Второй твердотельный лазер

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.

В этой конференции приняли участие Петер Сорокин и Мирек Стевенсон из Исследовательского Центра им. Томаса Ватсона фирмы IBM. Они стали энтузиастами концепции лазера. Этот Центр был организован в 1956 г. и предоставлял комфортные условия в прекрасном месте вблизи Нью-Йорка. Директор физического отдела Центра Вильям Смит, предложил после прочтения статьи Шавлова и Таунса, чтобы его группа, занимающаяся микроволновой спектроскопии и в которой работали Сорокин и Стевенсон, переключила свои усилия на лазеры.

Петер П. Сорокин был сыном Питирима Сорокина[10], профессора социологии Гарвардского университета. П.П. Сорокин учился в том же университете на физическом факультете. В 1958 г. он под руководством Бломбергена защитил диссертацию по ядерному магнитному резонансу. Молодой человек планировал работать в области теоретической физики твердого тела. На второй год аспирантуры он и его друг получили от Бломбергена тему по ядерному магнитному резонансу. Они сочли ее легкой. В то время Бломберген был не очень опытным руководителем и оба приятеля делали, что хотели. Но к концу срока профессор пожелал иметь от каждого аспиранта статью с результатами, которые он счел неудовлетворительными. Бломберген так прокомментировал их: «Эти статьи ничего не говорят о том, чему я вас учил». В результате Сорокин потратил часть лета, чтобы понять ядерный магнитный резонанс и написал новую статью, которую Бломберген, на этот раз, принял. Он решил, что затратил много времени на тему и теперь может непосредственно приступить к диссертации. Сначала Бломберген предложил ему теоретическую проблему, и Сорокин в течение года сидел за столом с пачкой бумаг. Наконец, он пришел к профессору и сказал: «Вычеркнуто всё, что я перепробовал, оставшееся очень трудно продвинуть». Бломберген посмотрел на него и сказал: «Хорошо, Петер, я думаю тебе лучше заняться экспериментом». Итак, Сорокин получил задание сделать измерения ядерного магнитного резонанса на атомах цезия. Однако оказалось, что времена релаксации велики, и это затрудняло эксперимент. Наконец, он построил систему скрещенных катушек, аналогичную той, что использовалась группой Блоха в Стенфорде, и 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 Фабри—Перо, 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 стекло—воздух 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 по этому предмету Сорокин обнаружил, что русский ученый П. П. Феофилов изучил испускание света ионами урана и самария в кристаллах флюорида кальция. Добавление урана дает люминесцентное излучение на длине волны около 2,5 мкм. Ионы урана или самария замещают ионы кальция в кристалле флюорида кальция и имеют энергетические уровни, подобные тем, что имеют ионы хрома в рубине, с одним отличием, показанном на рис. 53. Имеется один добавочный уровень, поэтому испускание света может происходить между уровнем, который заселяется из-за распада с одной из полос, на промежуточный уровень, который, если работают при низкой температуре, практически не заселен, так как тепловое возбуждение не способно заселить его из основного состояния. Это обстоятельство, которое мы можем описать, как четырехуровневая система, позволяет значительно легче получать инверсную населенность. Кроме того, флюорид кальция, допированный ураном, имеет сильную полосу поглощения в видимой области. Это значит, что ее можно накачивать ксеноновой лампой высокого давления. Разумеется, система нуждается в охлаждении до низких температур.

Рис. 53. Энергетические уровни трижды ионизованного атома урана в кристалле флюорита кальция (CaF₂:U³⁺). При накачке происходит переход с основного уровня (1) в полосу (2). (Поглощением света на уровни 4115 можно пренебречь). Электроны скатываются с полосы (2) на уровни (3), и лазерный переход получается на длине волны около 2,5 мкм между уровнями (3) и (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». Итак, 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».

Из-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 Сорокин со своим техником Джоном Ланкардом построил лазер другого типа на жидкости. Он стал первым в серии лазеров, речь о которых будет далее. В них используются растворы органических красителей. Эти лазеры успешно разрабатывались во многих лабораториях и используются до сих пор.