История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Рис. 51. Схема лазера на рубине Меймана

Ртот результат был получен РІ мае 1960 Рі. Сигнал лазера был РЅРµ очень сильным, поскольку образец СЂСѓР±РёРЅР° выбирался РёР· тех, что использовались РІ мазерах, Рё был довольно плохого оптического качества. Мейман заказал специальные СЂСѓР±РёРЅС‹ Рё немедленно подготовил сообщение Рѕ СЃРІРѕРёС… впечатляющих результатах, которое РѕРЅ отправил 24 РёСЋРЅСЏ РІ Physical Review Letters. Однако редактор журнала РЅРµ РїСЂРёРЅСЏР» статью для публикации, считая, что физика мазеров уже достигла значительного СѓСЂРѕРІРЅСЏ Рё новые результаты РІ этой области РЅРµ 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.

РљРѕРіРґР° люди, отвечающие Р·Р° рекламу РІ Hughes, решили сделать фотографию первого лазера Рё его создателя Меймана, РѕРЅРё использовали самую большую спиральную лампу-вспышку FT503, поскольку фотография Меймана РЅР° ее фоне была более фотогенична. РЁРёСЂРѕРєРѕРµ распространение этой фотографии создало представление, что именно такая лампа используется РІ СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРј лазере. Рто 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. Рнаконец, 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.

РќР° следующий день, после того, как Мейман РѕР±СЉСЏРІРёР», что СЂСѓР±РёРЅ успешен, РјРЅРѕРіРёРµ продолжали сомневаться РІ этом. Р’ августе РіСЂСѓРїРїР°, включающая Шавлова, воспроизвела РІ Bell Labs лазер Меймана Рё показала, что РѕРЅ эффективно работает. РЎРІРѕРё результаты РѕРЅРё опубликовали РІ октябрьском выпуске Physical Review Letters. РњРЅРѕРіРёРµ, РёР· тех кто РЅРµ видел английских работ Меймана, посчитали, что первый лазер был создан РІ научном центре Bell Labs. Рто заблуждение поддерживалось тем, что предложение лазера было сделано РІ том же Bell Labs Шавловым Рё Таунсом, которые, как было известно, работают над практической реализации своей идеи. Hughes РІ Калифорнии была полностью РІ стороне РѕС‚ этих исследований Рё РѕС‚ принципиальной команды РЅР° 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.

Р’ принципе лазерное действие можно получить РЅР° R₁ или R₂ линиях, РЅРѕ обычно РѕРЅРѕ получается РЅР° R₁, линии. Лазер характеризуется некоторыми особенными свойствами, присущими источнику этого типа: когерентностью, С‚.Рµ. способностью производить интерференционные явления; направленностью пучка испусканием очень СѓР·РєРѕР№ полосы частот СЃ очень большой мощностью. Расходимость пучка, С‚.Рµ. СѓРіРѕР», РїРѕРґ которым РѕРЅ расходится, был около 5, РЅР° расстоянии 10 Рј пятно излучения было меньше 9 СЃРј РІ диаметре. Более того, пучок был пространственно когерентным, что было немедленно продемонстрировано путем наблюдения способности производить интерференционные полосы. Рспускаемая мощность была около 10 РєР’С‚, это означало, что поток, испускаемый РІ частотном интервале (спектральная мощность), почти РІ миллион раз превосходил тот, что соответствует солнечному свету РЅР° поверхности земли для того же спектрального интервала.

РџСЂРё исследовании временных характеристик лазерного излучения СЃ помощью фотоэлектрического приемника Рё осциллографа оказалось, что излучение состоит РёР· СЂСЏРґР° тесно расположенных импульсов (пичков), каждый длительностью РїРѕСЂСЏРґРєР° микросекунды (СЂРёСЃ. 52). Рта особенность была названа пичковым режимом, Р° лазер обозначался как работающий РІ режиме СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕР№ генерации. Р’СЃРєРѕСЂРµ была использована специальная техника, называемая Q-switching, или модуляция добротность. Ртот метод заставляет лазер излучать лишь РѕРґРёРЅ импульс СЃ существенно меньшей длительностью Рё соответственно СЃ существенно большей (РІ сотни раз) РїРёРєРѕРІРѕР№ мощностью. Получались импульсы света СЃ пиковыми мощностями РІ сотни Рё даже тысячи мегаватт. Такие импульсы стали называть гигантскими.

Р РёСЃ. 52. Рзлучение СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ лазера РІ режиме СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕР№ генерации (пички)

Появление лазера произвело РІ научном РјРёСЂРµ эффект разорвавшейся Р±РѕРјР±С‹, вызвав разработку целого СЂСЏРґР° систем лазеров, РІ реальность которых никто РЅРµ верил несколькими месяцами ранее. Практически, любая субстанция, включая РІРѕР·РґСѓС…, могла быть использована для создания лазера. РњС‹ рассмотрим лишь несколько случаев Рё начнем рассмотрение СЃ примеров твердотельных лазеров, Р° затем опишем реализацию первого газового лазера, гелий-неонового лазера, который даже сегодня является РѕРґРЅРёРј РёР· наиболее широко используемых лазеров СЃ прекрасными характеристиками. РњС‹ также рассмотрим цезиевый лазер, неодимовый лазер, Р° также лазеры, основанные РЅР° растворах органических красителей. Рти лазеры можно перестраивать РІ очень широком диапазоне частот, Рё РѕРЅРё являются некоторыми РёР· наиболее универсальных лазеров. Наконец, полупроводниковые лазеры, имеющие фундаментальное значение для современных систем коммуникации, основанных РЅР° применении оптических волокон. Для этого применения полупроводниковый лазер является идеальным источником.

Второй твердотельный лазер

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.