Позднее он сделал еще меньшие мазеры весом не более 2 кг и разработал «горячий» мазер, который работал при температуре жидкого азота и даже сухого льда.
Рубиновый лазер
В первой половине 1960 г. предположения о лазерных материалах сосредоточивались на газах, и более конкретно на парах щелочных металлов, возбуждаемых оптическим излучением, а также на инертных газах, возбуждаемых электрическим разрядом. Успех, полученный Мейманом с рубиновым лазером, был поистине сюрпризом. Однако это не было случайным открытием. Уже работая с рубином как с материалом для мазера, Мейман решил использовать его в качестве отправного материала для лазера. Вначале он выполнил некоторые расчеты, но без успеха, поскольку Ирвин Видер опубликовал работу, в которой указал, что квантовая эффективность рубина (т.е. число фотонов люминесцентного излучения на каждый поглощенный фотон) была всего лишь около 1%.
Рис. 50. Энергетические уровни хрома в рубине, которые участвуют в излучении лазера
Рубин является кристаллом окиси алюминия (Аl2O3), в которую добавлено небольшое число атомов хрома в качестве примеси (мы говорим допирование хромом
[9]). Атом хрома теряет три своих электрона и становится ионом хрома, который замещает один из ионов алюминия в кристаллической решетке. Эти ионы хрома имеют серию энергетических уровней в видимой области (рис. 50), которые делают прозрачный и бесцветный материал окрашенным от розового до тёмно-красного, в зависимости от концентрации примеси. На рис. 50 показаны две серии уровней, которые настолько близки друг к другу, что практически сливаются в две непрерывные полосы. Эти две полосы имеют центры на длине волны 0,55 мкм (зеленая; эту полосу в спектроскопии обозначают 4F2) и на длине волны 0,42 мкм (фиолетовая; обозначенная 4F1) соответственно. Если кристалл облучается зеленым или фиолетовым светом, возбужденные ионы релаксируют на два промежуточных уровня, обозначаемых 2Е, за очень короткое время, вместо того, чтобы непосредственно спадать в основное состояние. Переход из зеленой и из фиолетовой полос на эти уровни происходит без испускания света, но дает избыток энергии решетке через колебания ее атомов. С этих очень близко расположенных уровней (обозначаемых 2A и Ē) ионы медленно спадают (за время порядка миллисекунды) на основной уровень, причем в это время испускается красный свет, который имеет очень узкое спектральное распределение (узкие линии) около 6928 А° (спектроскописты называют ее R2 линией) или 6943 A° (R1). Этот свет, испускаемый после освещения кристалла, называется люминесценцией. Наименование этих уровней и полос было предложено теоретиками согласно рассмотрению на основе теории групп, которое отражает определенные свойства симметрии соответствующих состояний. Это не представляет интереса в нашем случае.
Ирвин Видер из Исследовательских лабораторий Вестингауза занимался исследованием излучения, соответствующего узким линиям рубина, т.е. R линий. Он использовал лампу накаливания, свет которой поглощался и возбуждал обе зеленую и фиолетовую полосы рубина. Затем энергия передавалась на 2Ē уровень. Видер рассчитал, что эффективность этого преобразования энергии была около 1% (т.е. около одной сотой энергии, поглощенной в этих двух полосах, оказывается в виде красного света, испускаемого в R линиях). Если это так, то лишь один красный фотон получается на каждые 100 поглощенных фотонов, что, практически, закрывает возможность использования оптической накачки для получения лазера. Однако после исследования других материалов, Мейман решил выполнить более точные измерения для рубина, путем изучения спектроскопии ионов хрома в розовом рубине. Он обнаружил, что на самом деле, квантовая эффективность была очень высока. Эти и другие результаты точных исследований люминесценции составили предмет статьи, которая была направлена 22 апреля 1960 г. в журнал Physical Review Letters и была опубликована в июне того же года.
В этом исследовании Мейману помогал И. Д'Хейнес, который только частично был связан с фирмой и придерживался мнения своих руководителей Дж. Бирнбаума и Г. Лайона, высказывавших скептицизм относительно успеха.
В результате исследований было обнаружено распределение энергии в ионах хрома, которое мы описали и которое изображено на рис. 50, причем время жизни 2Ē уровней, оказалось около 5 мс. Это, относительно длинное, время жизни, в течение которого атомы остаются в метастабильном состоянии, и их последующий распад с испусканием излучения (радиационный распад) является ответственным за явление люминесценции рубина, т.е. явления, которое и дает материалу его красный цвет. Рубины, которые исследовал Мейман, относились к так называемым розовым рубинам, в которых концентрация ионов хрома составляет только около 0,05% по весу. Поэтому, хотя обе линии 6943 A° и 6928 А° красные, полная окраска получается розовой (отсюда и название). Измерения квантовой эффективности люминесценции, т.е. числа фотонов, испускаемых при люминесценции, по сравнению с числом поглощенных фотонов зеленого возбуждающего света, показали, что это отношение близко к единице. Это означает, что практически каждый поглощенный зеленый фотон приводит к испусканию одного красного фотона. Это результат опровергал данные Видера и делал возможным осуществление лазера.
Мейман рассчитал, что достаточно интенсивный зеленый свет может желательным образом заселить промежуточное состояние 2Ē. Это, в свою очередь, должно было изменить населенность основного состояния (уменьшить его населенность). Все эти результаты побудили его использовать рубин для первого лазеры и продолжить расчеты.
На этом этапе принципиальной проблемой было найти источник зеленого света, достаточно мощного, чтобы накачать атомы на верхний уровень. Грубо говоря, лампа излучает свет, как если бы она была черным телом с высокой температурой.
Предварительные расчеты показали, что требуется лампа с эквивалентной температурой черного тела 5000 К. Мейман начал свои расчеты с коммерчески доступными ртутными лампами, но убедился, что их характеристики на пределе. Тогда он вспомнил, что импульсные ксеноновые лампы имеют эквивалентную температуру 8000 К. Не было причин исключать работу лазера в импульсном режиме, так как во многих случаях импульсный источник был привлекательным.
Теперь мы можем легко понять динамику процесса, снова обращаясь к рис. 50. Освещение зеленым светом возбуждает некоторые ионы хрома с основного уровня (на рисунке он имеет спектроскопическое обозначение 4А2 и обозначен числом 1) в полосу уровней, обозначенную как 4F2 и числом 3. Отсюда ионы быстро, за доли микросекунды (путем передачи энергии при столкновениях с атомами решетки), переходят на уровень 2Ē, обозначенный числом 2. С него они возвращаются на основной уровень в течение ~ 5 мс, испуская красный свет.
