Неодимовый лазер

Неодимовый лазер

Другой лазер, запущенный в 1961 г. и все еще остающимся одним из главных, — лазер на неодимовом стекле. В 1959—1960 гг. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые проводил один из ее ученых, Элиас Снитцер. Эта компания первоначально концентрировалась на оптических приборах и офтальмологических изделиях. Она также была сильна в области изготовления стекла и изделий из него. В течение 1950-х гг. компания решила расширить производство и, поэтому запустила исследовательские проекты в новых областях, таких как военная электрооптика и волоконная оптика. Элиас Снитцер был принят в начале 1959 г. в исследовательскую группу и начал свои работы по распространению электромагнитных волн в оптических волокнах. Для компании эта работа принесла патенты в области волоконной оптики и укрепила ее имидж в этой области в научном мире. Снитцер уловил связи между исследованиями оптических волокон и лазерными работами. Поскольку стеклянное волокно может поддерживать моды электромагнитного излучения, то его можно превратить в лазерный резонатор, если на его концах разместить зеркала. Это предположение было интересно, поскольку в научной среде были сомнения, будет ли работать резонатор Фабри—Перо. Стекло само по себе может стать лазерным материалом, если его допировать подходящим веществом, таким как самарий или иттербий, и накачивать требуемые уровни с помощью некогерентного света, посылаемого либо через поверхность, либо через торец волокна. Снитцер полагал, что он может даже сконцентрировать больше света накачки в волокне, если покроет его тонким слоем стекла с несколько отличающимся показателем преломления.

В начале 1960 г. Снитцер с двумя сотрудниками начал исследования серии стеклянных волокон, допированных ионами, имеющими линии люминесценции в видимой области. Стекло было необычным выбором. Все исследованные материалы были либо газами, либо кристаллами. После успеха Меймана Снитцер попробовал волокна рубина. До этого он использовал ртутные лампы большого давления, непрерывно испускающие свет. Теперь он приобрел лампы-вспышки. Группа исследовала 200 волокон. В конце 1960 г. оба помощника Снитцера были переведены на закрытый проект ВВС, имеющий цель создать лазерный излучатель с солнечной накачкой. Снитцер остался один и решил перейти от видимого диапазона к инфракрасному. Это решение означало замену допированных материалов. В инфракрасной области можно было использовать редкие земли: неодим, празеодим, гольмий, эрбий и тулий. Снитцер также решил оставить волокна и сосредоточиться на простом стержне допированного стекла. В октябре 1961 г. он получил лазерную генерацию на стержне стекла, допированного неодимом.

Ионы неодима, когда они введены в кристаллы или в аморфный материал, подобный стеклу, имеют узкие спектры. Использование 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.

Рис. 59. Энергетические уровни ионов неодима (Nd³⁺), включенных в стекло (бариевый крон)

Уровни неодима в стекле показаны на рис. 59. Уровень ⁴F_3/2 является люминесцентным, и лазерные переходы получаются между этим уровнем и уровнями ⁴I_13/2, ⁴I_11/2, ⁴I_9/2 на длинах волн 1,06 1,35 мкм, соответственно. Возбуждение получается путем оптической накачки с основного уровня на уровни, лежащие выше состояния ⁴F_3/2. Имеются 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 ⁴F_3/2, показаны жирными линиями. Из этих уровней возбужденные атомы распадаются за счет безызлучательных переходов на уровень ⁴F_3/2, 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. И 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. Их 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 ион неодима был введен в большое число матриц. Одна из них решетка кристалла Y₃Al₅O₁₂, который обычно обозначается как YAG (сокращение для иттрий-алюминеевого граната). Уровни неодима в них, по существу, одни и те же, не зависящие от матрицы. Лазер YAG работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Этот лазер был сделан в Bell Labs Дж. Гейзеком и Е. Сковилом. Они в 1962 г. написали обзорную статью о мазерах и лазерах, в которой обсуждалась аналогия оптической накачки лазера и термодинамической, тепловой, накачкой. Эта аналогия дала критерий отбора лазерных материалов, который позволил отобрать около 40 кристаллов, среди которых был и YAG. Проблемой с этими материалами было то, что не было достаточно длинных кристаллов. Благодаря сотрудничеству с отделением Union Carbide удалось разработать достаточно длинные кристаллы высокого оптического качества и продемонстрировать преимущества этого лазера, который является альтернативой другим мощным лазерам (рубин и СO₂). Этот лазер является примером междисциплинарного сотрудничества, типичного для крупных американских лабораторий, которое позволило за пару лет разработать новый лазер с исключительными характеристиками.