Závod ke světlu

Před zahájením práce na maseru jsem si začal vytvářet určité představy o možnosti laseru. Moje dosavadní představa spočívala ve snaze použít pro laserové médium pevný materiál a vyrobit potenciální laserový materiál do tvaru tyče. V mikrovlnném myšlení by se tato konfigurace nazývala dielektrický vlnovod. V optice se tomu říká světelná trubka. Plánoval jsem, že na každý konec tyče umístím zrcadla a vytvořím tak rezonátor.

Navzdory pokroku ve fyzice, který představuje, maser nijak nerozšiřuje koherentní elektromagnetické spektrum. Navíc se ukázalo, že jeho použití jako zesilovače je nepraktické, protože pro správnou funkci jsou nutné kryogenní teploty. Existovala silná motivace posunout hranice koherentního elektromagnetického záření k vyšším frekvencím, především příslib vyšších energií a větší koncentrace. Zkrácení vlnové délky z mikrovlnné na viditelnou je přibližně 104násobné. To by vedlo k následnému 104násobnému zmenšení minimální dosažitelné velikosti ohniska a 108násobnému zvýšení koncentrace energie dodávané laserem.

Práce na projektu maseru se proto ukázala být jakýmsi rozptýlením a teprve v srpnu 1959 jsem se mohl plně věnovat úvahám a analýze svých koncepcí laseru.

Proč bych byl ochoten do takového závodu vstoupit? Ve hře již byla poměrně mohutná světová konkurence, dobře financovaná a velmi kompetentně obsazená. Odpověď spočívá v mé znalosti návrhů, které se objevily. Vědci, kteří tyto představy prosazovali, se obecně nijak zvlášť netajili tím, na čem pracují. Publikovali a přednášeli na konferencích. Celkově jsem však zjistil, že autoři a přednášející na konferencích nabízeli pouze vágní návrhy. Jistě, sloužilo to k výměně informací a podněcovalo myšlenky. Ale nezdálo se mi, že by někdo byl blízko odpovědi. Stručně řečeno, žádná životaschopná koncepce laseru ještě neexistovala.

Když se ohlédnu zpět, byl jsem trochu troufalý. Chtěl jsem se v jistém smyslu vrhnout do technologické olympiády. Soutěž byla nejkvalitnější a mezinárodního rozsahu. Ale můj soutěživý duch zvítězil. Výzva pracovat v nejvyšší lize tak vzrušujícího projektu, který měl tolik otázek a problémů k řešení, byla pro mě velmi lákavá.

Dnes víme, že lze vyrábět mnoho druhů laserů. Ale tehdy, v roce 1959, jsme to nevěděli. Dokonce jsme ani s jistotou nevěděli, zda je vůbec možné laser vyrobit. Moje strategie spočívala v tom, že jsem se omezil na potenciální řešení výroby laseru, která neměla v konstrukci znatelné rušivé prvky. Tak jsem se mohl soustředit striktně jen na samotný problém laseru.

Z různých důvodů jsem se zdráhal pracovat na systémech alkalických par nebo plynových výbojů. Rozhodl jsem se pracovat s krystaly v pevné fázi. Hlavní přitažlivost, kterou pro mě pevné látky měly, byla jednoduchost. Tím mám na mysli jednoduchost v analýze a pochopení a jednoduchost v koncepci zařízení.

Na rozdíl od plynového výboje je diagram energetických hladin ve vhodném krystalu velmi omezený. Existuje relativně málo možností energetických stavů a z velké části lze příslušné parametry potenciálního kandidáta na laser zjistit kombinací výpočtů a relativně jednoduchých přímých měření.

Další výhodou pevného krystalu je v zásadě jeho relativně vysoký koeficient zisku. Tím mám na mysli, že zesílení v dané délce materiálu má rozumné proporce. To znamená, že laserové médium by mohlo mít relativně malé rozměry a krátký rozsah a já bych neměl problém s vývojem nebo závislostí na použití speciálních zrcadel. Můj první laser skutečně používal krystal dlouhý pouhé 2 cm.

Koncepce pevného média mě zaujala také proto, že bych se nemusel zabývat vakuovými vývěvami, problémy s nečistotami a přístroji pro manipulaci s plyny nebo složitými zrcadlovými mechanismy. Mohl bych umístit jednoduché stříbrné zrcadlové povlaky přímo na krystal, jak jsem to udělal u svého malého rubínového maseru. V zásadě by mohl být laser z pevných krystalů navržen tak, aby byl velmi jednoduchý, kompaktní a robustní.

Mou první volbou ke studiu a úvahám byl krystal rubínu. Rubín vznikne, když se vodově čirý odlitek oxidu hlinitého dopuje malým množstvím příměsi oxidu chromu. Právě chrom je zodpovědný za červenou barvu. Rubíny používané pro přístroje obvykle nejsou přírodní drahé kameny, které mají obsah příměsi chromu přibližně 0,5 %. Koncentrace chromu v přístrojových rubínech je přibližně desetkrát nižší, a proto vykazují světlejší červenou barvu než rubíny z drahých kamenů a označují se jako růžové rubíny.

Proč si vybrat rubín jako potenciálního kandidáta na laser? Především jsem byl docela dobře obeznámen se zajímavými optickými vlastnostmi tohoto krystalu a byl jsem jimi fascinován. Rubín je fluorescenční minerál; pokud na rubín posvítíme ultrafialovým světlem, zazáří sytě červenou fluorescencí. Kromě toho rubín vydává červenou záři také tehdy, když na něj svítí modré nebo zelené světlo. Právě tyto modré a zelené absorpční pásy dodávají rubínu červenou barvu. Když na rubín dopadne zelený foton a je jím absorbován, příměsový iont chromu se dostane ze základního stavu do širokého excitovaného pásu. I když má chromový iont možnost vyzařovat spontánní emisí z této excitované hladiny, vstupuje do hry jiný proces. Konkurenční proces využívá tepelných vibrací krystalové mřížky k interakci s excitovaným iontem a ukládá většinu excitační energie do jiné, o něco nižší excitované hladiny chromu v rubínu, kde po určitou dobu zůstává. Tento druhý proces je mnohem pravděpodobnější a převažuje.

Energie z této třetí hladiny se vyzáří jako spontánní nekoherentní emise. Tato spontánní emise je tvořena červenými fotony a je pozorovanou fluorescencí. Hladina, ze které fluorescence vychází, se někdy nazývá metastabilní hladina, protože ionty chromu setrvávají v tomto energetickém stavu poměrně dlouhou dobu, než vyzáří červené fotony.

Vyvinul jsem model, který lze matematicky analyzovat, a sestavil jsem kinetické rovnice, které zohledňují různé mechanismy probíhající při fluorescenčním procesu. Stanovil jsem také jednoduchá intuitivní kritéria pro stanovení podmínky působení laseru. Tento model a tyto rovnice se následně staly pro ostatní standardním způsobem analýzy krystalových laserů.

Dokázal jsem určit, které materiálové parametry jsou pro laser důležité a relevantní, když jsem získal řešení rovnic popisujících tento model. Na základě známých a odhadovaných hodnot relevantních parametrů rubínu jsem zjistil, že rubín by vyžadoval velmi jasnou čerpací lampu, která by krystal dostatečně excitovala, aby mohlo dojít k laserové akci. Jas lampy je pro lasery důležitým parametrem. Není to měřítko celkového výkonu vyzařovaného lampou, ale spíše výkonu na jednotku plochy.

.