6.2.1. Рубиновый лазер

Этот лазер был первым, на котором была осуществлена генерация . Майман, июнь 1960 г. [2, 3]) и который все еще находит применение. Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл (корунд), в котором ряд ионов замещены ионами Кристаллы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, обычно получают путем выращивания из расплава смеси и небольшой части (~0,05 вес. %). Без добавления формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцветным, и необходимо добавить совсем немного чтобы кристалл приобрел розовый оттенок (розовый рубин) вследствие наличия у ионов зеленой и фиолетовой полос поглощения. Заметим, что в природных драгоценных камнях концентрация приблизительно на порядок больше, чем в искусственных, что придает им насыщенную красную окраску (красный рубин).

Энергетические уровни рубина образуются за счет трех электронов во внутренней оболочке иона находящихся под действием октаэдрического поля решетки На рис. 6.1 приведены основные уровни, представляющие интерес для лазерной генерации. Используемые здесь обозначения для уровней

получаются из теоретико-группового анализа состояний ионов в кристаллах и в дальнейшем здесь обсуждаться не будут. Для нашей цели достаточно заметить, что верхний индекс слева от каждой буквы указывает на мультиплетность состояния. Так, например, основное состояние имеет мультиплетность где — суммарное спиновое квантовое число трех -электронов. Отсюда следует, что в данном случае параллельны все спины этих электронов. Рубин имеет две основные полосы поглощения причем наиболее интенсивное поглощение на эти полосы из основного состояния происходит на длине волны соответственно 0,55 мкм (зеленая) и 0,42 мкм (фиолетовая) (см. также рис. 3.5, б).

Рис. 6.1. Упрощенная схема энергетических уровней рубина.

Эти полосы связаны очень быстрой (за время порядка безызлучательной релаксацией с состоянием как так и Поскольку эти два последних состояния также связаны друг с другом очень быстрой безызлучательной релаксацией , то их населенности термализуются, что приводит к более высокой населенности уровня Однако время релаксации в основное состояние как уровня так и Е, довольно большое, поскольку, как уже отмечалось, оба перехода запрещены как электродипольно, так и по спину (на переходе между состояниями происходит изменение суммарного спина).

Из проведенного выше рассуждения теперь ясно, что на уровне накапливается большая доля энергии накачки, и, следовательно, этот уровень хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Действительно, лазерная генерация в рубине имеет место на переходе (линия с длиной волны нм (красная). Однако следует заметить, что расстояние между и Е по частоте мало по сравнению с , следовательно, населенность уровня

сравнима с населенностью уровня или немного меньше ее. Кроме того, мы видим, что можно также получить генерацию и на переходе нм). Усиление на линии несколько меньше, чем на Поэтому лазерная генерация на линии может быть получена с помощью, например, дисперсионных резонаторов, показанных на рис. 5.4. Из предыдущего рассмотрения очевидно, что рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме и вместе с лазером на стекле с ионами он составляет наиболее примечательный пример трехуровневого лазера. Заметим, что переход как уже упоминалось в связи с рис. 2.9, преимущественно однородно уширен при комнатной температуре. При этом уширение обусловлено взаимодействием ионов с фононами решетки. Ширина перехода, измеренная на полувысоте, составляет при Это делает рубин привлекательным материалом для получения генерации коротких импульсов при работе в режиме синхронизации мод.

Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме. При этом для накачки используется импульсная ксеноновая лампа среднего давления мм рт. ст.) в конфигурации, приведенной на рис. или (чаще) в конфигурации рис. 3.1, а. Диаметр стержня обычно составляет 5—10 мм, а длина стержня 5—20 см. Рубиновый лазер имеет следующие выходные параметры: 1) в режиме модуляции добротности его мощность в одиночном гигантском импульсе длительностью 10—20 не составляет в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе длительностью равна нескольким гигаваттам. При накачке ртутными лампами высокого давления лазеры на рубине могут работать также и в непрерывном режиме.

Рубиновые лазеры, когда-то очень популярные, теперь применяются менее широко, поскольку они были вытеснены такими конкурентами, как лазеры 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 же размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических приложениях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd: YAG-лазером (например, в импульсной голографии, где Nd:YAG нельзя использовать из-за малой чувствительности фотопленки в более длинноволновом диапазоне генерации Nd : YAG-лазера). Стоит также отметить, что в

прошлом рубиновые лазеры активно использовались для военных целей при измерении дальности, где этот лазер теперь полностью заменен Nd : YAG-лазером и лазером на стекле с неодимом.