Race to the Light

Antes de começar a trabalhar no maser eu tinha começado a germinar algumas idéias sobre a possibilidade de um laser. Meu conceito até agora era tentar usar um material sólido para o meio de laser, e fabricar o material laser potencial em forma de haste. No microondas pensando que essa configuração seria chamada de guia de onda dielétrica. Na óptica, é conhecido como um tubo leve. Eu planejei colocar espelhos em cada extremidade da haste para formar um ressonador.

Embora os avanços na física que representa, o maser não estende de forma alguma o espectro eletromagnético coerente. Além disso, o seu uso como amplificador revelou-se impraticável porque as temperaturas criogênicas eram necessárias para o funcionamento adequado. Havia uma forte motivação para empurrar as fronteiras da radiação electromagnética coerente para frequências mais elevadas, principalmente a promessa de maiores energias e maiores concentrações. A redução no comprimento de onda de microondas para visível é um fator de cerca de 104. Isto levaria a uma consequente redução de 104 vezes no tamanho focal mínimo alcançável, e um aumento de 108 vezes na concentração de energia fornecida pelo laser.

O trabalho no projeto do maser provou, portanto, algo como uma distração, e não foi até agosto de 1959 que fui capaz de dedicar todo o meu esforço à consideração e análise dos meus conceitos para um laser.

Por que eu estaria disposto a entrar em tal corrida? Já havia uma competição global bastante formidável em jogo, bem financiada e muito competentemente tripulada. A resposta está no meu conhecimento das propostas que tinham sido apresentadas. Geralmente, os cientistas que seguiam essas noções não eram particularmente reservados sobre o que estavam trabalhando. Eles publicaram e deram palestras em conferências. No entanto, no geral, descobri que os autores e os apresentadores das conferências estavam apenas a oferecer propostas vagas. Com certeza, isso serviu como uma troca de informações e estimulou idéias. Mas não me pareceu que alguém estivesse próximo da resposta. Em suma, ainda não existia um conceito de laser viável.

Olhando para trás, eu era um pouco arrojado. Eu estaria me empurrando, de certa forma, para uma Olimpíada tecnológica. A competição era da melhor qualidade e de âmbito internacional. Mas o meu espírito competitivo venceu. O desafio de trabalhar na primeira divisão de um projeto tão emocionante, que tinha tantas perguntas e problemas para resolver, era muito convincente para mim.

Sabemos agora que muitos tipos de lasers podem ser feitos. Mas naquela época, em 1959, nós não sabíamos. Nem sequer sabíamos, com alguma confiança, se era realmente possível fazer um laser. A minha estratégia era limitar-me a potenciais soluções para a fabricação de um laser que não tivesse distrações apreciáveis no design. Dessa forma eu podia me concentrar estritamente apenas no problema do laser em si.

Por várias razões eu estava relutante em trabalhar em sistemas de descarga de gás ou vapor alcalino. Eu optei por trabalhar com cristais de estado sólido. O principal apelo que os sólidos tinham para mim era a simplicidade. Com isso, quero dizer simples na análise e compreensão, e simples na concepção de dispositivos.

Em contraste com uma descarga de gás, o diagrama de nível de energia em um cristal apropriado é muito limitado. Há relativamente poucas possibilidades para os estados energéticos e, de um modo geral, os parâmetros pertinentes para um potencial candidato a laser são passíveis de uma combinação de cálculos e medições diretas relativamente simples.

Outra vantagem, em princípio, para um cristal sólido é o seu coeficiente de ganho relativamente alto. Com isso, quero dizer que a amplificação em um determinado comprimento de material é de proporções razoáveis. Isto significa que o meio laser poderia ser relativamente pequeno em tamanho e de curta extensão, e eu não teria o problema de desenvolver ou depender do uso de espelhos especiais. De fato, meu primeiro laser usou um cristal que tinha apenas 2 cm de comprimento.

Também fiquei intrigado com o conceito de um meio sólido, pois eu não teria que lidar com bombas de vácuo, problemas de impureza e aparelhos de manuseio de gás, ou complexos mecanismos de espelhos. Eu poderia colocar simples coberturas espelhadas de prata diretamente sobre o cristal como eu tinha feito com o meu pequeno maser de rubi. Em princípio, um laser de cristal sólido poderia ser projetado para ser muito simples, compacto e robusto.

A minha primeira escolha para estudar e contemplar foi a de um cristal de rubi. O rubi é o resultado quando um molde de óxido de alumínio é dopado com uma pequena quantidade de impurezas de óxido de crómio. É o crómio que é responsável pela cor vermelha. Os rubis usados para dispositivos não são geralmente pedras preciosas naturais, que têm um nível de impureza de crómio de cerca de 0,5%. A concentração de cromo nos rubis dos dispositivos é cerca de dez vezes menor do que isso, e por isso eles exibem uma cor vermelha mais clara do que o rubi de pedra preciosa e são referidos como rubi rosa.

Por que escolher o rubi como um candidato potencial ao laser? O mais importante, eu estava bastante familiarizado e fascinado com as interessantes propriedades ópticas do cristal. O rubi é um mineral fluorescente; se a luz ultravioleta brilhar sobre um rubi, ele brilhará com uma fluorescência vermelha profunda. Além disso, o rubi também emite um brilho vermelho quando uma luz azul ou verde brilha sobre ele. São estas faixas de absorção azul e verde que dão ao rubi a sua cor vermelha. Quando um fóton verde é absorvido pelo rubi, um íon de impureza cromo é elevado do seu estado de solo para uma banda larga e excitada. Embora o íon cromo tenha a possibilidade de irradiar por emissão espontânea a partir desse nível excitado, outro processo entra em jogo. O processo concorrente utiliza as vibrações térmicas da malha de cristal para interagir com o íon excitado e depositar a maior parte da energia de excitação para outro nível ligeiramente mais baixo de excitação do crómio rubi, onde ele permanece por um tempo. Este último processo é muito mais provável e domina.

A energia deste terceiro nível é irradiada como emissão espontânea incoerente. Esta emissão espontânea é composta de fótons vermelhos e é a fluorescência observada. O nível onde a fluorescência emana é por vezes chamado de nível metastável, uma vez que os iões de crómio permanecem nesse estado energético durante um período relativamente longo antes de irradiarem os fotões vermelhos.

Desenvolvi um modelo que poderia ser analisado matematicamente e montei equações cinéticas para ter em conta os vários mecanismos que ocorrem no processo fluorescente. Também estabeleci critérios simples e intuitivos para estabelecer a condição de ação do laser. Este modelo e estas equações tornaram-se posteriormente uma forma padrão para outros analisarem lasers de cristal.

I foi capaz de determinar quais parâmetros materiais eram importantes e relevantes para um laser, obtendo a solução para as equações que descrevem o modelo. Usando valores conhecidos e estimados para os parâmetros pertinentes no rubi, descobri que o rubi exigiria uma lâmpada de bomba muito brilhante para excitar o cristal o suficiente para permitir que a ação do laser ocorresse. A luminosidade de uma lâmpada é um parâmetro importante para os lasers. É uma medida não da potência total irradiada pela lâmpada, mas sim da potência por unidade de área.