Рубиновые лазеры

Физические основы и устройство рубиновых лазеров

Активная среда и энергетические уровни ионов Cr³⁺ в кристалле Al₂O₃

Рубиновый лазер использует в качестве активной среды кристалл алюминиевой окиси (Al₂O₃), легированный трёхвалентными ионами хрома Cr³⁺. Именно ионы Cr³⁺ являются активными центрами, способными к инверсной заселённости и вынужденному излучению. Концентрация легирования обычно составляет порядка 0,05%–0,5% по массе. Чистый корунд (Al₂O₃) прозрачен и не участвует в лазерном процессе, выполняя роль матрицы, в которой локализуются ионы хрома.

Энергетическая структура ионов Cr³⁺ в кристалле определяется не только их собственными уровнями, но и влиянием кристаллического поля, создаваемого окружающими ионами Al³⁺ и кислорода. В результате получается система уровней, в которой важнейшими являются:

Основное состояние: ⁴A₂
Возбуждённые состояния: ⁴T₂, ⁴T₁, ²E

Поглощение излучения происходит на переходах из основного состояния ⁴A₂ в широкие полосы возбуждённых состояний ⁴T₁ и ⁴T₂. После этого быстрая безызлучательная релаксация приводит к накоплению энергии на метастабельном уровне ²E, откуда осуществляется вынужденный переход обратно в ⁴A₂ с испусканием когерентного излучения в видимой области (694,3 нм).

Импульсный режим работы и механизм накачки

Рубиновый лазер относится к системам, работающим преимущественно в импульсном режиме. Это связано с тем, что время жизни метастабельного уровня составляет порядка 3 мс, что делает возможным накопление инверсной заселённости, но создаёт ограничение по частоте повторения импульсов.

Накачка рубинового лазера осуществляется при помощи импульсных газоразрядных ламп, чаще всего — ксеноновых, создающих широкий спектр, охватывающий полосы поглощения ионов Cr³⁺. Энергия лампы должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить значительное число ионов, перешедших на возбуждённые уровни, и достичь инверсной заселённости.

Конструкция резонатора и особенности генерации

Оптический резонатор в рубиновом лазере строится по классической схеме Фабри–Перо: кристалл рубина размещается между двумя зеркалами, одно из которых полностью отражающее, а второе — полупрозрачное, обеспечивающее выход излучения. Типичные размеры рубинового стержня составляют от 3 до 10 см по длине и 5–10 мм по диаметру.

Чтобы минимизировать потери на отражение и повысить эффективность, торцы рубинового стержня тщательно полируются и покрываются просветляющими или зеркальными покрытиями. Внутри резонатора может также применяться схема стабилизации мод — например, при помощи диафрагм или фазовых элементов.

Излучение, получаемое от рубинового лазера, обладает следующими характеристиками:

Длина волны — 694,3 нм (красный видимый диапазон)
Ширина спектральной линии — порядка 0,5 нм
Длительность импульса — от сотен наносекунд до миллисекунд
Энергия в импульсе — от миллиджоулей до десятков джоулей

Динамика инверсной заселённости и порог генерации

Инверсная заселённость в рубиновом лазере формируется за счёт различий в временах жизни уровней: возбуждённые состояния быстро релаксируют, а метастабельный уровень характеризуется значительно большим временем жизни. В результате, при соответствующем уровне накачки происходит накопление ионов на уровне ²E, формируя инверсную заселённость по отношению к основному уровню ⁴A₂.

Порог генерации определяется условием, при котором коэффициент усиления на длине кристалла превышает потери в резонаторе. Он зависит от:

Длины и качества кристалла
Коэффициентов отражения зеркал
Концентрации ионов Cr³⁺
Эффективности накачки

Увеличение мощности накачки сверх порогового значения ведёт к экспоненциальному росту генерации вплоть до насыщения.

Особенности и ограничения рубиновых лазеров

Рубиновый лазер — это один из первых реализованных типов твердотельных лазеров. Несмотря на историческую значимость и конструкционную простоту, он имеет ряд особенностей и ограничений, которые влияют на его современные применения:

Ограниченная эффективность: Квантовая эффективность сравнительно невысока, особенно по сравнению с современными Nd:YAG-лазерами.
Работа только в импульсном режиме: Из-за длительного времени жизни метастабельного уровня и относительно низкой сечения вынужденного излучения.
Низкая частота повторения импульсов: Диктуется тепловыми и релаксационными ограничениями.
Сравнительно большая длина волны: Хотя длина волны находится в видимом диапазоне, она менее эффективна для некоторых задач, где требуется ИК-излучение или УФ.

Тем не менее, в некоторых задачах рубиновый лазер остаётся востребованным благодаря своим уникальным характеристикам:

Высокая стабильность длины волны
Простота конструкции и отсутствие необходимости в сложных системах охлаждения
Способность работать в диапазоне температур, включая экстремальные условия

Области применения рубиновых лазеров

Несмотря на появление более современных твердотельных и диодных лазеров, рубиновые лазеры находят применение в следующих областях:

Лазерная локация и дальнометрия — благодаря высокой мощности импульсов и стабильной длине волны.
Голография и фотолитография — использование монохроматического источника в видимом диапазоне.
Научные исследования — спектроскопия, нелинейная оптика, изучение характеристик лазерной генерации.
Медицина — в дерматологии и офтальмологии для определённых видов лечения и хирургии.
Образовательные и демонстрационные цели — в лабораториях и университетах.

Совершенствование рубиновых лазеров и перспективы

Современные разработки, связанные с рубиновыми лазерами, касаются повышения эффективности и надёжности систем на их основе. Направления совершенствования включают:

Применение улучшенных методов синтеза кристаллов с высокой однородностью
Использование более эффективных ламп накачки и оптических систем
Внедрение схем с усилением на нескольких проходах и резонаторных конфигураций с повышенной добротностью
Интеграция рубиновых систем в более сложные гибридные лазерные комплексы

Хотя рубиновые лазеры в значительной степени вытеснены Nd:YAG, Ti:Al₂O₃ и другими твердотельными лазерами в большинстве промышленных приложений, они по-прежнему сохраняют актуальность в узкоспециализированных и научных направлениях.