Страница 123 из 161
Р РёСЃ. 50. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё С…СЂРѕРјР° РІ СЂСѓР±РёРЅРµ, которые участвуют РІ излучении лазера
Р СѓР±РёРЅ является кристаллом РѕРєРёСЃРё алюминия (Рђl2O3), РІ которую добавлено небольшое число атомов С…СЂРѕРјР° РІ качестве примеси (РјС‹ РіРѕРІРѕСЂРёРј допирование С…СЂРѕРјРѕРј[9]). Атом С…СЂРѕРјР° теряет три СЃРІРѕРёС… электрона Рё становится РёРѕРЅРѕРј С…СЂРѕРјР°, который замещает РѕРґРёРЅ РёР· РёРѕРЅРѕРІ алюминия РІ кристаллической решетке. Рти РёРѕРЅС‹ С…СЂРѕРјР° имеют серию энергетических уровней РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области (СЂРёСЃ. 50), которые делают прозрачный Рё бесцветный материал окрашенным РѕС‚ СЂРѕР·РѕРІРѕРіРѕ РґРѕ тёмно-красного, РІ зависимости РѕС‚ концентрации примеси. РќР° СЂРёСЃ. 50 показаны РґРІРµ серии уровней, которые настолько близки РґСЂСѓРі Рє РґСЂСѓРіСѓ, что практически сливаются РІ РґРІРµ непрерывные полосы. Рти РґРІРµ полосы имеют центры РЅР° длине волны 0,55 РјРєРј (зеленая; эту полосу РІ спектроскопии обозначают 4F2) Рё РЅР° длине волны 0,42 РјРєРј (фиолетовая; обозначенная 4F1) соответственно. Если кристалл облучается зеленым или фиолетовым светом, возбужденные РёРѕРЅС‹ релаксируют РЅР° РґРІР° промежуточных СѓСЂРѕРІРЅСЏ, обозначаемых 2Р•, Р·Р° очень короткое время, вместо того, чтобы непосредственно спадать РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРµ состояние. Переход РёР· зеленой Рё РёР· фиолетовой полос РЅР° эти СѓСЂРѕРІРЅРё РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ без испускания света, РЅРѕ дает избыток энергии решетке через колебания ее атомов. РЎ этих очень близко расположенных уровней (обозначаемых 2A Рё Ē) РёРѕРЅС‹ медленно спадают (Р·Р° время РїРѕСЂСЏРґРєР° миллисекунды) РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ уровень, причем РІ это время испускается красный свет, который имеет очень СѓР·РєРѕРµ спектральное распределение (СѓР·РєРёРµ линии) около 6928 Рђ (спектроскописты называют ее R2 линией) или 6943 A (R1). Ртот свет, испускаемый после освещения кристалла, называется люминесценцией. Наименование этих уровней Рё полос было предложено теоретиками согласно рассмотрению РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ теории РіСЂСѓРїРї, которое отражает определенные свойства симметрии соответствующих состояний. Рто РЅРµ представляет интереса РІ нашем случае.
Р�СЂРІРёРЅ Видер РёР· Р�сследовательских лабораторий Вестингауза занимался исследованием излучения, соответствующего СѓР·РєРёРј линиям СЂСѓР±РёРЅР°, С‚.Рµ. R линий. РћРЅ использовал лампу накаливания, свет которой поглощался Рё возбуждал РѕР±Рµ зеленую Рё фиолетовую полосы СЂСѓР±РёРЅР°. Затем энергия передавалась РЅР° 2Ē уровень. Видер рассчитал, что эффективность этого преобразования энергии была около 1% (С‚.Рµ. около РѕРґРЅРѕР№ сотой энергии, поглощенной РІ этих РґРІСѓС… полосах, оказывается РІ РІРёРґРµ красного света, испускаемого РІ R линиях). Если это так, то лишь РѕРґРёРЅ красный фотон получается РЅР° каждые 100 поглощенных фотонов, что, практически, закрывает возможность использования оптической накачки для получения лазера. Однако после исследования РґСЂСѓРіРёС… материалов, Мейман решил выполнить более точные измерения для СЂСѓР±РёРЅР°, путем изучения спектроскопии РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР° РІ СЂРѕР·РѕРІРѕРј СЂСѓР±РёРЅРµ. РћРЅ обнаружил, что РЅР° самом деле, квантовая эффективность была очень высока. Рти Рё РґСЂСѓРіРёРµ результаты точных исследований люминесценции составили предмет статьи, которая была направлена 22 апреля 1960 Рі. РІ журнал Physical Review Letters Рё была опубликована РІ РёСЋРЅРµ того же РіРѕРґР°.
В этом исследовании Мейману помогал �. Д'Хейнес, который только частично был связан с фирмой и придерживался мнения своих руководителей Дж. Бирнбаума и Г. Лайона, высказывавших скептицизм относительно успеха.
Р’ результате исследований было обнаружено распределение энергии РІ ионах С…СЂРѕРјР°, которое РјС‹ описали Рё которое изображено РЅР° СЂРёСЃ. 50, причем время жизни 2Ē уровней, оказалось около 5 РјСЃ. Рто, относительно длинное, время жизни, РІ течение которого атомы остаются РІ метастабильном состоянии, Рё РёС… последующий распад СЃ испусканием излучения (радиационный распад) является ответственным Р·Р° явление люминесценции СЂСѓР±РёРЅР°, С‚.Рµ. явления, которое Рё дает материалу его красный цвет. Р СѓР±РёРЅС‹, которые исследовал Мейман, относились Рє так называемым розовым рубинам, РІ которых концентрация РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР° составляет только около 0,05% РїРѕ весу. Поэтому, хотя РѕР±Рµ линии 6943 A Рё 6928 Рђ красные, полная окраска получается СЂРѕР·РѕРІРѕР№ (отсюда Рё название). Р�змерения квантовой эффективности люминесценции, С‚.Рµ. числа фотонов, испускаемых РїСЂРё люминесценции, РїРѕ сравнению СЃ числом поглощенных фотонов зеленого возбуждающего света, показали, что это отношение близко Рє единице. Рто означает, что практически каждый поглощенный зеленый фотон РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє испусканию РѕРґРЅРѕРіРѕ красного фотона. Рто результат опровергал данные Видера Рё делал возможным осуществление лазера.