Марио Бертолотти - История лазера

В течение весны Шавлов и Таунс решили опубликовать свою работу. По правилам Bell Labs, с которой у них были договоры о найме, следовало до публикации распространить рукопись среди коллег, для того, чтобы получить технические замечания и улучшения. Копия также представлялась в патентный отдел компании, чтобы определить, не содержит ли она материала, стоящего патентования. В результате этой процедуры коллеги попросили их подробнее описать соображения о модах резонатора, поскольку они не верили, что Фабри—Перо может выбирать нужные длины волн, они также хотели видеть расчеты, которые в то время Шавлов не мог сделать. Патентный отдел сначала отказался патентовать и их усилитель, и генератор оптических частот, так как «оптические волны никогда не будут важны для связи, и, следовательно, изобретение имеет малое отношение для Bell System». Однако, по настоянию Таунса, запрос на патент был зарегистрирован в марте 1960 г., а сама статья 26 августа 1958 г. была послана в Physical Review, где была напечатана в декабре того же года. Ее авторы позднее получили Нобелевскую премию; Ч. Таунс в 1964 г., как мы увидим, за изобретение мазера и предложение лазера, а А. Шавлов в 1981 г. — за сходную заслугу: лазерную спектроскопию.

В своей работе, озаглавленной «Инфракрасные и оптические мазеры», Шавлов и Таунс утверждали, что хотя, в принципе, и возможно распространить технику мазеров в инфракрасный и оптический диапазоны и генерировать высокомонохроматическое и когерентное излучения, но возникает ряд новых аспектов и проблем, которые требуют количественного анализа и теоретических обсуждений, а также существенной модификации экспериментальных методик.

Декларированная цель работы состояла в том, чтобы обсудить теоретические аспекты устройства, подобного мазеру, для видимых или инфракрасных длин волн и соответственно, дать наброски конструкций, т.е. содействовать реализации мазера нового типа, названного ими оптическим мазером (позднее названный лазером, с заменой на «l», обозначающей свет). Принципиальными моментами были: выбор резонатора и его свойства выделения мод, выражение для усиления устройства и некоторые предложения активных материалов.

Хотя можно было предположить, что многие материалы могут усиливать, Таунс отмечал, что возбуждение атомов и молекул с помощью пучков света, электрическими разрядами и другими способами изучалось годами, но никто не наблюдал усиления в оптической области. Поэтому он предполагал, что получение усиления может оказаться очень трудным и все эксперименты следует спланировать с большой тщательностью. По этим соображениям они сосредоточились на газах простых атомов, несмотря на то, что твердотельные материалы и молекулы могут иметь преимущества.

Самой насущной проблемой была реализация резонатора. В случае мазера использовался обычный объемный резонатор с металлическими стенками. При соответствующей конструкции такого резонатора получалась одна резонансная мода, осциллирующая вблизи частоты, соответствующей излучатель-ному переходу активной системы. Для того чтобы получить такую одиночную, изолированную моду, линейные размеры резонатора должны быть порядка длины волны. В случае инфракрасного излучения эти размеры оказываются слишком малыми, чтобы быть практически реализованными. Следовательно, необходимо рассматривать резонаторы, размеры которых большие по сравнению с длиной волны и которые могут, поэтому, поддерживать большое число мод в нужной области частот.

Таунс и Шавлов понимали, что нужно найти способ выделения только некоторых из этих мод, в противном случае испускаемая энергия была бы очень мала и недостаточна, чтобы превзойти все потери. Это так же, как водяной поток: если он делится на тысячи ручейков, то вода разбрасывается по земле и не достигает определенного места. После некоторых общих рассмотрений, выбором стал интерферометр Фабри—Перо, состоящий из двух высокоотражающих плоскопараллельных стенок. Они показали, что благодаря этому получается открытый резонатор, лишенный боковых стенок и состоящий только из двух параллельных зеркал. В нем захватываются только те волны, которые распространяются параллельно оси и длины которых кратны длине резонатора (т.е. расстоянию между зеркалами). Чтобы извлечь свет из такого резонатора, они предположили, что одно из зеркал будет частично прозрачным, так чтобы позволить пучку, падающему на это зеркало, частично выходить из резонатора. Идея иметь резонатор с размерами много большими, чем длина волны, предполагалась не только из-за практической невозможности сделать резонатор с размерами порядка длины волны, но также из-за того факта, что резонатор должен содержать достаточное количество активного материала.

Другой проблемой, рассматриваемой в статье, было определение минимального числа молекул или атомов активного материала, которые должны быть на верхнем энергетическом уровне, чтобы обеспечить генерацию света за счет вынужденного излучения.

Монохроматичность такого мазерного генератора также рассматривалась, и Шавлов и Таунс понимали, что это свойство очень тесно связано со свойствами шумов такого устройства, как усилитель. В лазере шум возникает из-за спонтанного излучения активного материала. Они модифицировали вычисления, которые предварительно были проведены для мазеров, и нашли, что ширина линии была порядка одной миллионной от ширины линии, соответствующей спонтанному излучению.

В работе был также раздел, посвященный обсуждению некоторых специфических примеров. В числе газовых систем они рассмотрели атомные пары калия, накачиваемые на 4047 А°, и пары цезия. Шавлов даже предварительно провел некоторые эксперименты с коммерческими калиевыми лампами и попросил Роберта Коллинса, спектроскописта Bell Labs, измерить выходную мощность этих ламп. Они рассчитали, что в случае использования паров калия будет вполне достаточно использовать излучение калиевой лампы, испускающей мощность около 1 мВт на длине волны 4047 А°. Они сочли эту оценку приемлемой, так как уже получали половину милливатта от маленькой коммерческой лампы. По ее техническим характеристикам, она должна была бы излучать только десятую долю милливатта на этой длине волны. Они также рассмотрели твердотельные устройства, хотя не были оптимистичны в отношении их.

Работа Шавлова и Таунса вызвала значительный интерес, и многие лаборатории начали поиск возможных материалов и методов для оптических мазеров. Таунс и его группа в Колумбии начали попытки создать оптический мазер на парах калия. Он работал с двумя аспирантами X. Камминсом и И. Абелла. В то же время к их группе присоединился О. Хивинс, профессор физики университета Йорка (Англия), мировой эксперт в области высоко-отражающих зеркал. Таунс понимал, что зеркала резонатора были наиболее деликатной частью разрабатываемого устройства, и пригласил его провести с ним свой академический отпуск. В их установке использовалась длинная трубка, в которой пары калия возбуждались электрическим разрядом (также как это делается в неоновых трубках рекламы). Резонатор был образован двумя зеркалами внутри трубки, на ее концах. Эти два зеркала должны были иметь высокое отражение. Оно получалось путем нанесения на стеклянную пластинку серии слоев подходящих материалов с помощью методики, в которой Хивенс был мастер. Сегодня мы можем объяснить неудачу того эксперимента тем, что эти покрытия разрушались бомбардировкой ионов газового разряда.

Шавлов в Bell Labs начал рассматривать рубин как возможный твердотельный материал, но в 1959 г. пришел к заключению, что энергетические уровни, позднее использованные Мейманом, не подходят, и таким образом упустил шанс построить один из самых популярных существующих лазеров, несмотря на то, что он правильно предсказал, что устройство твердотельного лазера может быть особенно простым. По существу, это мог быть просто стержень, один конец которого полностью отражает, а другой отражает почти полностью. Поверхность стержня остается без покрытий, чтобы пропускать излучение накачки.

ГЛАВА 12

УДАЧА (ИЛИ НЕУДАЧА?) ГОРДОНА ГОУЛДА

По мнению историков науки и техники, ошибочно связывать изобретение или научное открытие с отдельной личностью или точным моментом времени. Изобретение является процессом, который проходит отрезок времени и в котором, обычно, многие люди принимают существенное участие. Мы видели это на примере изобретения мазера и увидим еще больше в случае изобретения лазера. Действительно, Шавлов и Таунс не были одиноки в выяснении возможности распространить концепцию мазера в видимый и инфракрасный диапазоны, и в предсказаниях потенциальных применений оптического мазера.

Гордон Гоулд был студентом Колумбийского университета и обладал практичным и интуитивным менталитетом изобретателя. Он сосредоточивался исключительно на получении патента и не стремился распространить свои идеи в научной литературе и публиковать свои результаты традиционным образом в научных журналах. Вместо этого он сделал официальный запрос на серию патентов, что породило ряд судебных процессов, касающихся изобретения лазера и продолжавшихся несколько лет.