Race to the Light

Înainte de a începe să lucrez la maser începusem să germineze câteva idei despre posibilitatea unui laser. Conceptul meu de până acum era să încerc să folosesc un material solid pentru mediul de lasere și să fabric materialul potențialului laser în formă de tijă. În gândirea cu microunde, această configurație s-ar numi un ghid de undă dielectric. În domeniul opticii, este cunoscută sub numele de țeavă de lumină. Am plănuit să pun oglinzi la fiecare capăt al tijei pentru a forma un rezonator.

În ciuda progreselor în fizică pe care le reprezintă, maserul nu extinde în nici un fel spectrul electromagnetic coerent. Mai mult, utilizarea sa ca amplificator s-a dovedit a fi nepractică, deoarece erau necesare temperaturi criogenice pentru o funcționare corectă. A existat o motivație puternică pentru a împinge frontierele radiației electromagnetice coerente către frecvențe mai înalte, în principal promisiunea unor energii mai mari și a unor concentrații mai mari. Reducerea lungimii de undă de la microunde la vizibil este de un factor de aproximativ 104. Aceasta ar duce la o reducere consecventă de 104 ori a dimensiunii focale minime realizabile și la o creștere de 108 ori a concentrației de energie furnizată de laser.

Lucrările la proiectul maserului s-au dovedit, prin urmare, a fi un fel de distragere a atenției și abia în august 1959 am putut să mă dedic pe deplin examinării și analizei conceptelor mele pentru un laser.

De ce aș fi dispus să intru într-o astfel de cursă? Era deja în joc o competiție globală destul de formidabilă, bine finanțată și cu oameni foarte competenți. Răspunsul se afla în cunoașterea de către mine a propunerilor care fuseseră lansate. În general, oamenii de știință care urmăreau aceste noțiuni nu erau deosebit de secretoși cu privire la ceea ce lucrau. Au publicat și au ținut discuții la conferințe. Totuși, în general, am constatat că autorii și prezentatorii de conferințe ofereau doar propuneri vagi. Cu siguranță, acest lucru a servit ca un schimb de informații și a stimulat ideile. Dar nu mi s-a părut că cineva era aproape de un răspuns. Pe scurt, nu exista încă niciun concept viabil de laser.

Cum privesc în urmă, am fost un pic obraznic. M-aș fi aruncat, într-un fel, într-o olimpiadă tehnologică. Competiția era de cea mai bună calitate și de anvergură internațională. Dar spiritul meu competitiv a învins. Provocarea de a lucra în prima ligă a unui proiect atât de interesant, care avea atât de multe întrebări și probleme de rezolvat, a fost foarte convingătoare pentru mine.

Știm acum că se pot realiza multe tipuri de lasere. Dar pe atunci, în 1959, nu știam. Nici măcar nu știam cu certitudine dacă era cu adevărat posibil să facem un laser. Strategia mea a fost să mă limitez la soluții potențiale de realizare a unui laser care să nu aibă distrageri apreciabile în proiectare. În acest fel puteam să mă concentrez strict doar pe problema laserului în sine.

Din diverse motive am fost reticent să lucrez la sisteme de vapori alcalini sau de descărcare în gaz. Am ales să lucrez cu cristale în stare solidă. Principala atracție pe care solidele o exercitau asupra mea era simplitatea. Prin aceasta, mă refer la simplitatea analizei și înțelegerii și la simplitatea conceperii dispozitivelor.

În contrast cu o descărcare în gaz, diagrama nivelurilor energetice într-un cristal adecvat este foarte limitată. Există relativ puține posibilități pentru stările de energie și, în general, parametrii relevanți pentru un potențial candidat laser se pretează la o combinație de calcule și măsurători directe relativ simple.

Un alt avantaj, în principiu, al unui cristal solid este coeficientul său de câștig relativ ridicat. Prin aceasta, vreau să spun că amplificarea într-o anumită lungime de material este de proporții rezonabile. Aceasta înseamnă că mediul laser ar putea avea dimensiuni relativ mici și o întindere scurtă, iar eu nu aș avea problema de a dezvolta sau de a depinde de utilizarea unor oglinzi speciale. Într-adevăr, primul meu laser a folosit un cristal care avea o lungime de numai 2 cm.

Eram, de asemenea, intrigat de conceptul unui mediu solid, deoarece nu ar fi trebuit să mă ocup de pompele de vid, de problemele legate de impurități și de aparatele de manipulare a gazelor, sau de mecanismele complexe ale oglinzilor. Aș putea pune straturi simple de oglinzi de argint direct pe cristal, așa cum făcusem cu micul meu maser de rubin. În principiu, un laser cu cristale solide ar putea fi proiectat pentru a fi foarte simplu, compact și robust.

Prima mea alegere pentru studiu și contemplare a fost cea a unui cristal de rubin. Rubinul este rezultatul atunci când o turnare de oxid de aluminiu limpede ca apa este dopată cu o cantitate mică de impuritate de oxid de crom. Cromul este cel care este responsabil pentru culoarea roșie. Rubinele folosite pentru dispozitive nu sunt, de obicei, pietre prețioase naturale, care au un nivel de impuritate de crom de aproximativ 0,5%. Concentrația de crom din rubine pentru dispozitive este de aproximativ zece ori mai mică decât aceasta și, prin urmare, acestea prezintă o culoare roșie mai deschisă decât rubinul din pietre prețioase și sunt denumite rubin roz.

De ce să alegeți rubinul ca potențial candidat pentru laser? Cel mai important, eram destul de familiarizat și fascinat de proprietățile optice interesante ale cristalului. Rubinul este un mineral fluorescent; dacă lumina ultravioletă este îndreptată asupra unui rubin, acesta va străluci cu o fluorescență roșie intensă. În plus, rubinul emite, de asemenea, o strălucire roșie atunci când este luminat cu lumină albastră sau verde. Aceste benzi de absorbție albastre și verzi sunt cele care dau rubinului culoarea sa roșie. Atunci când un foton verde lovește rubinul și este absorbit de acesta, un ion de impuritate de crom este ridicat din starea sa fundamentală într-o bandă largă, excitată. Deși ionul de crom are posibilitatea de a radia prin emisie spontană din acel nivel excitat, un alt proces intră în joc. Procesul concurent folosește vibrațiile termice ale rețelei cristaline pentru a interacționa cu ionul excitat și pentru a depozita cea mai mare parte a energiei de excitație la un alt nivel excitat ușor mai scăzut al cromului din rubin, unde rămâne pentru o perioadă de timp. Acest din urmă proces este mult mai probabil și domină.

Energia de la acest al treilea nivel este radiată ca emisie incoerentă spontană. Această emisie spontană este formată din fotoni roșii și reprezintă fluorescența observată. Nivelul de unde emană fluorescența este uneori numit nivel metastabil, deoarece ionii de crom zăbovesc în acea stare energetică pentru o perioadă relativ lungă de timp înainte de a radia fotoni roșii.

Am dezvoltat un model care poate fi analizat matematic și am stabilit ecuații cinetice pentru a lua în considerare diferitele mecanisme care au loc în procesul de fluorescență. Am stabilit, de asemenea, criterii intuitive simple pentru stabilirea condiției pentru acțiunea laserului. Acest model și aceste ecuații au devenit ulterior o modalitate standard pentru alții de a analiza laserele cu cristale.

Am reușit să determin ce parametri de material erau importanți și relevanți pentru un laser prin obținerea soluției ecuațiilor care descriu modelul. Folosind valori cunoscute și estimate pentru parametrii relevanți în rubin, am constatat că rubinul ar necesita o lampă de pompare foarte strălucitoare pentru a excita cristalul suficient pentru a permite ca acțiunea laser să aibă loc. Luminozitatea unei lămpi este un parametru important pentru lasere. Ea este o măsură nu a puterii totale radiate de lampă, ci mai degrabă a puterii pe unitatea de suprafață.

.