Race to the Light

Przed rozpoczęciem pracy nad maserem zacząłem kiełkować pewne pomysły na temat możliwości lasera. Moja dotychczasowa koncepcja polegała na wykorzystaniu stałego materiału jako ośrodka emitującego światło, oraz na wytworzeniu potencjalnego materiału laserowego w kształcie pręta. W mikrofalach taka konfiguracja byłaby nazywana falowodem dielektrycznym. W optyce jest to znane jako rura świetlna. Planowałem umieścić lustra na każdym końcu pręta, aby utworzyć rezonator.

Mimo postępu w fizyce, jaki reprezentuje, maser w żaden sposób nie rozszerza koherentnego widma elektromagnetycznego. Co więcej, jego zastosowanie jako wzmacniacza okazało się niepraktyczne, ponieważ do prawidłowego działania wymagane były temperatury kriogeniczne. Istniała silna motywacja, aby przesunąć granicę koherentnego promieniowania elektromagnetycznego na wyższe częstotliwości, głównie ze względu na obietnicę wyższych energii i większych koncentracji. Zmniejszenie długości fali z mikrofal do światła widzialnego jest współczynnikiem około 104. Doprowadziłoby to w konsekwencji do 104-krotnego zmniejszenia minimalnego osiągalnego rozmiaru ogniska i 108-krotnego zwiększenia koncentracji energii dostarczanej przez laser.

Praca nad projektem masera okazała się zatem czymś w rodzaju rozproszenia uwagi i dopiero w sierpniu 1959 roku byłem w stanie poświęcić cały wysiłek na rozważenie i analizę moich koncepcji lasera.

Dlaczego miałbym być skłonny do wzięcia udziału w takim wyścigu? Istniała już raczej ogromna światowa konkurencja, dobrze finansowana i bardzo kompetentnie obsadzona. Odpowiedź leży w mojej wiedzy na temat propozycji, które zostały zgłoszone. Ogólnie rzecz biorąc, naukowcy, którzy realizowali te pomysły, nie byli szczególnie skryci w tym, nad czym pracowali. Publikowali i wygłaszali referaty na konferencjach. Ogólnie rzecz biorąc, stwierdziłem jednak, że autorzy i prezenterzy konferencyjni oferowali jedynie mgliste propozycje. Z pewnością służyło to wymianie informacji i stymulowało pomysły. Nie wydaje mi się jednak, aby ktokolwiek był bliski znalezienia odpowiedzi. Krótko mówiąc, nie istniała jeszcze żadna realna koncepcja lasera.

Jak patrzę wstecz, byłem trochę zuchwały. W pewnym sensie rzuciłbym się w wir technologicznych igrzysk olimpijskich. Konkurencja była najwyższej jakości i miała zasięg międzynarodowy. Ale mój duch rywalizacji zwyciężył. Wyzwanie pracy w najwyższej lidze tak ekscytującego projektu, który miał tak wiele pytań i problemów do rozwiązania, było dla mnie bardzo przekonujące.

Wiemy teraz, że można wyprodukować wiele rodzajów laserów. Ale wtedy, w 1959 roku, nie wiedzieliśmy. Nie wiedzieliśmy nawet z całą pewnością, czy zrobienie lasera jest w ogóle możliwe. Moja strategia polegała na ograniczeniu się do potencjalnych rozwiązań w zakresie produkcji lasera, które nie zawierałyby znaczących elementów rozpraszających w projekcie. W ten sposób mogłem skupić się ściśle na samym problemie lasera.

Z różnych powodów byłem niechętny do pracy nad systemami wyładowań alkaliczno-parowych lub gazowych. Zdecydowałem się na pracę z kryształami półprzewodnikowymi. Główny urok, jaki miały dla mnie ciała stałe, to prostota. Przez to rozumiem prostotę w analizie i zrozumieniu, oraz prostotę w koncepcji urządzenia.

W przeciwieństwie do wyładowań gazowych, diagram poziomów energetycznych w odpowiednim krysztale jest bardzo ograniczony. Istnieje stosunkowo niewiele możliwości dla stanów energetycznych, i ogólnie rzecz biorąc, istotne parametry dla potencjalnego kandydata na laser są możliwe do połączenia obliczeń i stosunkowo prostych pomiarów bezpośrednich.

Inną zaletą, w zasadzie, do stałego kryształu jest jego stosunkowo wysoki współczynnik wzmocnienia. Przez to rozumiem, że wzmocnienie w danej długości materiału jest w rozsądnych proporcjach. Oznaczało to, że medium laserowe mogłoby mieć stosunkowo niewielkie rozmiary i krótki zasięg, a ja nie miałbym problemu z opracowaniem lub uzależnieniem od użycia specjalnych zwierciadeł. Rzeczywiście, mój pierwszy laser wykorzystywał kryształ, który miał tylko 2 cm długości.

Zaintrygowała mnie również koncepcja ośrodka stałego, ponieważ nie musiałbym zajmować się pompami próżniowymi, problemami z zanieczyszczeniami i aparaturą do obsługi gazu, ani skomplikowanymi mechanizmami zwierciadeł. Mógłbym umieścić proste srebrne powłoki lustrzane bezpośrednio na krysztale, tak jak to zrobiłem z moim małym maserem rubinowym. W zasadzie, laser stałokrystaliczny mógłby być zaprojektowany jako bardzo prosty, kompaktowy i wytrzymały.

Moim pierwszym wyborem do badań i rozważań był kryształ rubinu. Rubin jest wynikiem, gdy woda-klarowny odlew tlenku glinu jest domieszkowany niewielką ilością zanieczyszczeń tlenku chromu. To właśnie chrom jest odpowiedzialny za czerwony kolor. Rubiny stosowane w urządzeniach zazwyczaj nie są naturalnymi kamieniami szlachetnymi, w których poziom zanieczyszczenia chromem wynosi około 0,5%. Stężenie chromu w rubinach stosowanych w urządzeniach jest około dziesięciokrotnie niższe, dlatego też rubiny te mają jaśniejszy czerwony kolor niż rubiny kamienne i są określane jako rubiny różowe.

Dlaczego warto wybrać rubin jako potencjalnego kandydata na laser? Przede wszystkim znałem i byłem zafascynowany interesującymi właściwościami optycznymi tego kryształu. Rubin jest minerałem fluorescencyjnym; jeśli na rubin zostanie skierowane światło ultrafioletowe, będzie on świecił głęboką czerwoną fluorescencją. Ponadto rubin jarzy się czerwoną poświatą również wtedy, gdy świeci na niego światło niebieskie lub zielone. To właśnie te niebieskie i zielone pasma absorpcji nadają rubinowi jego czerwony kolor. Gdy zielony foton padnie na rubin i zostanie przez niego zaabsorbowany, jon zanieczyszczenia chromu przechodzi ze stanu podstawowego w szerokie, wzbudzone pasmo. Chociaż jon chromu ma możliwość promieniowania poprzez spontaniczną emisję z tego wzbudzonego poziomu, w grę wchodzi inny proces. Konkurencyjny proces wykorzystuje drgania termiczne sieci krystalicznej do oddziaływania ze wzbudzonym jonem i przeniesienia większości energii wzbudzenia na inny, nieco niższy poziom wzbudzony rubinu chromu, gdzie pozostaje ona przez pewien czas. Ten ostatni proces jest znacznie bardziej prawdopodobne i dominuje.

Energia z tego trzeciego poziomu jest wypromieniowywana jako spontaniczna emisja niekoherentna. Ta spontaniczna emisja składa się z czerwonych fotonów i jest obserwowaną fluorescencją. Poziom, z którego emanuje fluorescencja jest czasami nazywany poziomem metastabilnym, ponieważ jony chromu pozostają w tym stanie energetycznym przez stosunkowo długi czas zanim wypromieniują czerwone fotony.

Opracowałem model, który może być analizowany matematycznie i ułożyłem równania kinetyczne, aby uwzględnić różne mechanizmy zachodzące w procesie fluorescencji. Ustaliłem również proste intuicyjne kryteria ustalania warunku działania lasera. Ten model i te równania stały się później standardowym sposobem dla innych do analizy laserów krystalicznych.

Byłem w stanie określić, które parametry materiałowe były ważne i istotne dla lasera poprzez uzyskanie rozwiązania równań opisujących model. Używając znanych i oszacowanych wartości odpowiednich parametrów rubinu, stwierdziłem, że rubin wymagałby bardzo jasnej lampy, aby wzbudzić kryształ wystarczająco, by umożliwić działanie lasera. Jasność lampy jest ważnym parametrem dla laserów. Jest to miara nie całkowitej mocy wypromieniowywanej przez lampę, ale raczej mocy na jednostkę powierzchni.