Как една рубинена пръчка и фотографска светкавица промениха света: историята на първия лазер

На 16-ти май 1960 г. в лабораторията Hughes Aircraft Laboratory се случва събитие, чиито последици виждаме всеки ден. На този ден физикът Теодор Майман стартира първия лазер в историята.

Днес лазерите се срещат навсякъде: в нивелирите на сгради, далекомерите, медицинското оборудване, промишлените машини и оптичните магистрали, свързващи континентите. В края на 50-те години на миналия век обаче идеята за създаване на кохерентен сноп видима светлина изглеждаше като изключително рискован експеримент.

Много експерти са били на мнение, че пътят, избран от Майман, води до задънена улица.

Първият лазер в света Скептицизмът на колегите и състезанието за невидимата светлина

В началото на 60-те години на миналия век физиците вече са се научили да създават мазери – устройства, работещи на принципа на стимулираното излъчване в микровълновия диапазон. Работата на Чарлз Таунс, Артур Шавлов, Николай Басов и Александър Прохоров показва, че квантовата електроника работи не само на теория.

Следващата стъпка изглежда е преминаването към оптичния диапазон. На хартия всичко изглежда съвсем логично, но на практика възниква основният въпрос: какво вещество да се използва като работна среда?

Повечето изследователи разчитат на газове и парите на алкалните метали. На този фон решението на Майман да използва твърдотелен изкуствен рубинов кристал изглежда като преднамерено отклонение в умишлено загубена задънена улица.

Теодор Майман със своя първи рубинов лазер Алуминиевият оксид срещу установената догма

Като изключим романтиката на скъпоценните камъни, рубинът е алуминиев оксид с малко количество хром. Хромовите йони заместват малка част от алуминиевите атоми, като придават на кристала характерния му червен цвят и осигуряват необходимите квантови свойства. Те активно поглъщат светлинната енергия в широките сини и зелени диапазони на спектъра, за да я пренасочат към тесен работен пик на излъчване.

Основният проблем е репутацията на материала. Рубинът се е смятал за най-лошия кандидат за оптичен осцилатор. Според публикуваните измервания от други лаборатории квантовата ефективност на кристала е твърде ниска, за да се получи инверсия на генерацията в него. Физиците твърдят, че да се накара този материал да произведе кохерентен лъч при базовата си дължина на вълната от 694,3 нанометра е практически невъзможно.

Вместо да търси друг материал, Меймън решава лично да провери повторно първоначалните данни на предшествениците си. Оказва се, че старите изчисления на спектралните характеристики съдържат груба грешка. След повторния анализ рубинът изведнъж се превърнал от аутсайдер в един от най-подходящите кандидати.

Спектърът на излъчване на рубина във видимия и близкия инфрачервен диапазон. Двете широки ивици в синята и зелената област показват зоните на ефективно поглъщане на енергия от напомпващата лампа, а тесният пик при 694 nm съответства на работната дължина на вълната на лазерното излъчване Устройството на първия лазер

Дизайнът на устройството изглежда изключително прост дори според съвременните стандарти, така че лесно може да бъде взет за проект на радиолюбител. Сърцевината на устройството е рубинена пръчка с дължина около четири сантиметра и диаметър малко под един сантиметър. Майман е подложил краищата на този прът на щателна ювелирна обработка: те са полирани с оптична прецизност и са направени строго успоредни един на друг.

Сглобеният рубинен лазер на Майман

След това повърхностите са покрити със сребърно покритие с различна плътност. Единият край се превръща в огледало, отразяващо почти цялата светлина, докато другият край остава частично прозрачен. Тази геометрия образува класическия оптичен резонатор на Фабри-Перо, който все още се използва в лазерната технология.

Най-трудната инженерна част от проекта се оказва напомпването на рубина с енергия. За да се накара кристалът да излъчва, е било необходимо огромен брой от неговите атоми да преминат във възбудено, „заредено“ състояние.

Компонентите на рубиновия лазер на Майман

За да се направи това, на рубина е трябвало да се подаде колосално количество светлинна енергия, и то почти мигновено, в противен случай топлинното движение на атомите би нарушило експеримента. Обикновените лампи с непрекъснато светене не могат да се справят с подобна задача и просто биха изгорили инсталацията.

Решението е намерено в един обикновен фотографски магазин. Майман взел мощна спирална ксенонова светкавица, предназначена за професионална фотография, и я обвил около рубиновата пръчка, като я накарал да работи като импулсен напомпващ източник.

Схемата на първия рубинов лазер Как се предизвиква лавина от еднакви фотони

По време на светването на мощната ксенонова светкавица електроните на хромовите йони мигновено преминават на високо енергийно ниво. Това е последвано от бърз преход без излъчване към междинно метастабилно ниво, където частиците могат да останат за сравнително дълго време по атомните стандарти – около няколко милисекунди.

Когато горното ниво се оказало запълнено в по-висока степен от долното, възниква състояние на инверсия на концентрацията. Спонтанното връщане на един от електроните в основно състояние генерира фотон с дължина на вълната 694,3 нанометра.

Прелитайки по оста на кристала, този случаен фотон принуждава другите възбудени атоми да излъчват абсолютно същите фотони, съвпадащи по фаза и посока. Светлинната лавина многократно се отразява между огледалата на резонатора, лавинообразно се усилва и накрая пробива полупрозрачния край с кратък монохроматичен червен импулс.

Отхвърлянето на рецензентите и раждането на нова ера

Редакторите на престижното списание Physical Review Letters отказват да публикуват статията на Майман, описваща работещото устройство, като смятат резултатите за незначителни и ги наричат просто развитие на вече известните микровълнови мазери. В крайна сметка статията е отпечатана от Nature, което регистрира историческия приоритет на инженера.

Технологията, която отначало иронично е наричана решение в търсене на проблем, постепенно навлиза в почти всички сфери на съвременния живот. Днес лазерите се използват в хирургията, тежката промишленост, научните инструменти, измервателните уреди и производството на микрочипове.

Предаването на огромни количества данни по оптичните влакна между континентите е в пряка зависимост от лазерните диоди. И все пак отправната точка на цялата гигантска индустрия все още е една скромна схема от 60-те години на миналия век: рубинена пръчка, чифт сребърни огледала и мощна фотографска светкавица.