Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 42 (всего у книги 52 страниц)
Рис. 56. Схема гелий-неонового лазера, построенного Джаваном, Беннеттом и Хериоттом
В 1960 г. Джаван, Беннетт и Хериотт наконец испытали свой лазер. Сначала они пытались осуществить электрический разряд в кварцевой трубке, содержащей газовую смесь, с помощью мощного магнетрона, но трубка плавилась. Пришлось переделать аппаратуру и внести изменения. 12 декабря 1960 г. они стали работать с новой трубкой и организацией разряда. Они пытались настроить зеркала, чтобы получить лазерную генерацию, но безуспешно. Затем, в полдень, Хериотт увидел сигнал: Я, как обычно, поворачивал микрометрические винты одного из зеркал, когда, внезапно, появился сигнал на осциллографе. Мы настроили монохроматор и зарегистрировали пик сигнала на длине волны 1,153 мкм, т.е. на ожидаемой длине волны. Родился первый лазер, использующий газ в качестве активной среды, и работающий в непрерывном режиме! Его излучение было в ближнем �К-диапазоне и поэтому невидимое глазом. Для регистрации требовался подходящий приемник, связанный с 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 на переходе с длиной волны 1,15 мкм, ближнем �К-диапазоне. Джаван использовал зеркала, которые имели максимальное отражение на этой длине волны, которая соответствует одному из возможных переходов неона. Он знал, что были и другие возможные длины волн. Он выбрал эту длину волны, поскольку его исследования показали, что на ней можно ожидать наибольшее усиление. Чтобы использовать переходы в видимой области, требовалась трубка с таким малым диаметром, что невозможно было настроить плоские зеркала, которые в 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. Р�спользовались 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. Р�сследователей, 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.
Современный He-Ne-лазер может генерировать на одном из нескольких переходах, показанных на рис. 54. Для этого могослойные зеркала изготавливаются с максимальным отражением на нужной длине волны. Генерация получается на длинах волн 3,39 мкм, 1,153 мкм, 6328 А и даже при использовании особых зеркал, на длинах волн 5433 А (зеленая линия), 5941 А (желтая линия), 6120 А (оранжевая линия).
Цезиевый лазер
1961 г. был годом реализации еще двух лазеров, над которыми специалисты работали с самого начала появления концепции лазера. Одним из них был цезиевый лазер. После того как Таунс и Шавлов написали свою работу, было решено, что Таунс попытается построить лазер на парах калия. Выбор был обусловлен тем, что расчеты показывали возможность работы, а также тем, что пары калия являются простым одноатомным газом с хорошо известными свойствами. Таунс хотел работать с системой, свойства которой можно было проанализировать в деталях. Позднее он говорил: Мой стиль физики заключается в том, чтобы обдумать проблему теоретически, проанализировать ее, а затем поставить эксперимент, который должен работать. Если он не получается, вы должны заставить его заработать. Вы анализируете и усиливаете теоретические условия в лаборатории, до тех пор, пока вы не добьете проблему. Его предварительные расчеты показывали, что калиевый лазер будет иметь высокомонохроматическое излучение, что было бы весьма полезно для специальных применений. Но были и недостатки: малый коэффициент полезного действия (около 0.1%) и выходная мощность в доли милливатта.
Р’ то время как Таунс сконцентрировался РЅР° парах калия, Шавлов РІ Bell Labs, изучая СЂСѓР±РёРЅ, пришел Рє заключению, что его линии, которые позднее Мейман использовал для создания первого лазера, РЅРµ годятся. Таунс запросил Рё получил финансирование РѕС‚ Военно-воздушного ведомства. Рто позволило ему привлечь Рє проекту РґРІСѓС… аспирантов: Р“. Камминса Рё Р�. Абелла.
Однако в работе возник ряд проблем. Пары калия вызывали потемнение стекла разрядной трубки и действовали химически на вакуумную аппаратуру. В конце 1959 г. Таунс попросил О. Хивенса, британского специалиста по диэлектрическим зеркалам, приехать и помочь, а также решил использовать пары цезия вместо калия, накачивая их гелиевой лампой.
Р РёСЃ. 58. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё цезия Рё гелия
РћРґРЅР° РёР· СѓР·РєРёС… линий поглощения атома цезия имеет РІ точности такую же энергию, как РѕРґРЅР° РёР· СѓР·РєРёС… линий гелия. Поэтому можно использовать свет гелиевой лампы, испускаемой РЅР° этой длине волны (389 РЅРј), для селективной накачки СѓСЂРѕРІРЅСЏ цезия Рё заселить его больше, чем нижние СѓСЂРѕРІРЅРё. Таким образом, можно получить инверсную населенность (СЂРёСЃ. 58). После сообщения Меймана Таунс перевел Абелла РЅР° работу СЃ СЂСѓР±РёРЅРѕРј, Р° Камминс продолжал работу СЃ цезием. Цезиевый лазер был запущен РІ TRG между концом 1961 Рі. Рё первыми месяцами 1962 Рі. Полом Рабиновичем, Стефеном Джакобсом Рё Голдом. РћРЅ испускал излучение РЅР° 3,20 Рё 7,18 РјРєРј. Рто был РѕРґРёРЅ РёР· лазеров, запущенных благодаря конфокальным зеркалам. Р�сследователи РёР· TRG также начали СЃ калия, РЅРѕ после РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· семинаров, РЅР° котором Хивенс сказал, что цезий лучше, также перешли РЅР° этот материал Рё оказались первыми, стремясь показать, что миллион долларов, выделенный РёРј, потрачен РЅРµ напрасно. РћРЅРё РІ марте 1961 Рі. добились получения инверсии, Рё получили генерацию РІ начале 1962 Рі.
Ртот лазер был скорее любопытен, чем практичен. Р’ настоящее время генерацию РЅР° этих длинах волн более легко получают РґСЂСѓРіРёРјРё методами, Рє тому же цезиевые пары ядовиты.
Неодимовый лазер
Другой лазер, запущенный РІ 1961 Рі. Рё РІСЃРµ еще остающимся РѕРґРЅРёРј РёР· главных, лазер РЅР° неодимовом стекле. Р’ 19591960 РіРі. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые РїСЂРѕРІРѕРґРёР» РѕРґРёРЅ РёР· ее ученых, Рлиас Снитцер. Рта компания первоначально концентрировалась РЅР° оптических приборах Рё офтальмологических изделиях. РћРЅР° также была сильна РІ области изготовления стекла Рё изделий РёР· него. Р’ течение 1950-С… РіРі. компания решила расширить производство Рё, поэтому запустила исследовательские проекты РІ новых областях, таких как военная электрооптика Рё волоконная оптика. Рлиас Снитцер был РїСЂРёРЅСЏС‚ РІ начале 1959 Рі. РІ исследовательскую РіСЂСѓРїРїСѓ Рё начал СЃРІРѕРё работы РїРѕ распространению электромагнитных волн РІ оптических волокнах. Для компании эта работа принесла патенты РІ области волоконной оптики Рё укрепила ее РёРјРёРґР¶ РІ этой области РІ научном РјРёСЂРµ. Снитцер уловил СЃРІСЏР·Рё между исследованиями оптических волокон Рё лазерными работами. Поскольку стеклянное волокно может поддерживать РјРѕРґС‹ электромагнитного излучения, то его можно превратить РІ лазерный резонатор, если РЅР° его концах разместить зеркала. Рто предположение было интересно, поскольку РІ научной среде были сомнения, будет ли работать резонатор ФабриПеро. Стекло само РїРѕ себе может стать лазерным материалом, если его допировать подходящим веществом, таким как самарий или иттербий, Рё накачивать требуемые СѓСЂРѕРІРЅРё СЃ помощью некогерентного света, посылаемого либо через поверхность, либо через торец волокна. Снитцер полагал, что РѕРЅ может даже сконцентрировать больше света накачки РІ волокне, если покроет его тонким слоем стекла СЃ несколько отличающимся показателем преломления.
Р’ начале 1960 Рі. Снитцер СЃ РґРІСѓРјСЏ сотрудниками начал исследования серии стеклянных волокон, допированных ионами, имеющими линии люминесценции РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области. Стекло было необычным выбором. Р’СЃРµ исследованные материалы были либо газами, либо кристаллами. После успеха Меймана Снитцер попробовал волокна СЂСѓР±РёРЅР°. До этого РѕРЅ использовал ртутные лампы большого давления, непрерывно испускающие свет. Теперь РѕРЅ приобрел лампы-вспышки. Группа исследовала 200 волокон. Р’ конце 1960 Рі. РѕР±Р° помощника Снитцера были переведены РЅР° закрытый проект Р’Р’РЎ, имеющий цель создать лазерный излучатель СЃ солнечной накачкой. Снитцер остался РѕРґРёРЅ Рё решил перейти РѕС‚ РІРёРґРёРјРѕРіРѕ диапазона Рє инфракрасному. Рто решение означало замену допированных материалов. Р’ инфракрасной области можно было использовать редкие земли: неодим, празеодим, гольмий, СЌСЂР±РёР№ Рё тулий. Снитцер также решил оставить волокна Рё сосредоточиться РЅР° простом стержне допированного стекла. Р’ октябре 1961 Рі. РѕРЅ получил лазерную генерацию РЅР° стержне стекла, допированного неодимом.
�оны неодима, когда они введены в кристаллы или в аморфный материал, подобный стеклу, имеют узкие спектры. �спользование стекла в качестве лазерного материала дает ряд преимуществ. Методы приготовления оптических стекол хорошо освоены, и изготовление стеклянного образца значительно проще выращивания кристалла. Кроме того, оптическое качество стекла несравненно лучше, чем у кристаллов, и можно изготавливать стеклянные образцы значительно больших размеров. Более того, стекла, допированные ионами редких земель (окрашенные стекла), уже производились в течение многих лет, в частности для использования в фотографии.
Р РёСЃ. 59. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё РёРѕРЅРѕРІ неодима (Nd3+), включенных РІ стекло (бариевый РєСЂРѕРЅ)
Уровни неодима в стекле показаны на рис. 59. Уровень 4F3/2 является люминесцентным, и лазерные переходы получаются между этим уровнем и уровнями 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2 на длинах волн 1,06 1,35 мкм, соответственно. Возбуждение получается путем оптической накачки с основного уровня на уровни, лежащие выше состояния 4F3/2. �меются три уровня поглощения в инфракрасном диапазоне, уровни, которые поглощают в желтой области около 5800 А, и другие уровни, поглощающие главным образом в ультрафиолете. На рис. 59 уровни выше, чем уровень 4F3/2, показаны жирными линиями. �з этих уровней возбужденные атомы распадаются за счет безызлучательных переходов на уровень 4F3/2, с которого и начинается лазерное излучение.
Лазеры, использующие неодимовое стекло, важны прежде всего потому, что они являются примером твердотельного материала, отличного от синтетических кристаллов. Также определенные стекла, допированные неодимом, обладают большими выходными энергиями на единицу объема материала. � наконец, стеклянная матрица позволяет иметь лазеры в виде стержней или волокон.
В тот же год лазерная генерация была получена Л. Джонсоном, Г. Бойдом, К. Нассау и Р. Соденом из Bell Labs на кристаллах вольфрамата кальция, допированного неодимом. �х лазер при охлаждении жидким азотом работал в непрерывном режиме. Длина волны генерации была 1,06 мкм.
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 РёРѕРЅ неодима был введен РІ большое число матриц. РћРґРЅР° РёР· РЅРёС… решетка кристалла Y3Al5O12, который обычно обозначается как YAG (сокращение для иттрий-алюминеевого граната). РЈСЂРѕРІРЅРё неодима РІ РЅРёС…, РїРѕ существу, РѕРґРЅРё Рё те же, РЅРµ зависящие РѕС‚ матрицы. Лазер YAG работает как РІ импульсном, так Рё РІ непрерывном режиме. Ртот лазер был сделан РІ Bell Labs Дж. Гейзеком Рё Р•. Сковилом. РћРЅРё РІ 1962 Рі. написали РѕР±Р·РѕСЂРЅСѓСЋ статью Рѕ мазерах Рё лазерах, РІ которой обсуждалась аналогия оптической накачки лазера Рё термодинамической, тепловой, накачкой. Рта аналогия дала критерий отбора лазерных материалов, который позволил отобрать около 40 кристаллов, среди которых был Рё YAG. Проблемой СЃ этими материалами было то, что РЅРµ было достаточно длинных кристаллов. Благодаря сотрудничеству СЃ отделением Union Carbide удалось разработать достаточно длинные кристаллы высокого оптического качества Рё продемонстрировать преимущества этого лазера, который является альтернативой РґСЂСѓРіРёРј мощным лазерам (СЂСѓР±РёРЅ Рё РЎO2). Ртот лазер является примером междисциплинарного сотрудничества, типичного для крупных американских лабораторий, которое позволило Р·Р° пару лет разработать новый лазер СЃ исключительными характеристиками.
