2.2. Твердотельные лазеры
2.2.1. Рубиновый лазер
Впервые стимулированное излучение в оптическом диапазоне спектра красной области – 0,69 мкм с применением рубина получено в 1960 г. В основе работы рубинового лазера лежит принцип трехуровневой схемы накачки.
Основой рубина является кристалл окиси алюминия (Al2O3) с замещением некоторой части атомов Al ионами хрома Cr3+ ( 0,05 %).
Рубиновый кристалл обработан в виде стержня длиной 20-300 мм и диаметром 5-20 мм. Плоские торцовые концы стержня делают строго параллельными, шлифуют и полируют. Если отражающими пластинами резонатора являются торцы, то их серебрят.
Накачка осуществляется ксеноновой лампой накачки, работающей в импульсном режиме с длительностью около 1 мс. Электрический разряд в лампах осуществляется от батареи конденсаторов, которая предварительно заряжается от источника постоянного тока. В результате лазер излучает импульс когерентного света длительностью меньше 1 мс, т.к. нужно некоторое время для создания инверсии населенности и преодоления порога, вызванного потерями в резонаторе. Скорость повторения вспышек лампы накачки определяется временем, необходимым для охлаждения рубинового стержня и составляет обычно несколько импульсов в секунду. Для более полного использования светового потока ламп накачки стержень и лампы помещают в специальные отражатели. Импульсная мощность рубинового лазера при стержне длиной 20-25 см и диаметром 1,5 см составляет до 10-15 мДж. Основным рабочим переходом является переход с длиной волны 694,3 нм. Лазер характеризуется низким КПД – около 1 %.
В качестве резонатора используется резонатор Фабри-Перо с двумя плоскими зеркалами (резонатор открытого типа) (рис. 43). Короткие импульсы с высокой импульсной мощностью получают с помощью модулятора добротности резонатора в состав которого входят оптический затвор и поляризатор. Существует два типа оптических затворов.
Рис. 43. Оптический резонатор рубинового лазера
Простейшим является просветляющийся фильтр, прозрачность которого изменяется с увеличением интенсивности света, проходящего через него (пассивный затвор). Фильтр оптически закрыт до достижения определенной плотности потока световой энергии, что увеличивает порог генерации. При превышении этого порога фильтр просветляется (открывается), добротность резонатора возрастает и запасенная энергия излучается в виде мощного импульса. В качестве веществ для пассивных затворов используются органические красители и специальные марки стекол.
Электрооптический затвор в виде ячейки Поккельса основан на использовании изменения оптических свойств кристаллов дигидрофосфата калия или дигидрофосфата аммония под действием внешнего электрического поля. Луч, распространяющийся вдоль оптической оси кристалла не испытывает двойного лучепреломления. Если кристалл поместить между обкладками конденсатора, к которому приложено постоянное напряжение, создающее электрическое поле вдоль оси излучения, то кристалл становится двоякопреломляющим. В этом случае показатели преломления вдоль поля и перпендикулярно ему становятся различными и в ячейке, вследствие двойного лучепреломления, происходит разложение луча на два взаимно перпендикулярных, распространяющихся с разными скоростями. При выходе из ячейки лучи имеют некоторую разность фаз и, складываясь, образуют эллиптически поляризованный луч. Эксцентриситет эллипса и его ориентация зависят от разности фаз, значение которой прямо пропорционально приложенному напряжению. При определенном напряжении разность фаз достигает 180 и тогда выходящий луч будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90 по отношению к плоскости поляризации входящего в ячейку луча. Накачка лазера происходит при закрытом затворе, но в некоторый момент напряжение резко снимается и затвор открывается.
Вторым элементом модулятора добротности является призма Глана (поляризатор), выделяющая одну из компонент излучения.
В настоящее время основным типом рубиновых лазеров с модулированной добротностью является "Ятаган-1", используемый в офтальмологии и нейрохирургии, основными техническими характеристиками которого являются:
длина волны излучения – 0,694 мкм;
энергия излучения – 0,1- 0,2 Дж.
мощность излучения одного импульса длительностью 50 - 70 нс – 0,5 - 0,8 мВт;
временной интервал между импульсами в серии – 15 - 20 мкс;
диаметр пятна – 0,3 - 0,5 мм;
расходимость излучения – до 30 угл/с.
Наведение основного лазерного излучения на объект облучения осуществляется с помощью He-Ne-лазера подсветки типа ЛГ-56 с точностью наведения 0,1 мм. Модулятор добротности построен на основе фототропного затвора с просветляющимся красителем типа А-1044.
Установка состоит из следующих основных узлов: излучателя, бинокулярного микроскопа, осветителя щелевой лампы, координатного стола, стойки с рычажной системой подвески, блока питания и пульта управления.
К техническим недостаткам рубиновых лазеров следует отнести нестабильность энергии на выходе, необходимость систематических проверок и их юстировки.