Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 40 (всего у книги 52 страниц)
Рубиновый лазер
В первой половине 1960 г. предположения о лазерных материалах сосредоточивались на газах, и более конкретно на парах щелочных металлов, возбуждаемых оптическим излучением, а также на инертных газах, возбуждаемых электрическим разрядом. Успех, полученный Мейманом с рубиновым лазером, был поистине сюрпризом. Однако это не было случайным открытием. Уже работая с рубином как с материалом для мазера, Мейман решил использовать его в качестве отправного материала для лазера. Вначале он выполнил некоторые расчеты, но без успеха, поскольку �рвин Видер опубликовал работу, в которой указал, что квантовая эффективность рубина (т.е. число фотонов люминесцентного излучения на каждый поглощенный фотон) была всего лишь около 1%.
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 Ē) 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.
Р�СЂРІРёРЅ Видер РёР· Р�сследовательских 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° 2Ē 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°.
В этом исследовании Мейману помогал �. Д'Хейнес, который только частично был связан с фирмой и придерживался мнения своих руководителей Дж. Бирнбаума и Г. 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 2Ē 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, хотя РѕР±Рµ линии 6943 A Рё 6928 Рђ красные, полная окраска получается СЂРѕР·РѕРІРѕР№ (отсюда Рё название). Р�змерения квантовой эффективности люминесценции, С‚.Рµ. числа фотонов, испускаемых РїСЂРё люминесценции, РїРѕ сравнению СЃ числом поглощенных фотонов зеленого возбуждающего света, показали, что это отношение близко Рє единице. Рто означает, что практически каждый поглощенный зеленый фотон РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє испусканию РѕРґРЅРѕРіРѕ красного фотона. Рто результат опровергал данные Видера Рё делал возможным осуществление лазера.
Мейман рассчитал, что достаточно интенсивный зеленый свет может желательным образом заселить промежуточное состояние 2Ē. 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 РјС‹ можем легко понять динамику процесса, СЃРЅРѕРІР° обращаясь Рє СЂРёСЃ. 50. Освещение зеленым светом возбуждает некоторые РёРѕРЅС‹ С…СЂРѕРјР° СЃ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ (РЅР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ РѕРЅ имеет спектроскопическое обозначение 4Рђ2 Рё обозначен числом 1) РІ полосу уровней, обозначенную как 4F2 Рё числом 3. Отсюда РёРѕРЅС‹ быстро, Р·Р° доли микросекунды (путем передачи энергии РїСЂРё столкновениях СЃ атомами решетки), переходят РЅР° уровень 2Ē, обозначенный числом 2. РЎ него РѕРЅРё возвращаются РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ уровень РІ течение ~ 5 РјСЃ, 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. Р�мпульс 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 2Ē, 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.
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 РѕРЅ ничего РЅРµ РїРѕРЅСЏР» РїРѕ существу дела. Однако РЅРµ будем забывать, что РІ то время соответствующее устройство обозначалось как оптический мазер, Р° также то, что люди были склонны верить Шавлову, что R-линии СЂСѓР±РёРЅР° РЅРµ годятся для лазера. Поэтому можно оправдать скептицизм редактора РІ отношении достоверности результатов. Р’Рѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае, Мейман сделал известным СЃРІРѕРµ изобретение через сообщение РІ New York Times 7 июля 1960 Рі., Р° статья, отвергнутая Physical Review Letters, через короткое время появилась РІ британском журнале. Р’ выпуске РѕС‚ 6 августа РІ 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. � наконец, 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. РљРѕРіРґР° возбуждение импульсной лампой достаточно сильное, населенность состояния 2Ē становится больше, чем населенность РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ состояния. Р’ этой ситуации, некоторые РёР· спонтанно испущенных фотонов люминесценции, которые распространяются параллельно РѕСЃРё системы Рё которые отражаются обратно Рё вперед РЅР° зеркалах концов СЂСѓР±РёРЅР°, многократно РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ через усиливающую среду, стимулируя излучение возбужденных РёРѕРЅРѕРІ, РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏ, тем самым, вынужденное излучение. Таким образом, лазерное действие инициируется спонтанным излучением Рё протекает Р·Р° счет усиления только того излучения, которое РёР·-Р·Р° селективных свойств резонатора, распространяется взад Рё вперед вдоль РѕСЃРё стержня. Фотоны, распространяющиеся РЅРµ вдоль РѕСЃРё, Р° РїРѕ РґСЂСѓРіРёРј направлениям, теряются после нескольких отражений.
В принципе лазерное действие можно получить на R1 или R2 линиях, но обычно оно получается на R1, линии. Лазер характеризуется некоторыми особенными свойствами, присущими источнику этого типа: когерентностью, т.е. способностью производить интерференционные явления; направленностью пучка испусканием очень узкой полосы частот с очень большой мощностью. Расходимость пучка, т.е. угол, под которым он расходится, был около 5, на расстоянии 10 м пятно излучения было меньше 9 см в диаметре. Более того, пучок был пространственно когерентным, что было немедленно продемонстрировано путем наблюдения способности производить интерференционные полосы. �спускаемая мощность была около 10 кВт, это означало, что поток, испускаемый в частотном интервале (спектральная мощность), почти в миллион раз превосходил тот, что соответствует солнечному свету на 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.
Рис. 52. �злучение рубинового лазера в режиме свободной 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.
