История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

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

Джаван потратил много денег, но, к счастью, система заработала, иначе администрация уже готова была закрыть проект и прекратить эксперименты. К концу проекта на это исследование были затрачены два миллиона долларов. Хотя эта сумма, по-видимому, преувеличена, проект, несомненно, требовал значительных затрат.

Между тем, Джон Сандерс, физик экспериментатор из Оксфордского университета, был приглашен в Bell Labs, чтобы он попытался реализовать инфракрасный лазер. В течение менее одного года, выделенного на это исследование, Сандерс не тратил времени на теоретическое изучение, а сразу решил возбуждать чистый гелий в разрядной трубке с резонатором ФабриПеро внутри ее. Он пытался получить лазерный эффект путем проб и ошибок, варьируя параметры разряда. Максимальное расстояние, на котором можно было установить зеркала, все еще остающимися параллельными друг другу, было 15 см. Сандерс не использовал разрядные трубки большей длины. Джаван считал это принципиальным ограничением. Он предполагал, что усиление в газе очень мало и резонатор Сандерса не заработает. Трубка, которую использовал Джаван, была намного длиннее, и поскольку крайне трудно было настроить зеркала ФабриПеро на таком расстоянии, он решил сперва определить требуемые значения параметров для работающего устройства, а затем уж постараться настроить зеркала методом проб и ошибок. Так он работал. Без всей предварительной работы по выбору режима He-Ne для получения известного усиления, было невозможно добиться успеха.

Сандерс послал РїРёСЃСЊРјРѕ РІ Physical Review Letters, РІ котором сообщал, что было трудно получить достаточное число возбужденных атомов СЃ помощью импульсной лампы, Рё предлагал использовать возбуждение, РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёРјРѕРµ ударами электронов. Такое возбуждение легко осуществить РїСЂРё электрическом разряде РІ газе или РІ парах. Рнверсия населенности могла быть получена, если РІ активном материале существуют возбужденные состояния СЃ большими временами жизни, Р° также состояния СЃ более РЅРёР·РєРёРјРё энергиями Рё СЃ короткими временами жизни (как РјС‹ рассматривали РІ примере СЃ обезьянами).

Сразу же после этой статьи, РІ том же выпуске Physical Review Letters, Рђ. Джаван опубликовал СЃРІРѕСЋ статью, РІ которой также рассматривал эти проблемы, Рё среди РґСЂСѓРіРёС… схем предложил РѕРґРЅСѓ очень оригинальную. Рассмотрим долго живущее состояние РІ газе. Р’ условиях разряда это состояние можно заселить подходящим образом РёР·-Р·Р° его большого времени жизни. Если теперь возбужденное состояние второго газа имеет энергию очень близкую Рє этому долго живущему состоянию, то очень вероятно, что РїСЂРё столкновении энергия будет передана РѕС‚ первого атома РєРѕ второму, который станет возбужденным. Если этот атом имеет РґСЂСѓРіРёРµ состояния СЃ более РЅРёР·РєРёРјРё энергиями, то РѕРЅРё останутся невозбужденными Рё, тем самым может получиться инверсная населенность между состоянием СЃ высокой энергией РїРѕ отношению Рє состоянию СЃ более РЅРёР·РєРѕР№ энергией. Р’ своей работе Джаван СѓРїРѕРјСЏРЅСѓР» Рѕ смесях криптона Рё ртути, Р° также Рѕ смеси гелия СЃ неоном. Рта работа была опубликована РІ Physical Review Letters 3 РёСЋРЅСЏ 1959 Рі.