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Masers

by admin

Race to the Light

Bevor ich mit der Arbeit am Maser begann, hatte ich begonnen, einige Ideen über die Möglichkeit eines Lasers aufkeimen zu lassen. Mein bisheriges Konzept sah vor, ein festes Material als Lasermedium zu verwenden und das potenzielle Lasermaterial in Form eines Stabs herzustellen. In der Mikrowellentechnik würde man diese Konfiguration als dielektrischen Wellenleiter bezeichnen. In der Optik ist sie als Lichtleiter bekannt. Ich plante, an beiden Enden des Stabs Spiegel anzubringen, um einen Resonator zu bilden.

Trotz der Fortschritte in der Physik, die er darstellt, erweitert der Maser das kohärente elektromagnetische Spektrum in keiner Weise. Außerdem erwies sich seine Verwendung als Verstärker als unpraktisch, da für einen ordnungsgemäßen Betrieb kryogene Temperaturen erforderlich waren. Es gab eine starke Motivation, die Grenzen der kohärenten elektromagnetischen Strahlung zu höheren Frequenzen zu verschieben, vor allem wegen der Aussicht auf höhere Energien und größere Konzentrationen. Die Verringerung der Wellenlänge vom Mikrowellenbereich zum sichtbaren Bereich beträgt etwa den Faktor 104. Dies würde zu einer 104-fachen Verringerung der minimal erreichbaren Brennweite und zu einer 108-fachen Erhöhung der vom Laser gelieferten Energiekonzentration führen.

Die Arbeit am Maser-Projekt erwies sich daher als eine Art Ablenkung, und erst im August 1959 konnte ich mich voll und ganz den Überlegungen und der Analyse meiner Konzepte für einen Laser widmen.

Warum sollte ich bereit sein, an einem solchen Rennen teilzunehmen? Es gab bereits eine ziemlich beeindruckende globale Konkurrenz, die gut finanziert und sehr kompetent besetzt war. Die Antwort liegt in meinem Wissen über die Vorschläge, die im Umlauf waren. Im Allgemeinen waren die Wissenschaftler, die diese Ideen verfolgten, nicht besonders verschwiegen, woran sie arbeiteten. Sie veröffentlichten und hielten Vorträge auf Konferenzen. Im Großen und Ganzen stellte ich jedoch fest, dass die Autoren und Konferenzteilnehmer nur vage Vorschläge machten. Sicherlich diente dies dem Informationsaustausch und der Anregung von Ideen. Aber ich hatte nicht den Eindruck, dass irgendjemand der Lösung nahe war. Kurz gesagt, es gab noch kein brauchbares Laserkonzept.

Wenn ich zurückblicke, war ich ein wenig dreist. Ich würde mich gewissermaßen in eine technologische Olympiade stürzen. Die Konkurrenz war von bester Qualität und von internationalem Ausmaß. Aber mein Wettbewerbsgeist hat gesiegt. Die Herausforderung, in der obersten Liga eines so spannenden Projekts zu arbeiten, das so viele Fragen und Probleme zu lösen hatte, war für mich sehr reizvoll.

Wir wissen heute, dass viele Arten von Lasern hergestellt werden können. Aber damals, im Jahr 1959, wussten wir das noch nicht. Wir wussten nicht einmal mit Sicherheit, ob es überhaupt möglich war, einen Laser herzustellen. Meine Strategie bestand darin, mich auf mögliche Lösungen für die Herstellung eines Lasers zu beschränken, die keine nennenswerten Ablenkungen im Design hatten. Auf diese Weise konnte ich mich ausschließlich auf das eigentliche Laserproblem konzentrieren.

Aus verschiedenen Gründen zögerte ich, an Alkalidampf- oder Gasentladungssystemen zu arbeiten. Ich entschied mich für die Arbeit mit Festkörperkristallen. Der größte Anreiz, den Festkörper für mich hatten, war ihre Einfachheit. Damit meine ich einfach in der Analyse und im Verständnis und einfach in der Gerätekonzeption.

Im Gegensatz zu einer Gasentladung ist das Energieniveaudiagramm in einem geeigneten Kristall sehr begrenzt. Es gibt relativ wenige Möglichkeiten für die Energiezustände, und im Großen und Ganzen lassen sich die relevanten Parameter für einen potenziellen Laserkandidaten durch eine Kombination aus Berechnungen und relativ einfachen direkten Messungen ermitteln.

Ein weiterer prinzipieller Vorteil eines Festkörperkristalls ist sein relativ hoher Verstärkungskoeffizient. Damit meine ich, dass die Verstärkung in einer bestimmten Länge des Materials in einem vernünftigen Verhältnis steht. Das bedeutete, dass das Lasermedium relativ klein und kurz sein konnte und ich nicht das Problem hatte, spezielle Spiegel zu entwickeln oder von ihnen abhängig zu sein. Tatsächlich verwendete mein erster Laser einen Kristall, der nur 2 cm lang war.

Ich war auch von dem Konzept eines festen Mediums fasziniert, da ich mich nicht mit Vakuumpumpen, Problemen mit Verunreinigungen und Gashandhabungsgeräten oder komplexen Spiegelmechanismen befassen musste. Ich könnte einfache Silberspiegelbeschichtungen direkt auf den Kristall aufbringen, wie ich es bei meinem kleinen Rubinmaser getan hatte. Im Prinzip könnte ein Festkristalllaser sehr einfach, kompakt und robust sein.

Meine erste Wahl, die ich studierte und in Erwägung zog, war ein Rubinkristall. Rubin entsteht, wenn ein wasserklarer Guss aus Aluminiumoxid mit einer kleinen Menge Chromoxid dotiert wird. Es ist das Chrom, das für die rote Farbe verantwortlich ist. Bei den für Geräte verwendeten Rubinen handelt es sich in der Regel nicht um natürliche Edelsteine, die eine Chromverunreinigung von etwa 0,5 % aufweisen. Die Chromkonzentration in Rubinen für Geräte ist etwa zehnmal geringer als dieser Wert, weshalb sie eine hellere rote Farbe als Edelsteinrubin aufweisen und als rosa Rubin bezeichnet werden.

Warum wurde Rubin als potenzieller Laserkandidat ausgewählt? Vor allem war ich mit den interessanten optischen Eigenschaften des Kristalls vertraut und davon fasziniert. Rubin ist ein fluoreszierendes Mineral; wenn ein Rubin mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, leuchtet er tiefrot. Darüber hinaus leuchtet der Rubin auch rot, wenn er mit blauem oder grünem Licht bestrahlt wird. Es sind diese blauen und grünen Absorptionsbanden, die dem Rubin seine rote Farbe verleihen. Wenn ein grünes Photon auf den Rubin auftrifft und von ihm absorbiert wird, wird ein Chrom-Ion aus seinem Grundzustand in eine breite, angeregte Bande angehoben. Obwohl das Chromion die Möglichkeit hat, durch spontane Emission aus diesem angeregten Zustand zu strahlen, kommt ein anderer Prozess ins Spiel. Der konkurrierende Prozess nutzt die thermischen Schwingungen des Kristallgitters, um mit dem angeregten Ion in Wechselwirkung zu treten und den größten Teil der Anregungsenergie auf ein anderes, etwas niedrigeres Anregungsniveau des Rubinchroms zu übertragen, wo es eine Zeit lang verbleibt. Dieser letztere Prozess ist viel wahrscheinlicher und dominiert.

Die Energie dieses dritten Niveaus wird als spontane inkohärente Emission abgestrahlt. Diese spontane Emission setzt sich aus roten Photonen zusammen und ist die beobachtete Fluoreszenz. Das Niveau, von dem die Fluoreszenz ausgeht, wird manchmal als metastabiles Niveau bezeichnet, da die Chromionen vergleichsweise lange in diesem Energiezustand verweilen, bevor sie rote Photonen abstrahlen.

Ich habe ein Modell entwickelt, das sich mathematisch analysieren lässt, und kinetische Gleichungen aufgestellt, um die verschiedenen Mechanismen zu berücksichtigen, die beim Fluoreszenzprozess ablaufen. Außerdem habe ich einfache, intuitive Kriterien aufgestellt, um die Bedingungen für die Laserwirkung zu bestimmen. Dieses Modell und diese Gleichungen sind in der Folge zu einem Standardverfahren für die Analyse von Kristalllasern geworden.

Durch die Lösung der Gleichungen, die das Modell beschreiben, konnte ich feststellen, welche Materialparameter für einen Laser wichtig und relevant sind. Unter Verwendung bekannter und geschätzter Werte für die relevanten Parameter in Rubin fand ich heraus, dass Rubin eine sehr helle Pumplampe benötigt, um den Kristall ausreichend anzuregen, damit die Laserwirkung stattfinden kann. Die Helligkeit einer Lampe ist ein wichtiger Parameter bei Lasern. Sie ist kein Maß für die von der Lampe abgestrahlte Gesamtleistung, sondern vielmehr für die Leistung pro Flächeneinheit.