Устройство рубинового лазера
По химическому составу рубин представляет собой Al2O3 с небольшой примесьюCr2O3 . активным элементом лазера служит кристалл рубина, имеющий удлиненную цилиндрическую форму. Роль резонатора выполняют тщательно отполированные и посеребренные торцы самого рубинового стержня, один из которых является полупрозрачным (частично отражающим). Инверсная населенность достигается с помощью вспомогательного излучения, которое дает импульсная газоразрядная лампа, в виде спирали, окружающая рубиновый стержень.
В явлении генерации света участвуют только ионы хрома (алюминий и кислород являются инертными). Поглощая энергию от лампы вспышки в синей и зеленой областях видимого света, ионы Crпереходят из основного состоянияЕ0 и возбужденные, которые представляют собой две группы тесно расположенных энергетических уровней (энергетические полосыЕ1 и Е2) (рис. 4). В этих состояниях ионы находятся очень короткое время (~ 10-7сек) и затем безизлучательно переходят на нижерасположенный энергетический уровеньЕ3 , отдавая избыток энергии в виде тепла, нагревающего кристалла рубина.
Рис. 4.
Схема энергетических уровней хрома
Это промежуточное возбужденное состояние Е3 является метастабильным, потому что ион хрома может находиться на нем сравнительно долго (~ 10-3сек). В течение этого времени ионы накапливаются на метастабильном уровнеЕ3 , в результате чего число таких ионов становится больше числа ионов в основном состоянии, т.е. между этими уровнями возникает инверсная населенность. Спонтанный переход хотя бы одного из возбужденных ионов хрома с уровняЕ3 наЕ0 воздействует на соседние ионы, вызывая их вынужденные переходы, сопровождающиеся излучением одной и той же частотыν:
Фотоны, которые движутся не параллельно продольной оси кристалла, покидают его, проходя через прозрачные боковые стенки. Фотоны, испускаемые вдоль оси, многократно отражаются от его зеркальных торцов и на своем пути вызывают индуцированное излучение все большего числа ионов. При достаточно большой инверсной населенности усиление излучений в рубине вследствие индуцированных переходов будет превышать потери на поглощение в зеркалах и на других частицах самого кристалла, в результате чего лавинообразно нарастает поток фотонов. Достигнув достаточной мощности, излучение выходит наружу через полупрозрачный торец рубинового стержня.
Луч лазера существенно отличается от обычного луча света, что и определяет его широкое применение. Лазерное излучение когерентно, почти монохроматично, полностью поляризовано и распространяется в виде узкого параллельного пучка с очень малым углом расхождения. Путем оптической фокусировки такого пучка можно получить исключительно высокую концентрацию световой энергии на ничтожно малом участке вещества. В связи с этим в биологии и медицине сфокусированное излучение лазера используется в качестве тончайшего хирургического инструмента, с помощью которого можно избирательно разрушить микроскопические элементы структуры тканей с исследовательской или медицинской целью. В частности, оно применяется, например, для хирургических вмешательств на сетчатой оболочке глаза.