Race to the Light

Voordat ik met het werk aan de maser begon, was ik al begonnen met het ontkiemen van enkele ideeën over de mogelijkheid van een laser. Mijn concept tot dusver was om te proberen een vast materiaal te gebruiken voor het lasermedium, en om het potentiële lasermateriaal in een staafvorm te fabriceren. In het microgolf-denken zou deze configuratie een diëlektrische golfgeleider worden genoemd. In de optica wordt het een lichtpijp genoemd. Ik was van plan om spiegels aan elk uiteinde van de staaf te plaatsen om een resonator te vormen.

Ondanks de vooruitgang in de fysica die het vertegenwoordigt, breidt de maser op geen enkele wijze het coherente elektromagnetische spectrum uit. Bovendien bleek het gebruik ervan als versterker onpraktisch omdat voor een goede werking cryogene temperaturen vereist waren. Er was een sterke motivatie om de grenzen van coherente elektromagnetische straling te verleggen naar hogere frequenties, voornamelijk de belofte van hogere energieën en grotere concentraties. De afname van de golflengte van microgolf naar zichtbaar licht is een factor van ongeveer 104. Dit zou leiden tot een 104-voudige vermindering van de minimaal haalbare brandpuntsgrootte, en een 108-voudige toename van de energieconcentratie die door de laser wordt geleverd.

Het werk aan het maser-project bleek daarom een beetje een afleiding, en pas in augustus 1959 kon ik mij volledig wijden aan de overweging en analyse van mijn concepten voor een laser.

Waarom zou ik bereid zijn aan zo’n wedloop mee te doen? Er was al een tamelijk geduchte wereldconcurrentie aan de gang, goed gefinancierd en zeer bekwaam bemand. Het antwoord ligt in mijn kennis van de voorstellen die waren geopperd. Over het algemeen deden de wetenschappers die deze ideeën nastreefden niet erg geheimzinnig over waar ze mee bezig waren. Zij publiceerden en gaven lezingen op conferenties. Over het geheel genomen vond ik echter dat de auteurs en presentatoren van conferenties slechts vage voorstellen deden. Zeker, dit diende als een uitwisseling van informatie en stimuleerde ideeën. Maar het leek mij niet dat iemand dicht bij het antwoord was. Kortom, er bestond nog geen levensvatbaar laserconcept.

Als ik terugkijk, was ik een beetje onbezonnen. Ik zou mezelf, in zekere zin, op een technologische Olympische Spelen storten. De concurrentie was van de beste kwaliteit en van internationale omvang. Maar mijn competitieve geest won het. De uitdaging om in de hoogste divisie van zo’n opwindend project te werken, dat zoveel vragen en problemen op te lossen had, was erg dwingend voor mij.

We weten nu dat er vele soorten lasers gemaakt kunnen worden. Maar toen, in 1959, wisten we dat niet. We wisten niet eens zeker of het überhaupt wel mogelijk was om een laser te maken. Mijn strategie was om mij te beperken tot mogelijke oplossingen voor het maken van een laser die geen noemenswaardige afleidingen in het ontwerp hadden. Op die manier kon ik mij strikt concentreren op het laserprobleem zelf.

Om verschillende redenen was ik huiverig om te werken aan alkali-damp of gasontladingssystemen. Ik verkoos te werken met vaste-stof kristallen. De belangrijkste aantrekkingskracht die vaste stoffen op mij uitoefenden was de eenvoud. Daarmee bedoel ik eenvoudig in analyse en begrip, en eenvoudig in apparaatontwerp.

In tegenstelling tot een gasontlading, is het energieniveauschema in een geschikt kristal zeer beperkt. Er zijn betrekkelijk weinig mogelijkheden voor de energietoestanden, en over het algemeen zijn de relevante parameters voor een potentiële laserkandidaat vatbaar voor een combinatie van berekeningen en betrekkelijk eenvoudige directe metingen.

Een ander voordeel, in principe, van een vast kristal is zijn betrekkelijk hoge versterkingscoëfficiënt. Daarmee bedoel ik dat de versterking in een gegeven lengte van het materiaal van redelijke proporties is. Dit betekent dat het lasermedium relatief klein en kort van omvang zou kunnen zijn, en dat ik niet het probleem zou hebben van het ontwikkelen of afhankelijk zijn van het gebruik van speciale spiegels. Inderdaad, mijn eerste laser gebruikte een kristal dat slechts 2 cm lang was.

Ik was ook geïntrigeerd door het concept van een vast medium, omdat ik niet te maken zou hebben met vacuümpompen, onzuiverheidsproblemen en gasbehandelingsapparatuur, of complexe spiegelmechanismen. Ik zou eenvoudige zilverspiegel coatings direct op het kristal kunnen aanbrengen, zoals ik had gedaan met mijn kleine robijn maser. In principe zou een vastekristallaser zeer eenvoudig, compact en robuust ontworpen kunnen worden.

Mijn eerste keuze om te bestuderen en te overwegen was die van een robijnkristal. Robijn is het resultaat wanneer een waterheldere gietvorm van aluminiumoxyde wordt gedoteerd met een kleine hoeveelheid chroomoxyde onzuiverheid. Het is het chroom dat verantwoordelijk is voor de rode kleur. De robijnen die voor apparaten worden gebruikt, zijn meestal geen natuurlijke edelstenen, die een chroomonzuiverheidsgehalte van ongeveer 0,5% hebben. De chroomconcentratie in apparatenrobijn is ongeveer tien keer lager dan dit, en daarom vertonen zij een lichtere rode kleur dan edelsteenrobijn en worden zij roze robijn genoemd.

Waarom robijn kiezen als een potentiële laserkandidaat? Het belangrijkste is, dat ik goed bekend was met en gefascineerd was door de interessante optische eigenschappen van het kristal. Robijn is een fluorescerend mineraal; als ultraviolet licht op een robijn wordt geschenen, gloeit het met een dieprode fluorescentie. Bovendien geeft robijn ook een rode gloed af als er blauw of groen licht op wordt geschenen. Het zijn deze blauwe en groene absorptiebanden die robijn zijn rode kleur geven. Wanneer een groen foton op het robijn valt en door het wordt geabsorbeerd, wordt een chroomion uit zijn grondtoestand opgewekt tot een brede, aangeslagen band. Hoewel het chroomion de mogelijkheid heeft om te stralen door spontane emissie vanuit dat aangeslagen niveau, komt er een ander proces in het spel. Het concurrerende proces maakt gebruik van de thermische trillingen van het kristalrooster om met het aangeslagen ion te interageren en het grootste deel van de excitatie-energie af te zetten naar een ander, iets lager aangeslagen niveau van het robijnchroom, waar het enige tijd blijft. Dit laatste proces is veel waarschijnlijker en overheerst.

De energie van dit derde niveau wordt uitgestraald als spontane incoherente emissie. Deze spontane emissie bestaat uit rode fotonen en is de waargenomen fluorescentie. Het niveau waar de fluorescentie ontstaat wordt soms een metastabiel niveau genoemd, omdat de chroomionen relatief lang in die energietoestand blijven voordat zij rode fotonen uitstralen.

Ik ontwikkelde een model dat wiskundig kon worden geanalyseerd en ik stelde kinetische vergelijkingen op om rekening te houden met de verschillende mechanismen die in het fluorescentieproces plaatsvinden. Ik heb ook eenvoudige intuïtieve criteria opgesteld om de voorwaarde voor laserwerking vast te stellen. Dit model en deze vergelijkingen zijn vervolgens een standaard manier geworden voor anderen om kristallasers te analyseren.

Ik was in staat om te bepalen welke materiaalparameters belangrijk en relevant waren voor een laser door de oplossing te krijgen voor de vergelijkingen die het model beschrijven. Met behulp van bekende en geschatte waarden voor de relevante parameters in robijn, vond ik dat robijn een zeer heldere pomplamp zou vereisen om het kristal voldoende te exciteren om laseractie te laten plaatsvinden. De helderheid van een lamp is een belangrijke parameter voor lasers. Het is geen maat voor het totale vermogen dat de lamp uitstraalt, maar eerder voor het vermogen per oppervlakte-eenheid.