Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 43 (всего у книги 52 страниц)
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, состоящее из молекул), он поглощается из-за того, что молекулы, которые находятся в нижнем энергетическом состоянии, возбуждаются на верхний уровень. Однако, если интенсивность света очень велика, большинство молекул с нижнего состояния перейдут на верхние, и оставшиеся на нижнем состоянии молекулы будут слабее поглощать свет. Поглощающий материал становится просветленным, или, как говорят, насыщенным (если такой материал поместить внутри резонатора, то он автоматически увеличит его добротность во время генерации).
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.
Сорокин решил начать с первого эксперимента, посылая пучок рубинового лазера через образец. �сследовав спектр, испускаемый образцом, он убедился, что успешен второй эксперимент[12]. Поместив образец красителя между двумя зеркалами, Сорокин и Ланкард получили мощный лазерный пучок на длине волны 7555 А. Они испробовали другие красители и убедились, что это общий эффект. Они перепробовали все красители, какие смогли достать. В один из дней Сорокин проходил через лабораторию, спрашивая коллег: Какой цвет вы желаете?, так как многие длины волн можно было получать, заменяя краситель. Одно обстоятельство, которое они упустили, заключалось в том, что этот новый лазер мог быть перестраиваемым, т.е. испускать длину волны, варьируемой в значительном диапазоне, используя один и тот же материал.
В этих исследованиях у них были предшественники. В 1961 г. два русских ученых С.Г. Раутиан и �.�. Собельман провели теоретическое рассмотрение[13], а в 1964 г. Д.Л. Штокман с сотрудниками сделали эксперименты, в которых были получены некоторые указания на возможный лазерный эффект в ароматических молекулах перилена с 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.
Рти лазеры осуществили долго вынашиваемую мечту получить лазер, легко перестраиваемый РІ широком диапазоне частот. Лазер, перестраиваемый РЅР° требуемую длину волны, наконец-то родился! Красители интересны РІ качестве рабочих сред лазеров Рё РїРѕ РґСЂСѓРіРёРј причинам. РџРѕРґР±РѕСЂРѕРј красителя, растворителя, концентрации Рё толщиной кюветы легко получить лазер, генерирующий РЅР° нужной длине волны. Охлаждение активной среды, требуемое РІ любом лазере, легко достигается прокачкой раствора. Более того, РІ жидкости РЅРµ возникают необратимые повреждения, характерные для твердотельных сред.
В середине 1967 г. Б. Соффер и Б. МакФаллан заменили одно из зеркал резонатора отражающей дифракционной решеткой и получили лазер, плавно перестраиваемый по длинам волн в области более 400 А простым поворотом решетки.
Лазеры на красителях в настоящее время позволяют получать лазерное излучение на любой длине волны, от ближнего �К-диапазона до ультрафиолета. Благодаря тому, что лазеры на красителях имеют чрезвычайно широкие полосы усиления, они позволяют осуществлять режим генерации импульсов длительностью менее пикосекунды (1012 с).
Лазерные диоды
Полупроводниковые или диодные лазеры очень важны для РјРЅРѕРіРёС… применений. Р’ РЅРёС… используются РЅРµ СѓСЂРѕРІРЅРё, Р° энергетические состояния нелокализованных электронов. Р’ твердых телах энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё электронов группируются РІ Р·РѕРЅС‹. РџСЂРё температуре абсолютного нуля РІ полупроводниках, РІСЃРµ имеющиеся СѓСЂРѕРІРЅРё заполняют РѕРґРЅСѓ Р·РѕРЅСѓ (валентная Р·РѕРЅР°), Р° последующие свободные СѓСЂРѕРІРЅРё группируются РІ РґСЂСѓРіРѕР№ Р·РѕРЅРµ (Р·РѕРЅР° проводимости), которая совершенно РЅРµ заполнена Рё отделена РѕС‚ валентной Р·РѕРЅС‹ некоторым промежутком энергий, для которых нет состояний. Ртот интервал называется запрещенной Р·РѕРЅРѕР№ (энергетической щелью). Р’ этих условиях материал РЅРµ может проводить ток Рё является изолятором. РљРѕРіРґР° температура увеличивается Рё если Р·РѕРЅР° проводимости расположена РѕС‚ валентной Р·РѕРЅС‹ РЅРµ слишком высоко, термическое возбуждение достаточно, чтобы некоторые РёР· электронов перескочили РІ Р·РѕРЅСѓ проводимости. Поскольку там РІСЃРµ СѓСЂРѕРІРЅРё пустые, РѕРЅРё СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ обеспечить электрический ток. Однако РёР·-Р·Р° того, что РёС… мало, величина тока невелика. Соответственно материал становится проводящим СЃ плохой проводимостью, С‚.Рµ. полупроводником. Рлектроны, которые СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать ток РІ Р·РѕРЅРµ проводимости, оставляют вакантными состояния РІ валентной Р·РѕРЅРµ. Рти вакантные состояния, которые называются дырками, ведут себя как положительно заряженные частицы Рё также участвуют РІ проводимости. Р’ чистом полупроводнике термическое возбуждение РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚ электроны РІ Р·РѕРЅРµ проводимости Рё дырки РІ валентной Р·РѕРЅРµ РІ равных количествах.
Рлектроны Рё дырки, способные поддерживать ток, называются носителями. Если РїРѕ какой-либо причине РІ Р·РѕРЅРµ проводимости оказывается больше электронов, чем следует РїРѕ статистике Максвелла-Больцмана, избыток электронов падает РЅР° вакантные энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё валентной Р·РѕРЅС‹ Рё таким образом возвращается РІ валентную Р·РѕРЅСѓ Рё там исчезает дырка. РўРѕ же самое РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, если, наоборот, больше дырок присутствует РІ валентной Р·РѕРЅРµ, чем допускается данной температурой. Ртот процесс называется рекомбинацией РґРІСѓС… носителей. РћРЅ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, давая энергию, соответствующую величине интервала между РґРІСѓРјСЏ зонами, которая проявляется либо РІ РІРёРґРµ механических колебаний решетки, либо РІ РІРёРґРµ испускания фотона. Р’ последнем случае переход называется излучательным, Р° энергия фотона соответствует разности энергий уровней РІ валентной Р·РѕРЅРµ Рё РІ Р·РѕРЅРµ проводимости, С‚.Рµ., РіСЂСѓР±Рѕ РіРѕРІРѕСЂСЏ, равной энергии запрещенной Р·РѕРЅС‹.
Некоторые полупроводники РЅРµ вполне чистые. Примеси образуют энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё электронов внутри Р·РѕРЅ. Если эти дополнительные СѓСЂРѕРІРЅРё находятся вблизи РґРЅР° Р·РѕРЅС‹ проводимости, термическое возбуждение заставляет РёС… электроны перепрыгнуть РІ Р·РѕРЅСѓ проводимости, РіРґРµ РѕРЅРё СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать электрический ток. РЈСЂРѕРІРЅРё примеси остаются пустыми Рё, поскольку РѕРЅРё фиксированы РІ материале, РЅРµ СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать ток. Р’ этом случае единственными носителями тока являются электроны РІ Р·РѕРЅРµ проводимости, Рё полупроводник называется допированным n-типом (n напоминает, что проводимость обеспечивается отрицательными зарядами). Наоборот, если СѓСЂРѕРІРЅРё примеси располагаются вблизи верха валентной Р·РѕРЅС‹, термическое возбуждение заставляет электроны РёР· валентной Р·РѕРЅС‹ перепрыгнуть РЅР° эти примесные СѓСЂРѕРІРЅРё, образуя тем самым дырки, которые СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать ток. РўРѕРіРґР° полупроводник называется p-типом (p для положительного заряда). Возможно так допировать полупроводник, что получаются области как p-типа, так Рё n-типа СЃ СѓР·РєРѕР№ промежуточной областью между РЅРёРјРё. Ртот промежуток между различными областями называется p-n-переходом. Если заставить ток протекать через этот переход, делая n область отрицательной Рё p область положительной, электроны инжектируются РІ этот переход. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ этого свойства были изобретены РІ конце 1940-С… РіРі. транзисторы, вызвавшие революцию РІ РјРёСЂРµ электроники.
Хотя полупроводники были известны давно, РёС… физика была полностью понята только после изобретения транзистора РІ 1948 Рі. Можно тем самым понять, что были некоторые сомнения РІ возможности РёС… использования для лазера. Р’Рѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае полупроводники были первыми, рассмотренными как возможная среда для получения излучения путем стимулированного испускания. Р’ то время были выдвинуты различные предложения. Р’ 1954 Рі. Джон фон Нейман обсуждал СЃ Джоном Бардиным (РѕРґРёРЅ РёР· изобретателей транзистора) возможность использования полупроводников. Тремя годами позднее, РІ 1957 Рі., произошел подлинный взрыв. Р’ РЇРїРѕРЅРёРё 22 апреля 1957 Рі. был выдан патент Ватанабе Рё Нишизава, РІ котором рассматривалось рекомбинационное излучение, получающееся РїСЂРё инжекции свободных носителей РІ полупроводнике. Позднее РѕРЅ был опубликован 20 сентября 1960 Рі. Патент назывался полупроводниковый мазер, Рё, как пример, рассматривалось рекомбинационное свечение РІ теллуре РЅР° длине волны около 4 РјРєРј, С‚.Рµ. РІ ближнем Р�Рљ-диапазоне. Авторы наивно рассматривали полупроводник, помещенный РІ резонаторе, типичном для микроволновой области. РќРѕ концепция использовать инжекцию носителей Рё РёС… рекомбинационное излучение была озвучена. Р’ Линкольновской лаборатории MIT физик Бенжамен Лэкс провел РІ 1957 Рі. семинар СЃ участием Пьера РРіСЂСЌРЅР° (19242002) РёР· Парижа, Рё начались исследования переходов РІ РіСЂСѓРїРїРµ энергетических уровней, которые возникают, РєРѕРіРґР° полупроводник помещается РІ сильное магнитное поле (подобные тем, что работают РІ трехуровневом мазере Бломбергена). Р�деи РРіСЂСЌРЅР° были представлены РЅР° международной конференции РїРѕ физике твердого тела РІ электронике Рё телекоммуникациям. РћРЅР° проходила РІ 1958 Рі. РІ Брюсселе, Рё РЅР° ней обсуждалась возможность использования полупроводников для продвижения мазерного эффекта РІ область оптических частот. Однако труды этой конференции РЅРµ были опубликованы.
Р’ бывшем Советском РЎРѕСЋР·Рµ РіСЂСѓРїРїР° ученых Р�нститута РёРј. Рџ.Рќ. Лебедева (Р¤Р�РђРќ) РђРќ РЎРЎРЎР , возглавляемая Рќ.Р“. Басовым, РІ составе Р‘.Рњ. Вула Рё Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІР°, начала РІ 1957 Рі. рассматривать возможность использования полупроводников для продвижения излучения мазера РІ оптический диапазон. Басов начал рассмотрение этой проблемы вместе СЃ Поповым, который тогда работал РІ лаборатории люминесценции. РћР±Р° исследователя познакомились, РєРѕРіРґР° были студентами РІ РњР�Р¤Р�. Физика полупроводников изучалась РІ Р¤Р�РђРќРµ РІ лаборатории полупроводников, которой СЂСѓРєРѕРІРѕРґРёР» Бул. Поэтому РѕРЅ, естественно, принимал активное участие. Р’ результате сотрудничества этих трех ученых появилось предложение лазерной системы СЃ использованием электрического разряда. РћРЅРѕ было опубликовано РІ РёСЋРЅРµ 1958 Рі. Рё обсуждалось Басовым РЅР° Западе РЅР° Первой конференции РїРѕ квантовой электронике, организованной Таунсом РІ РЎРЁРђ. Ртой работы РЅРµ было РІ программе, Рё РѕРЅР° была представлена РЅР° обеде (полупроводниковый лазер, работающий РЅР° этом принципе, был создан РјРЅРѕРіРѕ позже, РІ 1968 Рі., РІ РіСЂСѓРїРїРµ Басова). Позднее, РІ 1960-61 РіРі., эта РіСЂСѓРїРїР° предложила еще три метода возбуждения: электронный пучок, оптическая накачка Рё инжекция электронов через p-n-переход. Авторами этих предложений были Рќ.Р“. Басов, Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІ Рё Рћ.Рќ. РљСЂРѕС…РёРЅ. Выполнялись также экспериментальные исследования. Р’ 1959 Рі, РІ Р¤Р�РђРќРµ РїРѕРґ руководством Басова была начата программа Фотон, которая была первой научной программой РІ РЎРЎРЎР РїРѕ разработке лазеров.
Возможность использования полупроводников рассматривалась в США и обсуждалась в 1959 г. в MIT Кромером и Цайгером. В 1960 г. Бойль и Томас из Bell Labs получили патент на использование полупроводников для создания лазера.
Тем временем, в 1961 г., двумя французскими исследователями М. Бернардом и Г. Дурафургом из Национального исследовательского центра телекоммуникаций (CNET) был получен важный теоретический результат. Они представили полное и исчерпывающее обсуждение, из которого следовала возможность вынужденного излучения в полупроводниках благодаря переходам между зоной проводимости и валентной зоной. Были получены фундаментальные соотношения, из которых следовала возможность получить лазерный эффект. Они также рассмотрели некоторые материалы, в которых можно ожидать выполнение нужных условий, и предложили среди других материалов полупроводники GaAs (арсенид галлия) и GaSb (антимонид галлия). После публикации этой работы многие группы начали активные исследования. В январе 1962 г. российский ученый Д.Н. Наследов и его коллеги из Физико-технического института АН СССР(г. Ленинград) сообщили, что ширина линии излучения, испускаемого GaAs-диодами, демонстрирует некоторое уменьшение ширины при увеличении тока. Они предположили, что это могло указывать на вынужденное излучение. В США несколько групп из IBM, RCA, Линкольновской лаборатории MIT и General Electric (GE) начали соревновательную гонку, которая коротко описывается здесь.
В Ватсоновском исследовательском центре IBM P. Ландауер сформировал в 1961 г. небольшую группу для изучения проблемы систематическим путем. В. Думке из IBM показал, что простые (элементарные) полупроводники, такие как кремний и германий, которые широко используются в электронике, не пригодны из-за их структуры зон, и предложил использовать более сложные в структурном отношении полупроводники (полупроводниковые соединения), такие как арсенид галлия. У них минимум энергии зоны проводимости совпадает с максимумом валентной зоны (прямозонные полупроводники). В IBM были хорошие условия для изучения, поскольку уже началась программа для применений арсенида галлия в электронике.
