Принцип работы лазера на рубине. Схема энергетических уровней рубинового лазера.

Рубиновый лазер преимущественно работает в импульсном режиме и генерирует излучение на длине волны =0,6943 мкм. Из-за возможностей получения больших импульсных мощностей, а также наличия рубиновых кристаллов высокого оптического качества рубиновый лазер и в настоящее время один из наиболее известных твердотельных лазеров.

Рубин – драгоценный материал, в чистом виде редко встречающийся в природе. Это диамагнитный кристалл окиси алюминия Al₂O₃ (-корунда) c парамагнитными примесными ионами хрома Cr³⁺. В зависимости от концентрации хрома кристалл -корунда принимает различные цвета: 0,5% Cr – ярко красная, более 8% Cr- зеленый цвет кристалла.

Рубиновые кристаллы имеют стрежневую форму диаметром 0,3-2 см и длину до 30 см. Рубиновые кристаллы оптически хорошего качества относительно легко изготавливать, они имеют большую механическую прочность и высокую теплопроводность, облегчает охлаждение кристалла.

Кристаллы рубина преимущественно выращивают пламенным методом, при котором в специальной водородно-кислородной печи располагают порошкообразные Al₂O₃ и Cr₂O₃ при температуре свыше 2000 К, реже используют метод вытягивания кристаллического стержня из расплава, содержащегося в тигле.

Ионы Cr³⁺ изоморфно замешают в кристаллической решетке -корунда ионы алюминия Al³⁺, каждый из которых находится в окружении шести ионов кислорода О^2-, образующих правильный октаэдр.

Ионный радиус Al³⁺ составляет 0,51 А; он меньше ионного радиуса Cr³⁺

(0,63 A) и поэтому ион Cr³⁺ оказывается несколько смещенным от центра октаэдра вдоль тригональной оси кристалла. Искажение симметрии кристалла приводит к внутренним напряжениям и дефектам структуры кристалла. Показатель преломления рубина для разных полярязаций и для обыкновенного луча составляет ~ 1,76. Прочность кристалла 3800 кг/см².

Рис 3. - Структуктура ячейки кристалла рубина

Диаграмма уровней энергии ионов Cr³⁺ в рубине состоит из двух наборов уровней (рис 2): а) характерен для состояния иона Cr³⁺ со спином S=3/2, нижний уровень набора ⁴А₂ – основное состояние Cr³⁺ - имеет два подуровня с расстояниями между ними 0,3 см^-1.

Два верхних уровня представляют собой уровни резонансного поглощения. Они состоят из шести дублетов и вследствие неоднородности поля сильно размыты. Второй набор уровней рис 4(б) соответствует состояниям ионов Cr³⁺ со спином S=1/2.

Рис4. (а) - схема энергетических уровней и вероятностей переходов для ионов Cr³⁺в рубине при температуре Т=4,2 К и (б) – расчетная схема энергетических уровней активного вещества трехуровневого лазера.

Уровень ²Е – метастабильный, дважды вырожденный, расщеплен на два подуровня с промежутком 29см^-1, уровни A являются орбитальными синглетами. Положение уровней ³F, ²Е мало зависит от неоднородностей кристалла, и они практически не имеют уширения. В результате спин – орбитального взаимодействия ионов Cr³⁺ c полем кристалла электронные состояния, соответствующие энергетическим уровням кристалла, сказываются смешанными состояниями. Это приводит к тому, что излучательные переходы с уровней ⁴F, ⁴F₂ на ²F₁ и ²Е запрещены правилами отбора для спина. Однако между этими уровнями осуществляются интенсивные безизлучательные переходы S₃₂~(2…5)*10⁷c^-1 c огромным выделением тепла. При возбуждении оптической накачкой в полосах ⁴F₁,⁴F₂ изменение населенностей уровней связано со спонтанными переходами на нижние уровни, индуцированным поглощением и излучением и безизлучательными переходами. Возбужденные квантовые частицы (ионы хрома) с основного увовня ⁴А₂ переходят на резонансно поглощающиеся уровни ⁴F₁, ⁴F₂. Время жизни частиц в возбужденном состоянии мало. Уровни ⁴F₁, ⁴F₂ вследствие спонтанного перехода частиц на основой ⁴А₂ уровень с вероятностью А₃₁=3*10⁵с^-1 и безизлучательного перехода с вероятностью S₃₂=(2…5)10⁷c^-1 на метастабильное состояние ²Е быстро обедняются. Так как вероятность спонтанного переходя с уровня Е мала А₂₁~3*10²с^-1, то на уровнях ивозможно образование инверсии населенности частиц. При достижении порогового значения инверсииN=0,5N₀ происходит спонтанное и индуцированное излучение.

Если инверсия населенностей не достигает порогового значения, то наблюдается только спонтанное излучение в виде люминесценции рубина на одной из двух узких линий R₁(₁=6943А), либо R₂ (₂=6929А) c уровней исоответственно. Квантовая эффективность вR-линиях составляет ~ 0,52. Практически рубиновый лазер излучает на R₁ – линии, т.к. вероятность перехода в ней выше и скорее достижимы пороговые условия. Как видно, не все энергетические состояния участвуют в процессе генерации индуцированного излучения. Поэтому с некоторой долей погрешности удобно этапы поглощения и возбуждения, создания инверсии и излучения представить в виде трехуровневой модели (рис 1 ) с соответствующими квантовыми переходами и населенностями. Однако при этом не учитываются наличие в рубине дуплетных состояний и второстепенных уровней, уширение уровней, т.к. принято g₁=g₂=g₃=1. В уровень Е₃ обычно включают зеленую (⁴F₂) и синюю (⁴F₁) полосы поглощения, играющие основную роль в возбуждении уровней и. Эти уровни характеризуются большой скоростью релаксации колебаний кристаллической решетки. Основное состояние Е₁ при температуре Т=300 К можно рассматривать как один уровень вырождением g₁=4. В кристалле рубина с массовой концентрацией хрома, равной 0,05%, при температуре Т=300 К вероятность безизлучательного перехода составляет около 2*10⁷с^-1, а время жизни квантовых частиц в метастабильном состоянии равно приблизительно 3*10^-3с. Если проводить накачку световым потоком, параллельным оси Z рубина, то показатель поглощения для генерации R₁ – линии составляет 0,4 см^-1, а поперечное сечение поглощения равно 2,5*10^-20 . Обычно при практических расчетах рубинового лазера применяется приближенная трехуровневая модель состояний.

Рубиновые лазера, в настоящее время применяются менее широко как когда то, поскольку они были вытеснены лазерами 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 размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических исследованиях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина – около 5 см. Торцы стержня были отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8% у павшей на него энергии. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот.