В принципе лазерное действие можно получить на R1 или R2 линиях, но обычно оно получается на R1, линии. Лазер характеризуется некоторыми особенными свойствами, присущими источнику этого типа: когерентностью, т.е. способностью производить интерференционные явления; направленностью пучка испусканием очень узкой полосы частот с очень большой мощностью. Расходимость пучка, т.е. угол, под которым он расходится, был около 5°, на расстоянии 10 м пятно излучения было меньше 9 см в диаметре. Более того, пучок был пространственно когерентным, что было немедленно продемонстрировано путем наблюдения способности производить интерференционные полосы. Испускаемая мощность была около 10 кВт, это означало, что поток, испускаемый в частотном интервале (спектральная мощность), почти в миллион раз превосходил тот, что соответствует солнечному свету на поверхности земли для того же спектрального интервала.
При исследовании временных характеристик лазерного излучения с помощью фотоэлектрического приемника и осциллографа оказалось, что излучение состоит из ряда тесно расположенных импульсов («пичков»), каждый длительностью порядка микросекунды (рис. 52). Эта особенность была названа пичковым режимом, а лазер обозначался как работающий в режиме свободной генерации. Вскоре была использована специальная техника, называемая Q-switching, или модуляция добротность. Этот метод заставляет лазер излучать лишь один импульс с существенно меньшей длительностью и соответственно с существенно большей (в сотни раз) пиковой мощностью. Получались импульсы света с пиковыми мощностями в сотни и даже тысячи мегаватт. Такие импульсы стали называть гигантскими.
Рис. 52. Излучение рубинового лазера в режиме «свободной генерации» (пички)
Появление лазера произвело в научном мире эффект разорвавшейся бомбы, вызвав разработку целого ряда систем лазеров, в реальность которых никто не верил несколькими месяцами ранее. Практически, любая субстанция, включая воздух, могла быть использована для создания лазера. Мы рассмотрим лишь несколько случаев и начнем рассмотрение с примеров твердотельных лазеров, а затем опишем реализацию первого газового лазера, гелий-неонового лазера, который даже сегодня является одним из наиболее широко используемых лазеров с прекрасными характеристиками. Мы также рассмотрим цезиевый лазер, неодимовый лазер, а также лазеры, основанные на растворах органических красителей. Эти лазеры можно перестраивать в очень широком диапазоне частот, и они являются некоторыми из наиболее универсальных лазеров. Наконец, полупроводниковые лазеры, имеющие фундаментальное значение для современных систем коммуникации, основанных на применении оптических волокон. Для этого применения полупроводниковый лазер является идеальным источником.
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.
