Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 41 (всего у книги 52 страниц)

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.

Р’ этой конференции приняли участие Петер РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ Рё Мирек Стевенсон РёР· Р�сследовательского Центра РёРј. Томаса Ватсона фирмы IBM. РћРЅРё стали энтузиастами концепции лазера. Ртот Центр был организован РІ 1956 Рі. Рё предоставлял комфортные условия РІ прекрасном месте вблизи РќСЊСЋ-Йорка. Директор физического отдела Центра Вильям РЎРјРёС‚, предложил после прочтения статьи Шавлова Рё Таунса, чтобы его РіСЂСѓРїРїР°, занимающаяся микроволновой спектроскопии Рё РІ которой работали РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ Рё Стевенсон, переключила СЃРІРѕРё усилия РЅР° лазеры.

Петер Рџ. РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ был сыном Питирима РЎРѕСЂРѕРєРёРЅР°^[10], профессора социологии Гарвардского университета. Рџ.Рџ. РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ учился РІ том же университете РЅР° физическом факультете. Р’ 1958 Рі. РѕРЅ РїРѕРґ руководством Бломбергена защитил диссертацию РїРѕ ядерному магнитному резонансу. Молодой человек планировал работать РІ области теоретической физики твердого тела. РќР° второй РіРѕРґ аспирантуры РѕРЅ Рё его РґСЂСѓРі получили РѕС‚ Бломбергена тему РїРѕ ядерному магнитному резонансу. РћРЅРё сочли ее легкой. Р’ то время Бломберген был РЅРµ очень опытным руководителем Рё РѕР±Р° приятеля делали, что хотели. РќРѕ Рє концу СЃСЂРѕРєР° профессор пожелал иметь РѕС‚ каждого аспиранта статью СЃ результатами, которые РѕРЅ счел неудовлетворительными. Бломберген так прокомментировал РёС…: Рти статьи ничего РЅРµ РіРѕРІРѕСЂСЏС‚ Рѕ том, чему СЏ вас учил. Р’ результате РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ потратил часть лета, чтобы понять ядерный магнитный резонанс Рё написал РЅРѕРІСѓСЋ статью, которую Бломберген, РЅР° этот раз, РїСЂРёРЅСЏР». РћРЅ решил, что затратил РјРЅРѕРіРѕ времени РЅР° тему Рё теперь может непосредственно приступить Рє диссертации. Сначала Бломберген предложил ему теоретическую проблему, Рё РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ РІ течение РіРѕРґР° сидел Р·Р° столом СЃ пачкой бумаг. Наконец, РѕРЅ пришел Рє профессору Рё сказал: Вычеркнуто РІСЃС‘, что СЏ перепробовал, оставшееся очень трудно продвинуть. Бломберген посмотрел РЅР° него Рё сказал: Хорошо, Петер, СЏ думаю тебе лучше заняться экспериментом. Р�так, РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ получил задание сделать измерения ядерного магнитного резонанса РЅР° атомах цезия. Однако оказалось, что времена релаксации велики, Рё это затрудняло эксперимент. Наконец, РѕРЅ построил систему скрещенных катушек, аналогичную той, что использовалась РіСЂСѓРїРїРѕР№ Блоха РІ Стенфорде, Рё успешно закончил диссертацию.

Смит верил, что лазеры принесут доходы IBM и будут способствовать репутации его новой лаборатории. После получения степени, Сорокин поступил в IBM для работы по микроволновому резонансу в твердых телах. Когда появилась работа Шавлова и Таунса, его руководитель предложил изучить возможность построить лазер. Вместе с Миреком Стевенсоном, который получил докторскую степень под руководством Таунса несколькими годами ранее, он решил сосредоточиться на этой проблеме. После Конференции сентября 1959 г. они устремились в работу. Они захотели построить лазер, работающий непрерывно, используя лампы с мощностью порядка нескольких ватт. Сорокин полагал, что главная проблема накачка. Для увеличения эффективности нужно существенно уменьшать потери. Поэтому он решил исключить зеркала в резонаторе ФабриПеро, заменив их двумя призмами полного внутреннего отражения.

Явление полного отражения имеет место, когда свет проходит под определенным углом из среды с большим показателем преломления во вторую среду с меньшим показателем преломления, например из стекла в воздух. Если угол светового пучка в стекле по отношению к нормали к поверхности стекловоздух больше определенного значения (для стекла с n = 1,5 этот угол около 57), то свет полностью отражается и не проходит в воздух. В этом случае исключаются потери при отражении. Глава физического отдела Центра В. Смит предложил выбрать кристалл с показателем преломления как раз таким, чтобы можно было, используя призмы, селектировать моды резонатора. Следуя этим соображениям, Сорокин выбрал кристалл флюорида кальция.

Теперь проблема была найти материал для лазерной среды. После изучения научных публикаций РїРѕ этому предмету РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ обнаружил, что СЂСѓСЃСЃРєРёР№ ученый Рџ. Рџ. Феофилов изучил испускание света ионами урана Рё самария РІ кристаллах флюорида кальция. Добавление урана дает люминесцентное излучение РЅР° длине волны около 2,5 РјРєРј. Р�РѕРЅС‹ урана или самария замещают РёРѕРЅС‹ кальция РІ кристалле флюорида кальция Рё имеют энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё, подобные тем, что имеют РёРѕРЅС‹ С…СЂРѕРјР° РІ СЂСѓР±РёРЅРµ, СЃ РѕРґРЅРёРј отличием, показанном РЅР° СЂРёСЃ. 53. Р�меется РѕРґРёРЅ добавочный уровень, поэтому испускание света может происходить между уровнем, который заселяется РёР·-Р·Р° распада СЃ РѕРґРЅРѕР№ РёР· полос, РЅР° промежуточный уровень, который, если работают РїСЂРё РЅРёР·РєРѕР№ температуре, практически РЅРµ заселен, так как тепловое возбуждение РЅРµ СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕ заселить его РёР· РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ состояния. Рто обстоятельство, которое РјС‹ можем описать, как четырехуровневая система, позволяет значительно легче получать инверсную населенность. РљСЂРѕРјРµ того, флюорид кальция, допированный ураном, имеет сильную полосу поглощения РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области. Рто значит, что ее можно накачивать ксеноновой лампой высокого давления. Разумеется, система нуждается РІ охлаждении РґРѕ РЅРёР·РєРёС… температур.

Р РёСЃ. 53. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё трижды ионизованного атома урана РІ кристалле флюорита кальция (CaF₂:U³⁺). РџСЂРё накачке РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ переход СЃ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏ (1) РІ полосу (2). (Поглощением света РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРё 4115 можно пренебречь). Рлектроны скатываются СЃ полосы (2) РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРё (3), Рё лазерный переход получается РЅР° длине волны около 2,5 РјРєРј между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё (3) Рё (4)

Оба исследователя заказали кристаллы, допированные ураном и самарием. Когда они их получили, то услышали об успехе Меймана с рубином. Они немедленно отказались от идеи использовать полное внутреннее отражение, обработали кристаллы в виде цилиндров с отполированными и посеребренными торцами, и приобрели нужные импульсные лампы. В начале ноября они получили лазерный эффект на кристалле, допированном ураном, а вскоре, и на кристалле, допированном самарием.

После этих успехов они написали статью для Physical Review Letters, Стевенсон, будучи прямолинейным и агрессивным, сказал: Нам не следует посылать статью. Мы должны отправиться в Брукхейвен и сказать Сэму Гоудсмиту (редактору), что мы хотим решения, прежде чем уедем. Сорокин сказал: Мирек, давай не будем так делать. Нет, мы именно так сделаем. �так, они отправились к Гоудсмиту. Он был слегка смущен различием мазеров и лазеров, но сказал, что не хочет еще одной мазерной работы, что он и сделал со статьей Меймана. Но Стевенсон настаивал так упорно, что он в конце концов согласился принять статью для публикации.

На прощание Гоудсмит сказал: Скажите вашим людям в IBM, чтобы они не являлись сюда с автоматами.

�з-за работы по четырехуровневой схеме вместо трехуровневой для рубина, лазер работал с мощностью накачки, которая была в десять раз меньшая, чем требовалась для рубина. Уран имеет сильную полосу поглощения в зелено-синей области. Лазерная генерация получается на длине волны 2,49 мкм, в инфракрасной области. Устройство лазера было подобно устройству лазера на рубине, за исключение некоторого усложнения, обусловленного тем, что кристалл следовало помещать в дьюар для охлаждения до гелиевых температур.

Некоторое время спустя РЎРѕСЂРѕРєРёРЅ СЃРѕ СЃРІРѕРёРј техником Джоном Ланкардом построил лазер РґСЂСѓРіРѕРіРѕ типа РЅР° жидкости. РћРЅ стал первым РІ серии лазеров, речь Рѕ которых будет далее. Р’ РЅРёС… используются растворы органических красителей. Рти лазеры успешно разрабатывались РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… лабораториях Рё используются РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ.

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.

�так, Джаван мог всецело посвятить себя лазеру. Он думал построить его, используя газы, и опубликовал предполагаемую конструкцию в Physical Review Letters в 1959 г. Он решил использовать газ в качестве активной среды, поскольку полагал, что это простое вещество облегчит исследования. Однако он думал, что невозможно использовать мощные лампы для накачки атомов прямо в возбужденное состояние, и рассматривал возбуждение либо прямыми столкновениями с электронами в среде чистого неона, либо путем столкновений второго рода. В последнем случае разрядная трубка наполняется двумя газами, которые выбираются так, что атомы первого газа, возбуждаемые столкновениями с электронами в электрическом разряде, могут передавать свою энергию атомам второго газа, возбуждая их. 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. �з возможных комбинаций газов Джаван выбрал комбинацию гелия и неона, уровни которых показаны на рис. 54. Он считал, что любой физический процесс стремится к установлению больцмановского распределения энергии по уровням (т.е. населенность нижнего уровня больше, чем населенность верхнего). Поэтому среда с инверсной населенностью может получиться в стационарном процессе только в результате конкуренции различных физических процессов, протекающих с 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). Р�Р· 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

Рис.55. Обезьяны на дерене распределяются согласно статистике Больцмана. �х больше на земле, и их число уменьшается по 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 письмо в Physical Review Letters, в котором сообщал, что было трудно получить достаточное число возбужденных атомов с помощью импульсной лампы, и предлагал использовать возбуждение, производимое ударами электронов. Такое возбуждение легко осуществить при электрическом разряде в газе или в парах. �нверсия населенности могла быть получена, если в активном материале существуют возбужденные состояния с большими временами жизни, а также состояния с более низкими энергиями и с короткими временами жизни (как мы рассматривали в примере с 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.

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%.