Рубиновый лазер

Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al₂O₃(корунд), в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al₂O₃: Cr³⁺). Активными центрами являются ионы хрома Cr³⁺. В лазерах обычно используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,05% (приблизительно 1.6*10¹⁹ионов в см³). Кристалл имеет высокую механическую прочность и теплопроводность, легко выращивается до больших размеров без потери высокого оптического качества.

Схема энергетических уровней рубина представлена на рисунке 1.

За счет взаимодействия атомов хрома с кристаллической решеткой образуются широкие энергетические зоны ⁴F₁ и ⁴F₂, обеспечивающие поглощение рубина в диапазоне от 3000 до 6400 A с максимумами в области 4100 и 5600 A.

Рабочим переходом в рубине является переход между уровнями ²E и ⁴A₂. Состояние ²E является метастабильным и имеет время жизни около 10^-3 c. Переход между уровнями соответствует линиям R₁ и R₂ с длиной волны 6943 и 6929А. В этих линиях сосредоточено около 65% общего потока люминесценции рубина. Лазерное излучение в рубиновом кристалле может быть получено как на линии R₁(6943А), так и на линии R₂(6929А). На практике же из-за более низких пороговых мощностей накачки и больших вероятностей перехода для линии R₁ лазеры работают в основном на длине волны 6943A.

Инверсия заселенности в рубине между уровнями ²E -⁴A₂ - создается за счет использования трехуровневой системы. Уровни ⁴F₁ и ⁴F₂ объединены для удобства в один третий уровень (Рис. 1).

Возбуждение рубина (уровень 3) происходит за счет поглощения энергии от источника накачки с плотностью ρ(ν₁₃) и перехода атомов хрома с первого (⁴A₂) состояния. Атомы хрома, оказавшись на 3 уровне, могут перейти на 1 уровень (A₃₁ ≈ 3 * 10⁵ c^-1) и на 2й (A₃₂ ≈ 10⁸ c^-1). Со 2го уровня атомы переходят в основное 1 состояние с излучением R линий. За счет разницы во временах жизни уровней 3 и 2 (t₃ ˂˂ t₂) на 2 уровне происходит накопление возбужденных атомов. Уравнения баланса для трехуровневой системы имеют вид:

n₁ + n₂ + n₃ = n

n₁ρ₁₃B₁₃ - n₃(ρ₃₁B₃₁ + A₃₁ + A₃₂) = 0 (1)

n₃ A₃₂ - n₂A₂₁ = 0,

где n₁, n₂ и n₃ - концентрация атомов на уровнях 1, 2 и 3.

Из уравнения баланса можно определить концентрацию атомов на 1, 2 и 3 состояниях.

n₁ = n[(ρB₁₃ + A₃₂ + A₃₁)A₂₁] / [A₂₁( A₃₁ + A₃₂) + (2A₂₁ + A₃₂) ρB₃₁] (2)

n₂ = n[A₃₂ ρB₁₃] / [ A₂₁( A₃₁ + A₃₂) + (2A₂₁ + A₃₂) ρB₃₁] (3)

n₂ = n[A₂₁ ρB₁₃] / [ A₂₁( A₃₁ + A₃₂) + (2A₂₁ + A₃₂) ρB₃₁] (4)

Зависимость концентрации атомов на уровнях 1, 2 и 3 от плотности накачки можно представить графически (Рис. 2)

Анализ результатов расчета показывает, что при увеличении плотности накачки различие во временах жизни атомов на уровнях 2 и 3 приводит к перераспределению концентрации атомов между уровнями таким образом, что при плотности накачки ρ > ρ_nop на уровне 2 атомов становится больше, чем на уровне 1. Наблюдается инверсная заселенность.

Δn = n₂ – n₁ > 0  (5)

Создаются условия для усиления индуцированного излучения.

lim Δn = lim(n₂ – n₁) = lim[n(A₃₂ - A₂₁) / (2A₂₁ + A₃₂)]

ρ→∞ ρ→∞ ρ→∞ (6)

ρ_nop = [A₂₁(A₃₂ + A₃₁)] / [B₃₁(A₃₂ – A₂₁)] (7)

Чем больше разница между A₃₂ и A₂₁, тем при меньших плотностях накачки наступает инверсная заселенность.

Для возбуждения рубина чаще всего используются импульсные ксеноновые газоразрядные лампы. Большая эффективность накачки достигается за счет размещения ламп и кристаллов рубина в фокальной плоскости отраженных эллипсоидов (рис. 3).

Рубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозём, корунд, лейко-сапфир или просто сапфир)Al₂O₃ с замещением части ионов Al³⁺ на Cr³⁺. Нелегированный корунд— кристалл, по твёрдости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны— 1,76). Теплоповодность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растёт, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди.

Природные рубины с густо-красной окраской, которую создаёт большая концентрация хрома (порядка одного процента), высоко ценимые ювелирами, для лазерной техники непригодны. Природные рубины имеют много дефектов, внутренних напряжений, посторонних химических примесей и макровключений, и не достигают нужных для лазерной техники размеров. Концентрация хрома в них существенно выше оптимальной. Поэтому в лазерной технике применяют только синтетические монокристаллы розового рубина со строго нормированными химсоставом и оптическими характеристиками.