ÖTVEN ÉVES AZ ELSŐ MAGYAR LÉZER

Csillag László
KFKI

Maiman [1] 1960 augusztusában adta hírül a Nature folyóiratban az első, 694 nm-es vörös fényimpulzusokat sugárzó rubin lézer¹ sikeres megvalósítását, Javan, Bennett és Herriott [2] 1961. februárban a Physical Review Lettersben közölte a folytonos üzemű, 1,15 µm infravörös hullámhosszon sugárzó hélium-neon gázlézer elkészítését.

A mi számunkra 1963. december 6-a lett jelentős dátum, e napon kezdett működni hazánkban az első hazai lézer: az utóbbihoz hasonló infravörös fényű, folytonos üzemű He-Ne gázlézer.

Az első lépést kétségtelenül Marx György tette meg, amikor 1961 nyarán felkért arra, hogy sürgősen fordítsam le magyarra A. L. Schawlow cikkét az optikai maserekről, amely a Scientific American 1961. júniusi számában jelent meg. Ezt a cikket a Fizikai Szemle 1961. szeptemberi számában már le is közölte [3]. A nagyszerűen megírt cikk szinte minden fontosat leírt a lézerek működéséről és alkalmazási lehetőségeiről (szerzője később Nobel-díjat kapott lézerspektroszkópiai munkásságáért), ma is érdemes elolvasni.

További előrelépést jelentett, hogy a Központi Fizikai Kutató Intézet (KFKI) két kutatócsoportja – egyik az optikai spektroszkópia, másik a fizikai optika területén dolgozott – élénken érdeklődni kezdett a téma iránt. Az előbbi csoport korábban Mátrai Tibor vezetése alatt komoly tapasztalatokat szerzett az atom- és molekulaspektrumok kísérleti és elméleti vizsgálatában, az utóbbi Jánossy Lajosnak a fény természetével kapcsolatos kutatásaihoz kapcsolódó kísérleti munkákat végezte Náray Zsolt vezetése alatt, jelentős optikai méréstechnikai és elméleti felkészültséggel és eszközparkkal. A lézerek működésének elvi alapjairól, a lézertípusokról és ezek alkalmazási lehetőségeiről Bakos József kollégámmal előadást tartottunk az Eötvös Loránd Fizikai Társulatban 1963. május 13-án és 20-án; mindkét előadás még abban az évben megjelent a Fizikai Szemlében [4, 5].

Az előtanulmányok alapján világossá vált, hogy mindkét lézertípus elkészítésére megvannak a tudományos feltételek. A rubin lézernél a mechanikai alkatrészeket és a tápegységet a KFKI-ban el tudják készíteni, de megfelelő rubinkristályt és hozzá való tükröket, valamint speciális villanócsöveket külföldről kell beszerezni. Az 1964. év folyamán sikerült mindent összehozni és el is készült ez a lézer – Farkas Győző, Náray Zsolt és Varga Péter közreműködésével.

A He-Ne infravörös gázlézernél könnyebb volt a helyzet. Amikor igazgatóhelyettesünk, Náray Zsolt 1963. november elején ez ügyben megbeszélésre összehívta a kutatókat, az időközben megjelent publikációk ismeretében kiderült, hogy 2-3 hét alatt elkészíthetünk egy, az eredetinél egyszerűbb konstrukciójú lézert.

Javan, Bennett és Herriott lézerénél a nagy frekvenciával gerjesztett gázkisülési cső két végéhez közvetlenül csatlakozott a két igen finoman beállítható síktükör, amelyek dielektrikumréteg-rendszer bevonata ~98,9% reflexiójú volt. Az egyik tükrön áthaladó kis teljesítményhányadot detektálták. A mi megoldásunknál az ugyancsak nagy frekvenciával gerjesztett ömlesztett kvarc kisülési csövet Rigrod [6] nyomán sík kvarcüvegablakokkal zártuk le. Az egyik ablak a rezonátortengelyhez képest a Brewster-szögben (~57°), a másik 45°-ban állt. A Brewster-szögnél a beesési síkban rezgő fénykomponens veszteség nélkül halad át az ablakon, míg az erre merőleges komponens a két üvegfelületen jelentős reflexiós veszteséget szenved, aminek eredményeként a kialakuló lézersugárzás lineárisan polarizált. A 45°-os ablaknál a két üvegfelületen a rezonátorban levő sugárzás körülbelül 1%-a merőlegesen kicsatolódott. Erre azért volt szükség, mert dielektrikum-réteg tükrök helyett mi frissen párologtatott ezüst tükröket használtunk; ezek reflexiója a közeli infravörösben körülbelül 98% volt, de gyakorlatilag semmit nem engedtek át. További egyszerűsítést jelentett, hogy síktükrük helyett mi homorú tükröket alkalmaztunk. Boyd és Gordon [7] ugyanis kimutatta, hogy a szférikus tükrös rezonátorok elhajlási veszteségei – különösen a konfokálishoz közeli elrendezésben – sokkal kisebbek, mint síktükrös rezonátoroknál, és a beállítási érzékenységük is nagyságrendekkel kisebb. A feladatokat következőképpen osztottuk fel: Bakos József az ezüst tükrök elkészítését, Varga Péter az infravörös lézersugár detektálásával kapcsolatos teendőket vállalta, Kántor Károly a laboratórium meglévő elemeiből megszerkesztette a tükrök finom állítóit, és kidolgozott egy ügyes, távcsöves módszert a lézertükrök pontos szembeállítására a lézercső közepén áthaladó optikai tengely mentén. Az én feladatom volt a gázkisülési cső elkészíttetése és – megfelelő vákuumtechnikai előkészítés után – az optimális gázkeverékkel való megtöltése, a nagyfrekvenciás gerjesztés megoldása. Ehhez rendelkezésünkre állt egy komplett gáztöltő és vákuumrendszer a megfelelő mérőberendezésekkel, továbbá egy 30 MHz-es, 0–200 W között változtatható teljesítményű generátor. A kisülés gerjesztéséhez három külső elektródát alkalmaztunk.

Az 1. ábra már működés közben mutatja a megvalósított rendszer fényképét [8]. Az egész lézer egy beton lábakon álló optikai padra van szerelve. A kép közepén látható gázkisülési cső (vöröses) fénye a gerjesztett gázkeverék spontán sugárzásából származik. A 100 cm hosszú, 7 mm belső átmérőjű ömlesztett kvarcüvegcső végein felismerhetők a 3 mm vastag, kemény piceinnel ragasztott kvarcablakok (ez adja a fekete színt), a jobb oldali ablak hajlásszöge 56° 30', a baloldali hajlásszöge 45°. Ezen csatolódik ki az infravörös – és ezért sajnos nem látható – lézersugárzás. Az előzőleg 10^-9 bar vákuumra leszívott cső töltete: spektrál tiszta hélium és neon gáz 7:1 arányú keveréke, nyomása 1,3 mbar. A két egyforma, f = 50 cm fókuszú homorú tükör az optikai padon egymástól 120 cm-re áll, pontosan szemben, a cső tengelyére illeszkedve. Bevonatuk frissen párologtatott ezüst, reflexiójuk körülbelül 98%. Az ezüst tükrök használata miatt a lézer nemcsak 1,15 µm, hanem 2,39 µm és 3,39 µm hullámhosszakon is működik. A képen jól láthatók a tükörbeállító mechanikai elemek, a hátérben a vákuum- és gáztöltő rendszer, tetején a mérőműszerekkel.

Érdekes volt az indulás. December 6-án délelőttre – kipróbálva, beállítva – minden készen állt. Mind a négyen némi izgalommal vártuk a teljes rendszer első próbáját. Ez igen megrendítő volt, ugyanis semmi sem történt! Előzetesen – a hátsó tükör letakarásával – a gerjesztett kisülési cső végén kilépő spontán fényt (ez a bal tükörről visszaverődve a 45°-os végablakon csatolódott ki) lencsével egy 1,15 µm-re beállított monokromátor belépő résére képeztük le. A detektor jelét egy igen érzékeny regisztráló galvanométer mutatta. Ez világosan jelezte a neon 1,15 µm-es gyenge színképvonalának meglétét. Ezután kitakartuk a hátsó tükröt: semmi változás! Nincs lézerműködés? Mielőtt nagyon kétségbe estünk volna, Kántor Károly kollégánk éppen csak hozzányúlt a lencse oldalirányú állító csavarjához – és a galvanométer egyszerűen elszállt! Ez legalább hat nagyságrend intenzitásnövekedést jelzett a spontán vonalhoz képest! A lézer tehát rendben működött – utóbb megmértük a kilépő teljesítményt, ami a várakozásnak megfelelően körülbelül 2,5 mW-nak adódott. A kezdeti beállítási hiba pedig egyszerűen a lézernyaláb nagyfokú párhuzamosságából adódott. A körülbelül 10 szögperc széttartású nyalábot ugyanis a lencse 0,1 mm-nél kisebb foltocskára fókuszálta és ezt a foltocskát a spontán fény körülbelül 1 mm-es foltja alapján nem lehetett pontosan a belépő résre állítani.

Ezután már le mertük hívni a laboratóriumba Jánossy Lajos igazgatónkat, aki igen nagy érdeklődéssel nézte meg a lézert. Leginkább az "üvegteszt" tetszett neki. Ez a következő volt: ha egy sík üveglemezt a rezonátoron kívül a nyaláb útjába tettünk, a lemez két felületén fellépő reflexiók következtében a detektor – a várakozásnak megfelelően – körülbelül 8% intenzitáscsökkenést mutatott. Ha ugyanezt a üveglemezt a lézer rezonátorába, például az egyik tükör és a kisülési cső közé tettük, a jel 0-ra lement, vagyis a lézer leállt. A magyarázat egyszerű: az ablak okozta körülbelül 8% veszteség nagyobb volt, mint a gázkisülési cső fényerősítő képessége (a tükör és a kicsatoló ablak veszteségeit is figyelembe véve). Jánossy profeszszor jó párszor saját kezűleg is megismételte ezt az egyszerű kísérletet.

Az elkövetkező napokban sok vendégünk volt a laboratóriumban. Ezek közül csak egyet említek, Novobátzky Károlyt, az ELTE Elméleti Fizikai Tanszéke neves professzorát. Ő akkor már igen idős volt, mégis, amikor híre ment lézerünk beindulásának, Marx György útján jelezte, hogy szeretné megnézni a lézert. Kollégájával együtt hamarosan megjelent laboratóriumunkban. Részletesen elmagyaráztatta a lézer működését. Bemutattuk az "üveglemeztesztet", ami láthatóan igen tetszett neki. "Nagyon érdekes, kérem, nagyon érdekes" – mondta az idős profeszszor elismerően.

Ezen első demonstratív lézert egy évtizedes intenzív kutató-fejlesztő munka követte. 1964-ben megszületett a vákuumrendszertől független, egyenárammal gerjesztett lézercső, elkészültek az első kiváló, nagy reflexiójú dielektrikum tükrök, 1965 tavaszán pedig laboratóriumunkban működni kezdett a – White és Rigden [9] által még 1962-ben felfedezett – 633 nm-es vörös He-Ne lézer. Ezt a kísérleti példányt – Jánossy Lajos kérésére – az ELFT 1965-ös tavaszi pedagógustovábbképzése keretében a tanároknak is bemutattuk, néhány demonstrációs kísérlettel: a nagy előadóterem falain végigfutó körülbelül 10 mW-os vörös lézersugár, amelynek útja – a porrészecskéken való szóródás révén – a levegőben is látható volt, valamint a fényelhajlási és interferencia-kísérletek nagy tetszést arattak, mert megmutatták a lézer adta lehetőségeket az optika oktatásában. 1967 nyarán elkészült az első komplett hordozható lézer, amit a fizikustársadalom az ELFT soproni vándorgyűlésén láthatott. Jánossy Mihály kollégánk holográfiáról tartott előadásában ezzel a lézerrel demonstrálta az – általa korábban ugyanezen lézerrel készített – első hazai hologramok rekonstrukcióját. Itt szeretnék megemlékezni e lézer megalkotásában közreműködőkről: Majorosi Antal üvegtechnikus (lézercső), Rózsa Károly (elektróda és ablakrögzítés), Bakos József és Szigeti János (tükrök), Tóth József (rezonátormechanika, csőtöltés, lézerbeállítás), Ádám Ferenc (tápegység).

Ezen az úton továbbhaladva arra törekedtünk, hogy reprodukálható, optimális paraméterekkel rendelkező (teljesítmény, stabilitás, élettartam, divergencia és nyalábminőség) He-Ne lézercsaládot alakítsunk ki. Embargós, illetve devizanehézségek miatt ugyanis igen sokan (főként egyetemek, kutatóintézetek, klinikák) szerettek volna tőlünk ilyen lézert szerezni. A 2. ábrán bemutatjuk az 1971–73 években kifejlesztett és több példányban elkészített három lézertípust (5-25- 50 mW lézerteljesítmény). Az 5 mW-os lézer bizonyult a legnépszerűbbnek: 100 db készült belőle. E kis méretű lézereket (40 cm rezonátorhossz) főként optikai rendszerek beállításánál és az optikai méréstechnikában alkalmazták. A nagyobb méretű, illetve teljesítményű típusokat (25 mW-nál 120 cm, 50 mW-nál 150 cm rezonátorhossz) a holográfiában és az orvosi alkalmazásoknál (sebgyógyítás) használták: a 25 mW-os lézerből 29 db, az 50 mW-os lézerből 7 darab készült.

E lézercsaláddal kapcsolatban szeretném kiemelni két technikus kollégánk tevékenységét: Tóth József tervezte és nagyrészt ő is készítette el a lézerek mechanikáját, Forgács Judit gondoskodott a lézercsövek vákuumtechnikai előkészítéséről és gázkeverékkel való megtöltéséről. Ők ketten végezték el a lézerek végső beállítását és ellenőrzését, továbbá – több mint három évtizeden keresztül – az esetleg szükséges javításokat, felújításokat is.

Az utolsó két évtizedben a He-Ne lézerek szerepét fokozatosan átvették az egyszerűen kezelhető, olcsó, hosszú élettartamú, ugyancsak vörös fényű félvezető lézerek. De még ma is He-Ne lézereket használnak ott, ahol fontos a jó fókuszálhatóság, illetve a kis spektrális sávszélesség.

Természetesen a He-Ne lézerek kutatása és a hozzá kapcsolódó fejlesztések, amelyeket az előzőkben vázoltam, a KFKI-ban folytatott kutatásoknak² csak egy kis szegmensét jelentik. De úgy gondolom, hogy ezek a munkák érdemben segítették a hazai optikai kutatások és alkalmazások előrehaladását mind a mi intézetünkben, mind az ország többi kutatóhelyein.

Irodalom

1. Maiman, T. H.: Stimulated optical radiation in ruby. Nature 187 (8. Aug. 1960), 493–494.
2. Javan, A., Bennett, W. R. Jr., Herriott, D. H.: Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing He-Ne mixture. Phys. Rev. Lett. 6 (1. Febr. 1961) 106–110.
3. Schawlow, A. L.: Optikai maserek. Fizikai Szemle 11 (1961. szept.) 263–270, (Scientific American, June 1961)
4. Bakos J., Csillag L.: A lázer. Fizikai Szemle 13 (1963. okt.) 304– 311.
5. Bakos J., Csillag L.: Lázer-típusok és alkalmazásaik. Fizikai Szemle 13 (1963. dec.) 359–367.
6. Rigrod, V. W., Kogelnik, H., Brangaccio, D. J., Herriott, D. R.: Gaseous optical maser with external concave mirrors. J. Appl. Phys. 33 (Febr. 1962) 743–744.
7. Boyd, G. D., Gordon, J. P.: Confocal multimode resonator for millimeter through optical wavelength masers. Bell Sys. Tech. J. 40 (March 1961) 489–508.
8. Bakos J., Csillag L., Kántor K., Varga P.: Ezüsttükrös nagyfrekvenciás gerjesztésű He-Ne laser. KFKI Közl. 13 (1965), 195–197.
9. White, A. D., Rigden, J. D.: Continuous gas maser operation in the visible. Proc. IRE 50 (July 1962) 1697.
10. Czitrovszky A., Farkas Gy., Bánó G. és munkatársai: Lézerfejlesztések és lézeralkalmazások a KFKI-ban, majd az SZFKI-ban. Magyar Tudomány (2005), 1499–1510.

___________________