История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Джаван работал в тесном контакте с Вильямом Р. Беннеттом мл., спектроскопистом из Йельского университета, и который был другом Джавана в Колумбии. Они работали до самой ночи целый год. Осенью 1959 г. Джаван попросил Дональда Р. Херриота, специалиста по оптической аппаратуре в Bell Labs, участвовать в работе над проектом. Одной из принципиальных проблем, было снабдить разрядную трубку двумя прозрачными окнами очень высокого оптического качества, чтобы не искажать выходной пучок. Также требовалось установить зеркала резонатора. Была разработана схема (рис. 56) с зеркалами внутри разрядной трубки, снабженная специальными устройствами с микрометрическими винтами, которые обеспечивали возможность тонкой настойки зеркал по углам. В сентябре 1959 г. Беннетт перешел из Йеля в Bell Labs и вместе с Джаваном начал программу интенсивных и тщательных

исследований с расчетами и измерениями спектроскопических свойств гелий-неон смесей при различных условиях, с целью определить факторы, определяющие получение инверсии. Они установили, что при наилучших условиях можно получить лишь очень малое усиление, порядка 1,5%. Такое малое усиление делало совершенно необходимым минимизировать потери и использовать зеркала с наибольшим возможным коэффициентом отражения. Такие зеркала получают путем нанесения на прозрачную поверхность (стекло) многих слоев подходящих (прозрачных) диэлектрических материалов с разными коэффициентами преломления. Высокий коэффициент отражения получается за счет многолучевой интерференции при отражениях на границах между слоями. Три исследователя сумели использовать такие зеркала, которые на длине волны 1.15 мкм имели коэффициент отражения 98,9%.

Рис. 56. Схема гелий-неонового лазера, построенного Джаваном, Беннеттом и Хериоттом

Р’ 1960 Рі. Джаван, Беннетт Рё Хериотт наконец испытали СЃРІРѕР№ лазер. Сначала РѕРЅРё пытались осуществить электрический разряд РІ кварцевой трубке, содержащей газовую смесь, СЃ помощью мощного магнетрона, РЅРѕ трубка плавилась. Пришлось переделать аппаратуру Рё внести изменения. 12 декабря 1960 Рі. РѕРЅРё стали работать СЃ РЅРѕРІРѕР№ трубкой Рё организацией разряда. РћРЅРё пытались настроить зеркала, чтобы получить лазерную генерацию, РЅРѕ безуспешно. Затем, РІ полдень, Хериотт увидел сигнал: РЇ, как обычно, поворачивал микрометрические винты РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· зеркал, РєРѕРіРґР°, внезапно, появился сигнал РЅР° осциллографе. РњС‹ настроили монохроматор Рё зарегистрировали РїРёРє сигнала РЅР° длине волны 1,153 РјРєРј, С‚.Рµ. РЅР° ожидаемой длине волны. Родился первый лазер, использующий газ РІ качестве активной среды, Рё работающий РІ непрерывном режиме! Его излучение было РІ ближнем РРљ-диапазоне Рё поэтому невидимое глазом. Для регистрации требовался подходящий приемник, связанный СЃ осциллографом.

Рђ шестью месяцами ранее, техник РРґ Баллик, помогавший РІ работе, позднее получивший степень РІ Оксфордском Университете Рё преподававший РІ Канаде, РєСѓРїРёР» бутылку РІРёРЅР° столетней давности. РћРЅР° предназначалась для торжественного момента РїРѕ случаю работы лазера. РљРѕРіРґР°, наконец, эксперименты РїРѕ созданию лазера привели Рє успеху, через несколько дней Джаван РїРѕР·РІРѕРЅРёР» главе Bell Labs Рё пригласил его обмыть событие столетним РІРёРЅРѕРј. РўРѕС‚ страшно обрадовался, РЅРѕ потом воскликнул: Черт, Али. РЈ нас проблема!. Рто произошло СЃ утра, Джаван, так Рё РЅРµ РїРѕРЅСЏР» РІ чем проблема. РќРѕ РІ полдень РїРѕ лаборатории был распространен циркуляр, уточняющий предыдущий, выпущенный несколькими месяцами ранее, Рё запрещающий распитие алкоголя РЅР° территории научного центра. Уточнение запрещало распивать любой алкоголь, возраст которого РЅРµ достиг 100 лет. После этого РѕРЅРё подняли бокалы Р·Р° успех, РЅРµ нарушив правила!

Первый лазер работал РЅР° переходе СЃ длиной волны 1,15 РјРєРј, ближнем РРљ-диапазоне. Джаван использовал зеркала, которые имели максимальное отражение РЅР° этой длине волны, которая соответствует РѕРґРЅРѕРјСѓ РёР· возможных переходов неона. РћРЅ знал, что были Рё РґСЂСѓРіРёРµ возможные длины волн. РћРЅ выбрал эту длину волны, поскольку его исследования показали, что РЅР° ней можно ожидать наибольшее усиление. Чтобы использовать переходы РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области, требовалась трубка СЃ таким малым диаметром, что невозможно было настроить плоские зеркала, которые РІ то время использовались для резонатора ФабриПеро.

Р’ лазере Джавана разрядная трубка содержала неон Рё гелий РїСЂРё давлении 0,1 Рё 1 торр соответственно (1 торр почти тысячная часть давления РІ РѕРґРЅСѓ атмосферу). РўСЂСѓР±РєР° РёР· плавленого кварца имела длину 80 СЃРј Рё диаметр 1,5 СЃРј. РќР° каждом конце была металлическая полость, РІ которых располагались плоские зеркала СЃ высоким отражением. Рспользовались РіРёР±РєРёРµ рукава (сильфоны), позволяющие микрометрическими винтами настраивать (путем прецизионных наклонов) зеркала ФабриПеро. Рто позволяло обеспечить параллельность

СЃ точностью РґРѕ 6 угловых секунд. РќР° концах располагались плоские стеклянные РѕРєРЅР° СЃ поверхностями, отполированными СЃ точностью, лучшей 100 Рђ. РћРЅРё позволяли выпускать пучок излучения без искажений. Рлектрический разряд возбуждался СЃ помощью внешних электродов, используя генератор РЅР° 28 МГц СЃ мощностью 50 Р’С‚. Зеркала СЃ высоким отражением получались напылением 13 слоев диэлектрических материалов (MgF₂, ZnS). Р’ области между 1,1 Рё 1,2 РјРєРј коэффициент отражения был 98,9%. Лазер работал РІ непрерывном режиме Рё был первым лазером этого типа.

Следуя примеру Hughes, исследовательский центр Bell Labs также устроил публичную демонстрацию гелий-неонового лазера 14 декабря 1960 г. Чтобы продемонстрировать возможную важность для коммуникаций, была организована передача телефонного разговора, используя пучок лазерного излучения, который модулировался телефонным сигналом.

Ртот лазер стали называть He-Ne-лазером, используя химические символы его компонент для названия. РћРЅ был представлен прессе 31 января 1961 Рі. Работа, описывающая его, была опубликована 30 декабря 1960 Рі. РІ Physical Review Letters.

Р’ то время, РєРѕРіРґР° Джаван РїСЂРѕРІРѕРґРёР» эксперименты весной 1960 Рі., РґРІР° исследователя Bell Labs, Рђ. Фокс Рё Рў. Ли, стали изучать РІРѕРїСЂРѕСЃ, какие РјРѕРґС‹ существуют РІ резонаторе ФабриПеро. Дело РІ том, что резонатор ФабриПеро сильно отличается РѕС‚ микроволновых резонаторов РІ РІРёРґРµ замкнутых полостей. РћРЅРё определили РІРёРґ этих РјРѕРґ, Рё РёС… результат РїРѕР±СѓРґРёР» РґСЂСѓРіРёС… исследователей Bell Labs, Гэри Р”. Бонда, Джеймса Гордона Рё Хервига Когельника, найти аналитические решения РІ случае зеркал сферической формы. Важность изучения оптических резонаторов для развития газовых лазеров нельзя недооценивать. До того как были получены эти результаты, газовый лазер был, РІ лучшем случае, маргинальным устройством, генерация которого РІ сильнейшей степени зависела РѕС‚ юстировки концевых зеркал. Теоретические исследования резонаторов СЃРѕ сферическими зеркалами показали, что РјРѕРіСѓС‚ быть конфигурации, относительно слабо зависящие РѕС‚ юстировки зеркал, Р° внутренние потери РІ резонаторе РјРѕРіСѓС‚ быть меньшими, чем РІ резонаторе СЃ плоскими зеркалами. Рто позволяет использовать активные среды СЃРѕ значительно меньшими, чем думали раньше, усилениями. РћС‚ резонатора СЃ плоскими зеркалами практически отказались, Рё РІСЃРµ открытия новых газовых лазеров делались СЃ помощью резонаторов СЃРѕ сферическими зеркалами.

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.