Описание принципа работы лазера на рубине

Если инверсия населенностей не достигает порогового значения, то наблюдается только спонтанное излучение в виде люминесценции рубина на одной из двух узких линий R1(l1=6943А), либо R2 (l2=6929А) c уровней и соответственно. Квантовая эффективность в R-линиях составляет ~ 0,52. Практически рубиновый лазер излучает на R1-линии, т.к. вероятность перехода в ней выше и скорее достижимы пороговые условия. Как видно, не все энергетические состояния участвуют в процессе генерации индуцированного излучения. Поэтому с некоторой долей погрешности удобно этапы поглощения и возбуждения, создания инверсии и излучения представить в виде трехуровневой модели (рис.2.1) с соответствующими квантовыми переходами и населенностями. Однако при этом не учитываются наличие в рубине дуплетных состояний и второстепенных уровней, уширение уровней, т.к. принято g1=g2=g3=1. В уровень Е3 обычно включают зеленую (4F2) и синюю (4F1) полосы поглощения, играющие основную роль в возбуждении уровней и . Эти уровни характеризуются большой скоростью релаксации колебаний кристаллической решетки. Основное состояние Е1 при температуре Т=300 К можно рассматривать как один уровень вырождением g1=4. В кристалле рубина с массовой концентрацией хрома, равной 0,05%, при температуре Т=300 К вероятность безизлучательного перехода составляет около 2*107с-1, а время жизни квантовых частиц в метастабильном состоянии равно приблизительно 3*10-3с. Если проводить накачку световым потоком, параллельным оси Z рубина, то показатель поглощения для генерации R1-линии составляет 0,4см-1, а поперечное сечение поглощения равно 2,5*10-20см-2 Обычно при практических расчетах рубинового лазера применяется приближенная трехуровневая модель состояний.

Рубиновые лазера, в настоящее время применяются менее широко как когда-то, поскольку они были вытеснены лазерами на основе Nd:YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки приблизительно на порядок превышает соответствующую величину для Nd:YAG лазера таких размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических исследованиях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы стержня были отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала.

Рис. 2.2 Устройство оптического генератора на рубине:

1 – конденсатор, 2 – газоразрядная лампа, 3 – отражающий кожух, 4 – рубиновый стержень, 5 – источник питания, служащий для зарядки конденсатора 1

Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8% упавшей на него энергии. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот.

Рубиновые кристаллы имеют большую механическую прочность и высокую теплопроводность, что облегчает охлаждение кристалла.

Таблица 1. Физико-технические параметры рубиновых лазеров