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メーザー

by admin

光への競争

メーザーに取りかかる前に、私はレーザーの可能性についていくつかのアイデアを発芽させ始めていました。 これまでの私のコンセプトは、固体材料をレーザー媒質として使用し、そのレーザー材料を棒状に加工することでした。 マイクロ波でいえば、誘電体導波路のようなものです。 光学的にはライトパイプと呼ばれるものです。 524>

物理学の進歩にもかかわらず、メーザーはコヒーレントな電磁スペクトルを拡張するものではありません。 さらに、増幅器としての使用は、適切な動作のために極低温が必要であったため、実用的でないことが判明した。 コヒーレント電磁波をより高い周波数で利用しようという強い動機があり、それは主に、より高いエネルギーとより高い濃度が期待できるからである。 マイクロ波から可視光への波長の短縮は、約104分の1である。 このため、メーザープロジェクトの作業は、何かと気が散り、私がレーザーのコンセプトの検討と分析に全力を注ぐことができたのは、1959年8月になってからであった

なぜ、私はこのようなレースに参加しようと思ったのだろうか。 すでに手ごわい世界的な競争があり、十分な資金と優秀な人材が揃っていました。 その答えは、私がそれまで持ち上がっていた提案について知っていることにあります。 一般に、このような考えを追求する科学者たちは、自分たちが取り組んでいることについて特に秘密主義というわけではありませんでした。 彼らは論文を発表し、学会で講演を行った。 しかし、全体的に見ると、著者も発表者も漠然とした提案をしているに過ぎない。 もちろん、それが情報交換の場であり、アイデアの刺激になることは間違いない。 しかし、誰も答えに近づいていないように見えた。 524>

今思えば、私は少し生意気でした。 ある意味、技術オリンピックに身を投じるようなものです。 競争は国際的な規模で、しかも最高の品質でした。 しかし、私の負けず嫌いが勝りました。

現在では、さまざまな種類のレーザーを作ることができることが分かっています。 しかし、1959年当時、私たちは知りませんでした。 本当にレーザーを作ることができるのかどうか、自信をもって知ることさえできなかったのです。 そこで私は、レーザーを作るための解決策として、設計の邪魔にならないものに限定することにした。

さまざまな理由から、私はアルカリ蒸気やガス放電のシステムに取り組むことに抵抗がありました。 私は固体結晶を扱うことにしました。 私にとって固体の最大の魅力は、単純であることでした。

ガス放電とは対照的に、適切な結晶中のエネルギー準位図は非常に限られています。 エネルギー状態の可能性は比較的少なく、潜在的なレーザー候補の適切なパラメータは、計算と比較的簡単な直接測定の組み合わせに従うことができるのです。 つまり、与えられた長さの材料における増幅が、合理的な割合であることを意味する。 つまり、レーザー媒体の大きさが比較的小さく、長さも短いので、特殊なミラーを開発したり、その使用に依存したりする問題が起きないということです。 実際、私の最初のレーザーは長さ2cmの結晶を使った。

真空ポンプや不純物の問題、ガス処理装置、複雑なミラー機構を扱う必要がないことから、私は固体媒質の概念にも興味を持った。 小型のルビーメーザーでやったように、単純な銀鏡を直接結晶に被せることができるのです。 原理的には、固体結晶レーザーは非常にシンプルでコンパクト、かつ頑丈に設計することができるのです。 ルビーは、酸化アルミニウムの透明な鋳物に、少量の酸化クロムの不純物をドープしたものである。 赤い色はこのクロムが原因です。 デバイスに使用されるルビーは、通常、クロムの不純物濃度が0.5％程度の天然石ではありません。 そのため、宝石のルビーよりも薄い赤色を呈し、ピンクルビーと呼ばれています。 最も重要なのは、この結晶の興味深い光学的特性を熟知し、それに魅了されていたことです。 ルビーは蛍光性の鉱物で、紫外線を当てると深紅の蛍光を放ちます。 さらに、ルビーに青や緑の光を当てると、赤い光を放つ。 ルビーに赤色を与えているのは、この青と緑の吸収帯なのです。 ルビーに緑色の光が当たって吸収されると、不純物のクロムイオンが基底状態から広い励起帯域に引き上げられる。 クロムイオンは、その励起準位から自然放出で放射する可能性もあるが、別のプロセスが登場する。 結晶格子の熱振動を利用して励起イオンと相互作用し、励起エネルギーの大部分をルビークロムの別のやや低い励起準位に預けて、しばらく留まらせるというプロセスである。 この第3準位からのエネルギーは、自発的な非干渉性放射として放射される。 この自発放射は赤い光子で構成されており、これが観測される蛍光である。 蛍光を発する準位は、クロムイオンが赤い光子を放射するまでに比較的長い時間そのエネルギー状態に留まるので、準安定準位と呼ばれることもある。

私は数学的に分析できるモデルを開発し、蛍光の過程で起こるさまざまなメカニズムを考慮するために運動方程式を設定した。 また、レーザー作用の条件を確立するための直感的な簡単な基準も設定した。 このモデルと方程式は、その後、他の人が結晶レーザーを解析する際の標準的な方法となりました。

私は、モデルを記述する方程式の解を得ることで、どの材料パラメータが重要でレーザーに関連しているかを決定することができました。 ルビーの関連パラメータについて既知の値と推定値を用いて、ルビーがレーザー作用を起こすために結晶を十分に励起するには、非常に明るいポンプランプが必要であることが分かりました。 ランプの明るさは、レーザーにとって重要なパラメータである。 ランプの明るさは、ランプが放射する総電力ではなく、単位面積あたりの電力を示す指標である。