Марио Бертолотти - История лазера

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.

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. 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 4F3/2, показаны жирными линиями. Из 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. 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.

Лазеры на органических красителях

Если большинство лазеров, которые мы рассмотрели, появились в результате высокоскоординированных усилий и требовали развития передовых технологий (это объясняет, почему они все появились в США), 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 в 1961 г. Роберт Хелворт из Hughes Research Lab. Этот метод, как отмечалось выше, позволяет в огромной мере увеличить импульсную мощность лазерного излучения путем генерации «гигантских импульсов». Суть метода заключается в следующем. В период накачки, добротность резонатора искусственно поддерживается на низком уровне и генерация не возникает. Отсутствие генерации позволяет получить большую инверсную населенность (при генерации вынужденное излучение обедняет верхний лазерный уровень). В момент достижения максимального значения инверсной населенности быстро включается максимальная добротность резонатора (резко уменьшаются его потери). Условия генерации оказываются сильно перевыполненными. В результате генерация очень быстро развивается и запасенная в активной среде энергия высвечивается в виде короткого импульса (его длительность составляет несколько времен обхода светом расстояния между зеркалами резонатора). Таким способом можно получить от рубинового лазера одиночный импульс с типичной длительностью 30 не и мощностью порядка десятков или сотен миллионов ватт (мегаватт).

Вначале осуществление этого метода было очень грубым[11]. Внутри резонатора, т.е. между зеркалами, помещался быстро вращающийся диск из непрозрачного материала, в котором была щель, открывающая путь свету (для быстрого открытия щель располагалась в общем фокусе двух линз, которые фокусировали параллельный пучок и снова превращали его в параллельный). Накачка светом импульсной лампы производилась в тот интервал времени, когда диск перекрывал свет между зеркалами. В момент, когда инверсная населенность оказывалась максимальной, щель открывала путь свету, так что получался резонатор с минимальными потерями. Эта система давала слишком медленное включение добротности и была неудобна в обращении. Часто получался не один, а два или три импульса с 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. Исследовав 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.