Race to the Light

För att påbörja arbetet med maser hade jag börjat grodda några idéer om möjligheten att skapa en laser. Mitt koncept hittills var att försöka använda ett fast material som lasermedium och att tillverka det potentiella lasermaterialet till en stavform. Inom mikrovågsvärlden skulle denna konfiguration kallas en dielektrisk vågledare. Inom optiken kallas den för ett ljusrör. Jag planerade att sätta speglar i varje ände av staven för att bilda en resonator.

Trots de framsteg inom fysiken som den representerar utökar maser inte på något sätt det koherenta elektromagnetiska spektrumet. Dessutom visade sig dess användning som förstärkare vara opraktiskt eftersom det krävdes kryogena temperaturer för att den skulle fungera korrekt. Det fanns starka motiv för att flytta gränserna för koherent elektromagnetisk strålning till högre frekvenser, främst på grund av löftet om högre energier och större koncentrationer. Minskningen av våglängden från mikrovågor till synlig strålning är en faktor 104. Detta skulle leda till en konsekvent 104-faldig minskning av den minsta uppnåeliga brännvidden och en 108-faldig ökning av den energikoncentration som lasern levererar.

Arbetet med maserprojektet visade sig därför vara något av en distraktion, och det var inte förrän i augusti 1959 som jag kunde ägna mig fullt ut åt överväganden och analyser av mina koncept för en laser.

Varför skulle jag vara villig att ge mig in i en sådan tävling? Det fanns redan en ganska formidabel global konkurrens, som var välfinansierad och mycket kompetent bemannad. Svaret ligger i min kännedom om de förslag som hade florerat. I allmänhet var de forskare som drev dessa idéer inte särskilt hemlighetsfulla om vad de arbetade med. De publicerade och höll föredrag vid konferenser. På det hela taget fann jag dock att författarna och konferensföreläsarna endast erbjöd vaga förslag. Detta fungerade förvisso som ett informationsutbyte och stimulerade idéer. Men det föreföll mig inte som om någon var nära svaret. Kort sagt fanns det ännu inget livskraftigt laserkoncept.

Som jag ser tillbaka var jag lite fräck. Jag skulle på sätt och vis kasta mig in i en teknisk olympiad. Konkurrensen var av högsta kvalitet och av internationell omfattning. Men min tävlingsanda segrade. Utmaningen att arbeta i toppskiktet i ett så spännande projekt, som hade så många frågor och problem att lösa, var mycket övertygande för mig.

Vi vet nu att många typer av lasrar kan tillverkas. Men på den tiden, 1959, visste vi inte det. Vi visste inte ens med säkerhet om det verkligen var möjligt att göra en laser överhuvudtaget. Min strategi var att begränsa mig till potentiella lösningar för att göra en laser som inte hade märkbara distraktioner i konstruktionen. På så sätt kunde jag fokusera strikt på själva laserproblemet.

Av olika anledningar var jag ovillig att arbeta med alkali- eller gasurladdningssystem. Jag valde att arbeta med fasta kristaller. Den främsta lockelsen som fasta kristaller hade för mig var enkelheten. Med det menar jag enkel i analys och förståelse och enkel i utformning av anordningar.

I motsats till en gasurladdning är energinivådiagrammet i en lämplig kristall mycket begränsat. Det finns relativt få möjligheter för energitillstånden, och i stort sett är de relevanta parametrarna för en potentiell laserkandidat möjliga att få fram genom en kombination av beräkningar och relativt enkla direkta mätningar.

En annan principiell fördel med en fast kristall är dess relativt höga förstärkningskoefficient. Med det menar jag att förstärkningen i en given längd av materialet är av rimliga proportioner. Detta innebar att lasermediet kunde vara relativt litet i storlek och kort i utbredning, och jag skulle inte ha problemet med att utveckla eller vara beroende av användningen av speciella speglar. Min första laser använde faktiskt en kristall som bara var 2 cm lång.

Jag var också fascinerad av konceptet med ett fast medium eftersom jag inte skulle behöva hantera vakuumpumpar, problem med föroreningar och gashanteringsapparater eller komplicerade spegelmekanismer. Jag kunde lägga enkla silverspegelbeläggningar direkt på kristallen som jag hade gjort med min lilla rubinmaser. I princip skulle en fastkristalllaser kunna utformas så att den var mycket enkel, kompakt och robust.

Mitt första val att studera och begrunda var rubinkristallen. Rubin är resultatet när en vattenklar gjutning av aluminiumoxid dopas med en liten mängd kromoxidförorening. Det är kromet som står för den röda färgen. De rubiner som används för apparater är vanligtvis inte naturliga ädelstenar, som har en kromföroreningsnivå på cirka 0,5 %. Kromkoncentrationen i rubiner för anordningar är cirka tio gånger lägre än detta, och därför uppvisar de en ljusare röd färg än ädelstensrubiner och kallas rosa rubin.

Varför välja rubin som en potentiell laserkandidat? Det viktigaste var att jag var ganska bekant med och fascinerad av kristallens intressanta optiska egenskaper. Rubin är ett fluorescerande mineral; om ultraviolett ljus lyser på en rubin kommer den att lysa med djupröd fluorescens. Dessutom ger rubin också ett rött sken när antingen blått eller grönt ljus lyser på den. Det är dessa blå och gröna absorptionsband som ger rubin sin röda färg. När en grön foton träffar rubinen och absorberas av den, höjs en kromföroreningsjon från sitt grundtillstånd till ett brett, exciterat band. Även om kromjonen har möjlighet att stråla genom spontan emission från den exciterade nivån, kommer en annan process in i bilden. I den konkurrerande processen används kristallgitterets termiska vibrationer för att interagera med den exciterade jonen och deponera det mesta av excitationsenergin till en annan något lägre exciterad nivå i rubinkromet där den stannar ett tag. Denna senare process är mycket mer sannolik och dominerar.

Energin från denna tredje nivå strålar ut som spontan inkoherent emission. Denna spontana emission består av röda fotoner och är den observerade fluorescensen. Nivån där fluorescensen emanerar kallas ibland för en metastabil nivå, eftersom kromjonerna dröjer sig kvar i detta energitillstånd relativt länge innan de utstrålar röda fotoner.

Jag utvecklade en modell som kunde analyseras matematiskt och jag ställde upp kinetiska ekvationer för att ta hänsyn till de olika mekanismer som äger rum i fluorescensprocessen. Jag satte också upp enkla intuitiva kriterier för att fastställa villkoret för laserverkan. Denna modell och dessa ekvationer har senare blivit ett standardsätt för andra att analysera kristalllasrar.

Jag kunde fastställa vilka materialparametrar som var viktiga och relevanta för en laser genom att få lösningen till de ekvationer som beskriver modellen. Med hjälp av kända och uppskattade värden för de relevanta parametrarna i rubin fann jag att rubin skulle kräva en mycket ljusstark pumplampa för att excitera kristallen tillräckligt mycket för att låta laserverkan äga rum. Lampans ljusstyrka är en viktig parameter för lasrar. Den är ett mått inte på den totala effekt som lampan utstrålar, utan snarare på effekten per ytenhet.