Рё РёС… последующий распад СЃ испусканием излучения (радиационный распад) является ответственным Р·Р° явление люминесценции СЂСѓР±РёРЅР°, С‚.Рµ. явления, которое Рё дает материалу его красный цвет. Р СѓР±РёРЅС‹, которые исследовал Мейман, относились Рє так называемым розовым рубинам, РІ которых концентрация РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР° составляет только около 0,05% РїРѕ весу. Поэтому,
Мейман рассчитал, что достаточно интенсивный зеленый свет может желательным образом заселить промежуточное состояние 2E. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, должно было изменить населенность РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ состояния (уменьшить его населенность). Р’СЃРµ эти результаты побудили его использовать СЂСѓР±РёРЅ для первого лазеры Рё 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 2E, обозначенный числом 2. С него они возвращаются на основной уровень в течение ~ 5 мс, испуская красный свет.
Мейман измерил уменьшение числа РёРѕРЅРѕРІ, остающихся РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј СѓСЂРѕРІРЅРµ после поглощения зеленого света РЅР° 5600 Рђ, путем наблюдения фиолетового света РЅР° 4100 Рђ, который поглощается РЅР° переходе РѕС‚ 4A2 РЅР° 4F1. Р—Р° счет этого перехода энергия РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР° возрастает СЃ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ 1 РІ полосу, обозначенную 4F1. РќР° образец СЂСѓР±РёРЅР° посылался интенсивный короткий импульс излучения зеленого света РЅР° 5600 Рђ Рё одновременно образец просвечивался фиолетовым светом РЅР° 4100 Рђ. РљРѕРіРґР° интенсивный импульс излучения РЅР° 5600 Рђ посылается РЅР° образец, излучение РЅР° 4100 Рђ, также посылаемое РІ это же время РЅР° образец, испытывает резкое увеличение (поглощение уменьшается), которое спадает Р·Р° ~ 5 РјСЃ. Ртот эффект легко объяснить. Рмпульс света РЅР° 5600 Рђ, который возбуждает РёРѕРЅС‹ СЃ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ РІ полосу 4F2 уменьшает число РёРѕРЅРѕРІ РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј СѓСЂРѕРІРЅРµ, которые можно возбудить светом РЅР° 4100 Рђ РІ полосу 4F1. Тем самым уменьшается поглощение фиолетового света. Только после ~ 5 РјСЃ, РєРѕРіРґР° РёРѕРЅС‹ возбужденные РІ полосу 4F2, РїСЂРѕР№РґСЏ уровень 2E, возвратятся РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ уровень, поглощение фиолетового света возвратится Рє первоначальному состоянию. Ртот Рё РґСЂСѓРіРёРµ эксперименты позволили Мейману рассчитать, что изменение населенности РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ РІ 3% вполне осуществимо.
Воодушевленный этим результатом, РѕРЅ модифицировал условия эксперимента, чтобы возбудить максимально возможное число РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР° СЃ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ 1 РЅР° уровень 2. Для этого РѕРЅ использовал СЂСѓР±РёРЅ РІ РІРёРґРµ цилиндра, окруженного спиральной импульсной лампой (лампой-вспышкой). Чтобы собрать побольше света РЅР° образец СЂСѓР±РёРЅР°, РѕРЅ поместил РІСЃРµ РІ цилиндр СЃ посеребренными внутренними стенками. Таким образом, около 98% света лампы отражалось РѕС‚ РЅРёС… РЅР° образец. После внимательного изучения каталога ламп-вспышек, выпускаемых для профессиональных фотографов фирмой Дженерал Рлектрик, РѕРЅ установил, что три РёР· РЅРёС…, FT 503, FT 506, FT 634, РІ принципе годятся. Чтобы получить резонатор, РѕРЅ отполировал РѕР±Р° основания цилиндра СЂСѓР±РёРЅР° Рё сделал РёС… грани параллельными. РќР° РЅРёС… испарением РІ вакууме наносились слои серебра (получался эталон Фабри-Перо). РћРґРёРЅ РёР· слоев имел максимальный коэффициент отражения, Р° РґСЂСѓРіРѕР№ имел некоторое малое пропускание для вывода излучения РёР· резонатора. Цилиндр СЂСѓР±РёРЅР° имел длину около 2 СЃРј Рё диаметр несколько меньший 1 СЃРј, Рё полностью окружался спиралью импульсной лампы (СЂРёСЃ. 51). Мейман выбрал самую маленькую лампу, FT 506. Через лампу разряжалась батарея конденсаторов, заряженная РґРѕ нескольких киловольт. Напряжением РЅР° батарее определялась интенсивность излучения лампы- РљРѕРіРґР° энергия разряда была РЅРµ слишком высока, через РЅРµ полностью отражающую грань СЂСѓР±РёРЅР° РїСЂРѕС…РѕРґРёР» красный свет люминесценции, который можно было наблюдать глазом РЅР° экране. РЎ помощью подходящего приемника (фотоэлемент или фотоумножитель) можно было также прослеживать изменение интенсивности этого света РІРѕ времени, убеждаясь, что РѕРЅР° затухает Р·Р° характерное время ~ 5 РјСЃ, типичное для люминесценции. Однако РєРѕРіРґР° энергия разряда достигала определенного значения, внезапно РЅР° экране наблюдалось интенсивное красное пятно диаметром около 1 СЃРј.