История лазера. Научное издание
Шрифт:
Р’ тот же РіРѕРґ лазерная генерация была получена Р›. Джонсоном, Р“. Бойдом, Рљ. Нассау Рё Р . Соденом РёР· Bell Labs РЅР° кристаллах вольфрамата кальция, допированного неодимом. РС… лазер РїСЂРё охлаждении жидким азотом работал РІ непрерывном режиме. Длина волны генерации была 1,06 РјРєРј.
В декабре 1961 г. ARPA (Advanced Research Projects Agency агентство, организованное в 1959 г. для поддержки фундаментальных исследований в области перспективных военных технологий) организовало научный комитет, который установил высшие приоритеты исследований лазеров на рубине и стекле. На следующий год Снитцер получил излучение в волокне диаметром 32 мкм. Сегодня на основе волокон, допированных редкими землями, создаются прекрасные лазеры и усилители, с успехом используемые, в волоконно-оптических системах связи.
Трехвалентный ион неодима
Лазеры на органических красителях
Если большинство лазеров, которые РјС‹ рассмотрели, появились РІ результате высокоскоординированных усилий Рё требовали развития передовых технологий (это объясняет, почему РѕРЅРё РІСЃРµ появились РІ РЎРЁРђ), то случай органических красителей (просто красителей) можно рассматривать как совершенно отличающийся. Первый лазер этого типа появился случайно благодаря лазерной методике, называемой модуляцией добротности, которую предложил РІ 1961 Рі. Роберт Хелворт РёР· Hughes Research Lab. Ртот метод, как отмечалось выше, позволяет РІ РѕРіСЂРѕРјРЅРѕР№ мере увеличить импульсную мощность лазерного излучения путем генерации гигантских импульсов. Суть метода заключается РІ следующем. Р’ период накачки, добротность резонатора искусственно поддерживается РЅР° РЅРёР·РєРѕРј СѓСЂРѕРІРЅРµ Рё генерация РЅРµ возникает. Отсутствие генерации позволяет получить большую инверсную населенность (РїСЂРё генерации вынужденное излучение обедняет верхний лазерный уровень). Р’ момент достижения максимального значения инверсной населенности быстро включается максимальная добротность резонатора (резко уменьшаются его потери). Условия генерации оказываются сильно перевыполненными. Р’ результате генерация очень быстро развивается Рё запасенная РІ активной среде энергия высвечивается РІ РІРёРґРµ короткого импульса (его длительность составляет несколько времен РѕР±С…РѕРґР° светом расстояния между зеркалами резонатора). Таким СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј можно получить РѕС‚ СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ лазера одиночный импульс СЃ типичной длительностью 30 РЅРµ Рё мощностью РїРѕСЂСЏРґРєР° десятков или сотен миллионов ватт (мегаватт).
Вначале осуществление этого метода было очень грубым[11]. Внутри резонатора, С‚.Рµ. между зеркалами, помещался быстро вращающийся РґРёСЃРє РёР· непрозрачного материала, РІ котором была щель, открывающая путь свету (для быстрого открытия щель располагалась РІ общем фокусе РґРІСѓС… линз, которые фокусировали параллельный пучок Рё СЃРЅРѕРІР° превращали его РІ параллельный). Накачка светом импульсной лампы производилась РІ тот интервал времени, РєРѕРіРґР° РґРёСЃРє перекрывал свет между зеркалами. Р’ момент, РєРѕРіРґР° инверсная населенность оказывалась максимальной, щель открывала путь свету, так что получался резонатор СЃ минимальными потерями. Рта система давала слишком медленное включение добротности Рё была неудобна РІ обращении. Часто получался РЅРµ РѕРґРёРЅ, Р° РґРІР° или три импульса СЃ меньшей мощностью.
Так что специалисты стали думать о других методах. Один из них оказался саморегулирующим. Когда свет падает на поглощающее вещество (например,
В IBM Петер Сорокин и Джон Ланкард показали в 1966 г., что такими материалами по отношению к свету рубинового лазера могут быть органические красители, называемые фталоцианинами (фталоцианин ванадия), растворенные в некоторых органических жидкостях (нитробензол). Фталоцианин представляет комплекс кольцевых структур с ионом металла в центре. Они попросили своего коллегу Луцци синтезировать это вещество. Сорокин поместил кювету со слоем раствора фталоцианина прямо в резонатор рубинового лазера и включил его. Немедленно был получен одиночный мощный импульс длительностью около 20 не.
Пытаясь лучше понять, что происходит, Сорокин подумал, что эти вещества можно использовать и в других экспериментах, и сосредоточился на двух из них. В одном эксперименте он хотел индуцировать эффект, известный в наше время как рамановское рассеяние, или эффект Рамана (в российской литературе этот эффект называют комбинационным рассеянием). Его открыл в 1928 г. индийский физик Чандрасекар Раман (1888 1970), который за это открытие получил в 1930 г. Нобелевскую премию по физике. Раман показал, что при определенных условиях некоторая доля света, проходящего через прозрачный материал, переизлучается на несколько отличной частоте. Сорокин хотел в другом эксперименте проверить, не могут ли красители, накачиваемые светом рубинового лазера, сами давать лазерный эффект.
РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ решил начать СЃ первого эксперимента, посылая пучок СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ лазера через образец. Рсследовав спектр, испускаемый образцом, РѕРЅ убедился, что успешен второй эксперимент[12]. Поместив образец красителя между РґРІСѓРјСЏ зеркалами, РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ Рё Ланкард получили мощный лазерный пучок РЅР° длине волны 7555 Рђ. РћРЅРё испробовали РґСЂСѓРіРёРµ красители Рё убедились, что это общий эффект. РћРЅРё перепробовали РІСЃРµ красители, какие смогли достать. Р’ РѕРґРёРЅ РёР· дней РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ РїСЂРѕС…РѕРґРёР» через лабораторию, спрашивая коллег: Какой цвет РІС‹ желаете?, так как РјРЅРѕРіРёРµ длины волн можно было получать, заменяя краситель. РћРґРЅРѕ обстоятельство, которое РѕРЅРё упустили, заключалось РІ том, что этот новый лазер РјРѕРі быть перестраиваемым, С‚.Рµ. испускать длину волны, варьируемой РІ значительном диапазоне, используя РѕРґРёРЅ Рё тот же материал.
Р’ этих исследованиях Сѓ РЅРёС… были предшественники. Р’ 1961 Рі. РґРІР° СЂСѓСЃСЃРєРёС… ученых РЎ.Р“. Раутиан Рё Р.Р. Собельман провели теоретическое рассмотрение[13], Р° РІ 1964 Рі. Р”.Р›. Штокман СЃ сотрудниками сделали эксперименты, РІ которых были получены некоторые указания РЅР° возможный лазерный эффект РІ ароматических молекулах перилена СЃ накачкой импульсной лампой.
Немного позднее и независимо Фриц Шэфер, который тогда работал в университете Марбурга (Германия), изучая характеристики насыщения некоторых органических красителей семейства цианинов, получил такой же эффект. Он изучал свет, испускаемый красителем, накачиваемым мощным рубиновым лазером с модуляцией добротности. Его студент Волце, исследуя спектры растворов с высокой концентрацией получил сигналы в тысячи раз сильнее, чем ожидалось. Вскоре оба исследователя поняли, что они имеют дело с лазерным эффектом. Вместе с аспирантом Шмидтом они сняли спектры при разных концентрациях, и впервые показали, что можно построить лазер, перестраиваемый по длинам волн в пределах 600 А, изменяя концентрацию или отражения зеркал резонатора. Вскоре этот результат был распространен на десяток разных красителей семейства цианинов. Возник целый поток результатов в этой области, и в тысячах красителей был получен лазерный эффект. Наконец, в 1969 г. Б. Снэвли и Шэфер показали возможность непрерывной генерации с использованием накачки аргоновым лазером раствора родамина: 6Ж.