Однако в работе возник ряд проблем. Пары калия вызывали потемнение стекла разрядной трубки и действовали химически на вакуумную аппаратуру. В конце 1959 г. Таунс попросил О. Хивенса, британского специалиста по диэлектрическим зеркалам, приехать и помочь, а также решил использовать пары цезия вместо калия, накачивая их гелиевой лампой.
Рис. 58. Энергетические уровни цезия и гелия
Одна из узких линий поглощения атома цезия имеет в точности такую же энергию, как одна из узких линий гелия. Поэтому можно использовать свет гелиевой лампы, испускаемой на этой длине волны (389 нм), для селективной накачки уровня цезия и заселить его больше, чем нижние уровни. Таким образом, можно получить инверсную населенность (рис. 58). После сообщения Меймана Таунс перевел Абелла на работу с рубином, а Камминс продолжал работу с цезием. Цезиевый лазер был запущен в TRG между концом 1961 г. и первыми месяцами 1962 г. Полом Рабиновичем, Стефеном Джакобсом и Голдом. Он испускал излучение на 3,20 и 7,18 мкм. Это был один из лазеров, запущенных благодаря конфокальным зеркалам. Исследователи из TRG также начали с калия, но после одного из семинаров, на котором Хивенс сказал, что цезий лучше, также перешли на этот материал и оказались первыми, стремясь показать, что миллион долларов, выделенный им, потрачен не напрасно. Они в марте 1961 г. добились получения инверсии, и получили генерацию в начале 1962 г.
Этот лазер был скорее любопытен, чем практичен. В настоящее время генерацию на этих длинах волн более легко получают другими методами, к тому же цезиевые пары ядовиты.
Неодимовый лазер
Другой лазер, запущенный в 1961 г. и все еще остающимся одним из главных, — лазер на неодимовом стекле. В 1959—1960 гг. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые проводил один из ее ученых, Элиас Снитцер. Эта компания первоначально концентрировалась на оптических приборах и офтальмологических изделиях. Она также была сильна в области изготовления стекла и изделий из него. В течение 1950-х гг. компания решила расширить производство и, поэтому запустила исследовательские проекты в новых областях, таких как военная электрооптика и волоконная оптика. Элиас Снитцер был принят в начале 1959 г. в исследовательскую группу и начал свои работы по распространению электромагнитных волн в оптических волокнах. Для компании эта работа принесла патенты в области волоконной оптики и укрепила ее имидж в этой области в научном мире. Снитцер уловил связи между исследованиями оптических волокон и лазерными работами. Поскольку стеклянное волокно может поддерживать моды электромагнитного излучения, то его можно превратить в лазерный резонатор, если на его концах разместить зеркала. Это предположение было интересно, поскольку в научной среде были сомнения, будет ли работать резонатор Фабри—Перо. Стекло само по себе может стать лазерным материалом, если его допировать подходящим веществом, таким как самарий или иттербий, и накачивать требуемые уровни с помощью некогерентного света, посылаемого либо через поверхность, либо через торец волокна. Снитцер полагал, что он может даже сконцентрировать больше света накачки в волокне, если покроет его тонким слоем стекла с несколько отличающимся показателем преломления.
В начале 1960 г. Снитцер с двумя сотрудниками начал исследования серии стеклянных волокон, допированных ионами, имеющими линии люминесценции в видимой области. Стекло было необычным выбором. Все исследованные материалы были либо газами, либо кристаллами. После успеха Меймана Снитцер попробовал волокна рубина. До этого он использовал ртутные лампы большого давления, непрерывно испускающие свет. Теперь он приобрел лампы-вспышки. Группа исследовала 200 волокон. В конце 1960 г. оба помощника Снитцера были переведены на закрытый проект ВВС, имеющий цель создать лазерный излучатель с солнечной накачкой. Снитцер остался один и решил перейти от видимого диапазона к инфракрасному. Это решение означало замену допированных материалов. В инфракрасной области можно было использовать редкие земли: неодим, празеодим, гольмий, эрбий и тулий. Снитцер также решил оставить волокна и сосредоточиться на простом стержне допированного стекла. В октябре 1961 г. он получил лазерную генерацию на стержне стекла, допированного неодимом.
Ионы неодима, когда они введены в кристаллы или в аморфный материал, подобный стеклу, имеют узкие спектры. Использование стекла в качестве лазерного материала дает ряд преимуществ. Методы приготовления оптических стекол хорошо освоены, и изготовление стеклянного образца значительно проще выращивания кристалла. Кроме того, оптическое качество стекла несравненно лучше, чем у кристаллов, и можно изготавливать стеклянные образцы значительно больших размеров. Более того, стекла, допированные ионами редких земель (окрашенные стекла), уже производились в течение многих лет, в частности для использования в фотографии.
Рис. 59. Энергетические уровни ионов неодима (Nd3+), включенных в стекло (бариевый крон)
Уровни неодима в стекле показаны на рис. 59. Уровень 4F3/2 является люминесцентным, и лазерные переходы получаются между этим уровнем и уровнями 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2 на длинах волн 1,06 1,35 мкм, соответственно. Возбуждение получается путем оптической накачки с основного уровня на уровни, лежащие выше состояния 4F3/2. Имеются три уровня поглощения в инфракрасном диапазоне, уровни, которые поглощают в желтой области около 5800 А°, и другие уровни, поглощающие главным образом в ультрафиолете. На рис. 59 уровни выше, чем уровень 4F3/2, показаны жирными линиями. Из этих уровней возбужденные атомы распадаются за счет безызлучательных переходов на уровень 4F3/2, с которого и начинается лазерное излучение.
Лазеры, использующие неодимовое стекло, важны прежде всего потому, что они являются примером твердотельного материала, отличного от синтетических кристаллов. Также определенные стекла, допированные неодимом, обладают большими выходными энергиями на единицу объема материала. И наконец, стеклянная матрица позволяет иметь лазеры в виде стержней или волокон.
В тот же год лазерная генерация была получена Л. Джонсоном, Г. Бойдом, К. Нассау и Р. Соденом из Bell Labs на кристаллах вольфрамата кальция, допированного неодимом. Их лазер при охлаждении жидким азотом работал в непрерывном режиме. Длина волны генерации была 1,06 мкм.
В декабре 1961 г. ARPA (Advanced Research Projects Agency — агентство, организованное в 1959 г. для поддержки фундаментальных исследований в области перспективных военных технологий) организовало научный комитет, который установил высшие приоритеты исследований лазеров на рубине и стекле. На следующий год Снитцер получил излучение в волокне диаметром 32 мкм. Сегодня на основе волокон, допированных редкими землями, создаются прекрасные лазеры и усилители, с успехом используемые, в волоконно-оптических системах связи.
