История лазера

Бертолотти Марио

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 Y ₃Al ₅O ₁₂, 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 СO ₂). 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.

11

Первый лазер с модуляцией добротности был продемонстрирован Хелвартом и МакКлангом. В нем включение добротности осуществлялось с помощью элекрооптического затвора. Автор описывает эксперимент, который был выполнен позднее. — Прим. пер.

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.

12

Автор не точно описывает открытие рамановского лазера, т.е. лазера, использующего вынужденное комбинационное рассеяние света. После предложения Хелворта метод модуляции добротности был реализован им вместе с МакКлангом, который для быстрого включения добротности использовал электрооптический затвор Керра, помещаемый внутри резонатора рубинового лазера. За счет быстродействия затвора получался гигантский импульс с длительностью десятков не. В этом затворе используется ячейка с нитробензолом, и интенсивное лазерное излучение взаимодействовало с ним. Изучение спектра выходного излучения показало, что наряду с R-линией рубина присутствует линия и с другой, большей, длиной волны. Она соответствовала спектру комбинационного рассеяния излучения рубинового лазера в нитробензоле. Стало ясно, что можно получать генерацию на новых длинах волн, используя эффект Рамана в различных веществах. — Прим. пер.

В этих исследованиях у них были предшественники. В 1961 г. два русских ученых С.Г. Раутиан и И.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.

13

Раутиан и Собельман рассмотрели возможность использования люминесцирующих молекул для лазера в 1960 г. Оптика и спектроскопия, 10, 134 (1961) (поступило в редакцию 29 апреля 1960 г.) — Прим. пер.

Эти лазеры осуществили долго вынашиваемую мечту — получить лазер, легко перестраиваемый в широком диапазоне частот. Лазер, перестраиваемый на требуемую длину волны, наконец-то родился! Красители интересны в качестве рабочих сред лазеров и по другим причинам. Подбором красителя, растворителя, концентрации и толщиной кюветы легко получить лазер, генерирующий на нужной длине волны. Охлаждение активной среды, требуемое в любом лазере, легко достигается прокачкой раствора. Более того, в жидкости не возникают необратимые повреждения, характерные для твердотельных сред.