Race to the Light

A maszerrel kapcsolatos munkálatok megkezdése előtt már kezdett csírázni bennem néhány gondolat a lézer lehetőségéről. Az eddigi elképzelésem az volt, hogy megpróbálok szilárd anyagot használni a lézermédiumhoz, és a potenciális lézeranyagot rúd alakúra gyártani. A mikrohullámú gondolkodásban ezt az elrendezést dielektromos hullámvezetőnek neveznénk. Az optikában fénycsőnek nevezik. Úgy terveztem, hogy a rúd mindkét végére tükröket helyezek, hogy rezonátort alkossak.

A fizikában elért haladás ellenére, amit képvisel, a maszer semmilyen módon nem bővíti a koherens elektromágneses spektrumot. Ráadásul erősítőként való felhasználása nem bizonyult praktikusnak, mert a megfelelő működéshez kriogén hőmérsékletre volt szükség. Erős motiváció volt arra, hogy a koherens elektromágneses sugárzás határait magasabb frekvenciákra tolják ki, elsősorban a nagyobb energiák és nagyobb koncentrációk ígérete miatt. A hullámhossz csökkenése a mikrohullámú hullámhosszról a láthatóra körülbelül 104-szeresét teszi ki. Ez következésképpen a minimálisan elérhető fókuszméret 104-szeres csökkenéséhez és a lézer által leadott energiakoncentráció 108-szoros növekedéséhez vezetne.

A maszer-projekten végzett munka ezért némileg elterelte a figyelmemet, és csak 1959 augusztusában tudtam teljes erőbedobással a lézerre vonatkozó elképzeléseim megfontolásának és elemzésének szentelni.

Miért akartam volna részt venni egy ilyen versenyben? Meglehetősen félelmetes globális verseny volt már játékban, jól finanszírozva és nagyon hozzáértő személyzettel. A válasz abban rejlik, hogy ismertem a felmerült javaslatokat. Általában azok a tudósok, akik ezeket az elképzeléseket követték, nem voltak különösebben titokzatosak azzal kapcsolatban, hogy min dolgoztak. Publikáltak és előadásokat tartottak konferenciákon. Összességében azonban azt tapasztaltam, hogy a szerzők és a konferenciaelőadók csak homályos javaslatokat tettek. Az biztos, hogy ez az információcserét szolgálta, és ösztönözte az ötleteket. De nem tűnt úgy, hogy bárki is közel állt volna a válaszhoz. Röviden, még nem létezett életképes lézerkoncepció.

Visszatekintve, kissé elhamarkodott voltam. Bizonyos értelemben belevetettem volna magam egy technológiai olimpiába. A verseny a legjobb minőségű és nemzetközi szintű volt. De a versenyszellemem győzött. A kihívás, hogy egy ilyen izgalmas, sok kérdést és problémát megoldó projekt élvonalában dolgozhassak, nagyon vonzó volt számomra.”

Már tudjuk, hogy sokféle lézert lehet készíteni. De akkor, 1959-ben még nem tudtuk. Még azt sem tudtuk teljes bizonyossággal, hogy egyáltalán lehetséges-e lézert készíteni. Az én stratégiám az volt, hogy a lézer készítésének olyan lehetséges megoldásaira szorítkoztam, amelyeknek a kialakításában nem voltak érzékelhető zavaró tényezők. Így szigorúan csak magára a lézerproblémára tudtam koncentrálni.

Különböző okokból vonakodtam attól, hogy alkáligőz- vagy gázkisüléses rendszereken dolgozzak. Úgy döntöttem, hogy szilárdtest kristályokkal dolgozom. A szilárdtestek fő vonzereje számomra az egyszerűség volt. Ez alatt az analízis és a megértés egyszerűségét, valamint az eszközkoncepció egyszerűségét értem.

A gázkisüléssel ellentétben egy megfelelő kristályban az energiaszint diagramja nagyon korlátozott. Viszonylag kevés lehetőség van az energiaállapotokra, és nagyjából egy potenciális lézerjelölt megfelelő paraméterei számítások és viszonylag egyszerű közvetlen mérések kombinációjával meghatározhatók.

A szilárd kristály másik elvi előnye a viszonylag magas erősítési együttható. Ez alatt azt értem, hogy az erősítés egy adott hosszúságú anyagban ésszerű arányú. Ez azt jelentette, hogy a lézermédium viszonylag kis méretű és rövid terjedelmű lehet, és nem okozna gondot a speciális tükrök kifejlesztése vagy használatától való függés. Valóban, az első lézerem egy mindössze 2 cm hosszú kristályt használt.

A szilárd közeg koncepciója azért is izgatott, mert nem kellett volna vákuumszivattyúkkal, szennyeződésproblémákkal és gázkezelő készülékekkel, illetve bonyolult tükörmechanizmusokkal foglalkoznom. Egyszerű ezüsttükör-bevonatokat helyezhetnék közvetlenül a kristályra, ahogyan azt a kis rubin maszeremmel tettem. Elvileg egy szilárdkristályos lézert úgy lehetne megtervezni, hogy nagyon egyszerű, kompakt és robusztus legyen.

Az első választásom a rubinkristályra esett, amit tanulmányoztam és átgondoltam. A rubin akkor keletkezik, amikor egy víztiszta alumínium-oxid öntvényt kis mennyiségű króm-oxid szennyeződéssel doppingolnak. A vörös színért a króm a felelős. Az eszközökhöz használt rubinok általában nem természetes drágakövek, amelyekben a króm szennyeződés szintje körülbelül 0,5%. Az eszközrubinok krómkoncentrációja ennél körülbelül tízszer kisebb, ezért világosabb vörös színt mutatnak, mint a drágaköves rubin, és rózsaszín rubinnak nevezik őket.

Miért válasszuk a rubint, mint potenciális lézerjelöltet? A legfontosabb, hogy elég jól ismertem és lenyűgöztek a kristály érdekes optikai tulajdonságai. A rubin fluoreszkáló ásvány; ha ultraibolya fényt bocsátunk a rubinra, az mélyvörös fluoreszcenciával világít. Továbbá a rubin akkor is vörös fényt bocsát ki, ha kék vagy zöld fényt bocsátanak rá. Ezek a kék és zöld abszorpciós sávok adják a rubin vörös színét. Amikor egy zöld foton a rubinra esik és elnyelődik, egy króm szennyező ion alapállapotából egy széles, gerjesztett sávba emelkedik. Bár a krómionnak megvan a lehetősége arra, hogy spontán emisszióval sugározzon ebből a gerjesztett szintből, egy másik folyamat is beindul. A konkurens folyamat a kristályrács termikus rezgéseit használja fel arra, hogy kölcsönhatásba lépjen a gerjesztett ionnal, és a gerjesztési energia nagy részét a rubin krómjának egy másik, valamivel alacsonyabb gerjesztett szintjére helyezze, ahol az egy ideig megmarad. Ez utóbbi folyamat sokkal valószínűbb és dominál.

A harmadik szint energiája spontán inkoherens emisszió formájában sugárzik ki. Ez a spontán emisszió vörös fotonokból áll, és ez a megfigyelt fluoreszcencia. Azt a szintet, ahonnan a fluoreszcencia kisugárzik, néha metastabil szintnek nevezik, mivel a krómionok viszonylag hosszú ideig tartózkodnak ebben az energiaállapotban, mielőtt vörös fotonokat sugároznak ki.

Matematikailag elemezhető modellt dolgoztam ki, és kinetikai egyenleteket állítottam fel a fluoreszcencia folyamatában lejátszódó különböző mechanizmusok figyelembevételére. Egyszerű, intuitív kritériumokat is felállítottam a lézerhatás feltételének megállapítására. Ez a modell és ezek az egyenletek később mások számára a kristálylézerek elemzésének szabványos módjává váltak.

A modellt leíró egyenletek megoldásával meg tudtam határozni, hogy mely anyagi paraméterek fontosak és relevánsak egy lézer szempontjából. A rubin vonatkozó paramétereinek ismert és becsült értékeit felhasználva megállapítottam, hogy a rubinnak nagyon erős pumpalámpára van szüksége ahhoz, hogy a kristályt kellőképpen gerjessze ahhoz, hogy a lézerhatás létrejöjjön. A lámpa fényereje fontos paraméter a lézereknél. Nem a lámpa által kisugárzott teljes teljesítményt, hanem az egységnyi területre jutó teljesítményt méri.