Принцип работы рубинового лазера

Твердотельные лазеры — лазеры, в которых активным веществом являются диэлектрические кристаллы и стёкла, содержащие ионы редкоземельных или переходных элементов, энергетические уровни которых используются для создания инверсии населённостей. Полупроводниковые лазеры, являясь также твердотельными, выделяются в особую группу, т. к. в них используются не квантовые переходы между энергетическими уровнями «рабочих» ионов, а квантовые переходы между разрешёнными энергетическими зонами полупроводников. Твердотельные лазеры находят широкое применение как в фундаментальных научных исследованиях, так и в промышленности и медицине, что обусловлено главным образом возможностью достижения большой удельной энергии и импульсной мощности генерации благодаря высокой концентрации активных частиц. К 1982 г. лазерный эффект был обнаружен более чем у 250 диэлектрических кристаллов с примесями. Среди них можно выделить группу т.н. оксидных лазерных кристаллов и группы фторидных кристаллов.

Большинство твердотельных лазеров работает в импульсном режиме. Если для накачки твердотельных лазеров используется лампа с длительностью импульса ДtН ~ 10−3, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздывание начала генерации по сравнению с импульсом накачки обусловлено тем, что для развития генерации необходимо превысить пороговое значение инверсии населённостей, после чего усиление за один «проход» рабочего объёма начинает превышать суммарные потери энергии в зеркалах резонатора за счёт поглощения и рассеяния света, а также за счёт полезного излучения. Режим работы твердотельных лазеров, когда длительность лазерного импульса ДtН? ДtЛ, называется режимом свободной генерации. Он характеризуется тем, что импульс генерации состоит из совокупности множества хаотических коротких (10−6 с) пичков (пичковый режим).

В построенном Т. Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой — таким слоем серебра, который пропускал около 8% упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al2O3), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. Красный цвет кристалла рубина обусловлен излучением иона хрома Cr3+, который в кристаллической решетке замещает ион Al3+. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Cr3+, в темно-красном рубине концентрация Cr3+ достигает 1%. Кристалл рубина имеет две полосы поглощения: в зеленой и в голубой части спектра. Помимо этих полос имеются два узких энергетических уровня, при переходе с которых на основной уровень атом излучает свет с длинами волн л = 694,3 нм и л = 692,8 нм. Ширина этих линий ~0,4 нм, вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для линии 692,8 нм (т.к. эта вероятность обратно пропорциональна частоте в кубе н-3). При облучении рубина белым светом голубая и зеленые части спектра поглощаются, а красная отражается.

Кристалл рубина выращивают в виде круглого цилиндра длиной L? 5 см и диаметром d? 1 см. Ксеноновая лампа, имеющая форму цилиндра, и кристалл рубина помещаются в зеркальную полость с эллиптическим сечением в фокусы эллипса. Благодаря этому обеспечивается практически полная фокусировка излучения накачки. Один из торцов кристалла рубина срезают так, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение в рубине, а другой торец — под углом Брюстера. Такой срез обеспечивает выход из кристалла излучения с соответствующей линейной поляризацией. Далее по ходу луча располагают полупрозрачное зеркало.

При поглощении света ионы хрома Cr3+ (в таком виде хром находится в кристалле рубина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~10−3 с) примерно в 105 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильногов состояния переходят в основное, излучая фотон с л = 6943Е. Под действием фотонов такой же длины волны, т. е, при вынужденном излучении переход ионов хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот:

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Схема нижних энергетических состояний иона Cr3+ в рубине следующая:

Время жизни уровня 3 очень мало (~10−8 с). В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Однако большинство ионов перейдет на метастабильный уровень 2 (вероятность такого перехода значительно больше, чем перехода с 3 на 1 уровень). При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, происходит инверсия уровней 1 и 2.

Переход R2 с 2 уровня (метастабильного) на 1 (основной) является спонтанным. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход R1), которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение и т. д. В результате образуется каскад фотонов. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Поэтому лазерным является переход с 2 уровня на 1, и соответствующее излучение находится в красной части спектра при 693,4 нм.

До начала импульса ионы хрома находятся в основном состоянии. Свет накачки переводит большинство ионов в возбужденное состояние. Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кристалла). Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается, т.к. фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов. Когда пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла.

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (с частотой порядка нескольких импульсов в минуту). Кристалл возбуждается с помощью импульсного источника света, и часть энергии (обычно очень небольшая) излучается в виде лазерного пучка; это излучение является когерентным, квазимонохроматичным и имеет высокую степень направленности. Однако лазер не является «источником» энергии, потому что в действительности только очень небольшая доля входной энергии перекачивается в пучок. Тем не менее некоторые современные лазеры дают вспышки излучения, в которых за 10−12 с излучается энергия, равная десяткам джоулей. Внутри кристалла выделяется большое количество тепла. Поэтому его приходится интенсивно охлаждать, что осуществляется с помощью жидкого воздуха.