Race to the Light

Prima di iniziare il lavoro sul maser avevo iniziato a far germogliare alcune idee sulla possibilità di un laser. Il mio concetto finora era quello di provare ad usare un materiale solido per il mezzo laser, e di fabbricare il potenziale materiale laser in una forma a bacchetta. Nel pensiero a microonde questa configurazione sarebbe chiamata guida d’onda dielettrica. In ottica è conosciuta come un tubo di luce. Ho progettato di mettere degli specchi ad ogni estremità dell’asta per formare un risonatore.

Nonostante i progressi nella fisica che rappresenta, il maser non estende in alcun modo lo spettro elettromagnetico coerente. Inoltre, il suo uso come amplificatore si è rivelato impraticabile perché erano necessarie temperature criogeniche per un corretto funzionamento. C’era una forte motivazione per spingere le frontiere della radiazione elettromagnetica coerente a frequenze più alte, principalmente la promessa di energie più elevate e maggiori concentrazioni. La riduzione della lunghezza d’onda dalle microonde al visibile è un fattore di circa 104. Questo porterebbe ad una conseguente riduzione di 104 volte nella dimensione focale minima raggiungibile, e un aumento di 108 volte nella concentrazione di energia fornita dal laser.

Il lavoro sul progetto maser si è quindi rivelato una distrazione, e non è stato fino all’agosto 1959 che sono stato in grado di dedicare pieno sforzo alla considerazione e all’analisi dei miei concetti per un laser.

Perché sarei stato disposto a partecipare ad una tale gara? C’era già in gioco una concorrenza globale piuttosto formidabile, ben finanziata e con personale molto competente. La risposta sta nella mia conoscenza delle proposte che erano state messe in circolazione. In generale, gli scienziati che perseguivano queste idee non erano particolarmente riservati su ciò a cui stavano lavorando. Pubblicavano e tenevano discorsi alle conferenze. Nel complesso, tuttavia, ho scoperto che gli autori e i presentatori delle conferenze offrivano solo proposte vaghe. Per essere sicuri, questo serviva come scambio di informazioni e stimolava le idee. Ma non mi sembrava che nessuno fosse vicino alla risposta. In breve, non esisteva ancora un concetto di laser fattibile.

Guardando indietro, ero un po’ sfacciato. Mi sarei lanciato, in un certo senso, in un’olimpiade tecnologica. La concorrenza era della migliore qualità e di portata internazionale. Ma il mio spirito competitivo ebbe la meglio. La sfida di lavorare al vertice di un progetto così eccitante, che aveva così tante domande e problemi da risolvere, era molto interessante per me.

Ora sappiamo che si possono fare molti tipi di laser. Ma allora, nel 1959, non lo sapevamo. Non sapevamo nemmeno con certezza se fosse davvero possibile fare un laser. La mia strategia era di limitarmi a potenziali soluzioni per la realizzazione di un laser che non avessero distrazioni apprezzabili nel progetto. In questo modo potevo concentrarmi solo sul problema del laser stesso.

Per varie ragioni ero riluttante a lavorare su sistemi a vapore alcalino o a scarica di gas. Ho scelto di lavorare con cristalli a stato solido. Il fascino principale che i solidi esercitavano su di me era la semplicità. Con questo, intendo semplice nell’analisi e nella comprensione, e semplice nella concezione del dispositivo.

In contrasto con una scarica a gas, il diagramma dei livelli di energia in un cristallo appropriato è molto limitato. Ci sono relativamente poche possibilità per gli stati energetici, e in generale, i parametri pertinenti per un potenziale candidato laser sono suscettibili di una combinazione di calcoli e misure dirette relativamente semplici.

Un altro vantaggio, in linea di principio, di un cristallo solido è il suo coefficiente di guadagno relativamente alto. Con questo, voglio dire che l’amplificazione in una data lunghezza di materiale è di proporzioni ragionevoli. Questo significa che il mezzo laser potrebbe essere relativamente piccolo in dimensioni e corto in estensione, e non avrei il problema di sviluppare o dipendere dall’uso di specchi speciali. Infatti, il mio primo laser usava un cristallo che era lungo solo 2 cm.

Mi intrigava anche il concetto di un mezzo solido, poiché non avrei avuto a che fare con pompe a vuoto, problemi di impurità e apparati di manipolazione del gas, o complessi meccanismi a specchio. Potrei mettere dei semplici rivestimenti d’argento a specchio direttamente sul cristallo, come avevo fatto con il mio piccolo maser al rubino. In linea di principio, un laser a cristallo solido potrebbe essere progettato per essere molto semplice, compatto e robusto.

La mia prima scelta da studiare e contemplare fu quella di un cristallo di rubino. Il rubino è il risultato quando una colata acquosa di ossido di alluminio viene drogata con una piccola quantità di impurità di ossido di cromo. È il cromo che è responsabile del colore rosso. I rubini usati per i dispositivi di solito non sono gemme naturali, che hanno un livello di impurità di cromo di circa lo 0,5%. La concentrazione di cromo nei rubini dei dispositivi è circa dieci volte inferiore a questo, e quindi mostrano un colore rosso più chiaro del rubino delle gemme e vengono chiamati rubino rosa.

Perché scegliere il rubino come potenziale candidato per il laser? La cosa più importante è che conoscevo bene le interessanti proprietà ottiche del cristallo e ne ero affascinato. Il rubino è un minerale fluorescente; se la luce ultravioletta viene fatta brillare su un rubino, questo si illuminerà di una fluorescenza rosso intenso. Inoltre, il rubino emette anche un bagliore rosso quando la luce blu o verde è illuminata su di esso. Sono queste bande di assorbimento blu e verde che danno al rubino il suo colore rosso. Quando un fotone verde impatta ed è assorbito dal rubino, uno ione impurità di cromo viene sollevato dal suo stato fondamentale in un’ampia banda eccitata. Anche se lo ione di cromo ha la possibilità di irradiare per emissione spontanea da quel livello eccitato, un altro processo entra in gioco. Il processo concorrente utilizza le vibrazioni termiche del reticolo cristallino per interagire con lo ione eccitato e depositare la maggior parte dell’energia di eccitazione in un altro livello eccitato leggermente più basso del cromo rubino dove rimane per un po’. Quest’ultimo processo è molto più probabile e domina.

L’energia di questo terzo livello viene irradiata come emissione incoerente spontanea. Questa emissione spontanea è costituita da fotoni rossi ed è la fluorescenza osservata. Il livello da cui emana la fluorescenza è talvolta chiamato livello metastabile, poiché gli ioni di cromo indugiano in quello stato energetico per un tempo relativamente lungo prima di irradiare fotoni rossi.

Ho sviluppato un modello che poteva essere analizzato matematicamente e ho impostato equazioni cinetiche per tenere conto dei vari meccanismi che hanno luogo nel processo di fluorescenza. Ho anche stabilito semplici criteri intuitivi per stabilire la condizione dell’azione del laser. Questo modello e queste equazioni sono successivamente diventati un modo standard per altri di analizzare i laser a cristalli.

Sono stato in grado di determinare quali parametri del materiale erano importanti e rilevanti per un laser ottenendo la soluzione delle equazioni che descrivono il modello. Usando valori noti e stimati per i parametri pertinenti nel rubino, ho trovato che il rubino richiederebbe una lampada a pompa molto luminosa per eccitare il cristallo sufficientemente per permettere l’azione del laser. La luminosità di una lampada è un parametro importante per i laser. È una misura non della potenza totale irradiata dalla lampada, ma piuttosto la potenza per unità di superficie.