Лазер на рубіні був першим, на якому була здійснена генерація і який все ще знаходить застосування. Рубіновий кристал являє собою кристал оксиду алюмінію Al2O3 з невеликою добавкою (0,05%) хрому. При додаванні атомів хрому прозорі кристали рубіна набувають рожевий колір і поглинають випромінювання в двох смугах ближньої ультрафіолетової області спектра. Всього кристалами рубіна поглинається близько 15% світла лампи-спалаху. При поглинанні спектра іонами хрому відбувається перехід іонів в збуджений стан. В результаті внутрішніх процесів збуджені іони хрому переходять в основні стани не відразу, а через два порушених рівня. На цих рівнях відбувається накопичення іонів, а при досить потужний спалах неонової лампи виникає інверсна населеність між проміжними рівнями і основним рівнем іона хрому.
Торці рубінового стрижня полірують, покривають відображають інтерференційними плівками, витримуючи при цьому строгу паралельність торців один одному.
При виникненні інверсіїзаселеність рівнів іонів хрому в рубіні відбувається лавинної наростання числа вимушено випущених фотонів, і зворотного зв'язку на оптичному резонаторі, утвореному дзеркалами на торцях рубінового стрижня, забезпечує формування узконаправленного променя червоного світла. Тривалість лазерного імпульсу дорівнює 0,0001 с. трохи коротше тривалості спалаху неонової лампи. Енергія імпульсу рубінового лазера близько 1 Дж.
Лазер складається з трьох основних частин: активного (робочого) речовини, резонансної системи, що представляє дві паралельні пластини з нанесеними на них відображають покриттями, і системи збудження (накачування), в якості якої зазвичай використовується неонова лампа-спалах.
Рубіновий кристал вирощують в спеціальних печах, потім отриману заготовку отжигают і обробляють, надаючи їй форму стрижня. Довжина стрижня коливається від 2 до30 см. Діаметр від 0,5 до 2 см. Плоскі торцеві кінці роблять строго паралельними. Іноді відображають поверхні наносять не на окремі відображають пластини, а безпосередньо на торці рубінового стрижня. Поверхні торців сріблять, причому поверхня одного торця роблять повністю відображає, іншого - відбиває частково. Зазвичай коефіцієнт пропускання світла другого торця становить близько 10 - 25%.
Рубіновий лазер переважно працює в імпульсному режимі і генерує випромінювання на довжині хвилі = 0,6943 мкм. Через можливостей отримання великих імпульсних потужностей, а також наявності рубінових кристалів високої оптичної якості рубіновийлазер і в даний час один з найбільш відомих твердотільних лазерів.
Рубіновий стрижень поміщають в спіральну імпульсну ксенонової лампи, витки якої охоплюють його з усіх боків. Спалах лампи триває мілісекунди. За цей час лампа споживає енергію в кілька тисяч джоулів, велика частина якої йде на нагрівання приладу. Інша, менша частина, у вигляді блакитного і зеленого випромінювання поглинається рубіном. Ця енергія і забезпечує збудження іонів хрому.
Діаграма рівнів енергії іонів Cr3 + в рубін складається з двох наборів рівнів (рис. 2.1): а) характерний для стану іона Cr3 + зі спіном S = 3/2, нижній рівень набору 4А2 - основний стан Cr3 + - має два підрівні з відстанями між ними 0,3 см-1.
Два верхніх рівня представляють собою рівні резонансного поглинання. Вони складаються з шести дублетів і внаслідок неоднорідності поля сильно розмиті. Другий набір рівнів рис. 1, б відповідає станам іонів Cr3 + зі спіном S = 1/2. Рівень 2 Е - метастабільний, двічі вироджений, розщеплений на два підрівні з проміжком 29см-1, рівні A є орбітальними Синглет. Положення рівнів 3F, 2Е мало залежить від неоднорідностей кристала, і вони практично не мають розширення. В результаті спін - орбітальної взаємодії іонів Cr3 + c полем кристала електронні стану, відповідні енергетичним рівням кристала, позначаються змішаними станами. Це призводить до того, що випромінювальні переходи з рівнів 4F, 4F2 на 2F1 і 2Е заборонені правилами відбору для спина. Однак між цими рівнями
Мал. 2.1. а) схема енергетичних рівнів і ймовірностей переходів для іонів Cr3 + в рубін при температурі Т = 4,2 К; б) розрахункова схема енергетичних рівнів активної речовини трирівневого лазера
здійснюються інтенсивні безізлучательние переходи S32
(2 ... 5) * 107c-1 c величезним виділенням тепла. При порушенні оптичним накачуванням в смугах 4F1,4F2 зміна заселеність рівнів пов'язано зі спонтанними переходами на нижні рівні, індукованим поглинанням і випромінюванням і безізлучательнимі переходами. Збуджені квантові частинки (іони хрому) з основного рівня 4А2 переходять на резонансно поглинаються рівні 4F1, 4F2. Час життя частинок в збудженому стані мало. Рівні 4F1, 4F2 внаслідок спонтанного переходу частинок на основний 4А2 рівень з ймовірністю А31 = 3 * 105с-1 і безізлучательного переходу з ймовірністю S32 = (2 ... 5) 107c-1 на метастабільний стан 2Е швидко збіднюється. Так як ймовірність спонтанного переходячи з рівня Е мала А21
3 * 102с-1, то на рівнях і можливе утворення інверсії населеності частинок. При досягненні порогового значення інверсії N = 0,5N0 відбувається спонтанне і вимушене випромінювання.
Якщо інверсія заселеність не досягає порогового значення, то спостерігається лише спонтанне випромінювання у вигляді люмінесценції рубіна на одній з двох вузьких ліній R1 (1 = 6943А), або R2 (2 = 6929А) c рівнів і відповідно. Квантова ефективність в R-лініях становить
0,52. Практично рубіновийлазер випромінює на R1-лінії, тому що ймовірність переходу в ній вище і швидше досяжні порогові умови. Як видно, не всі енергетичні стану беруть участь в процесі генерації індукованого випромінювання. Тому з деякою часткою похибки зручно етапи поглинання і збудження, створення інверсії і випромінювання представити у вигляді трирівневої моделі (рис.2.1) з відповідними квантовими переходами і населення. Однак при цьому не враховуються наявність в рубін дуплетним станів і другорядних рівнів, розширення рівнів, тому що прийнято g1 = g2 = g3 = 1. В рівень Е3 зазвичай включають зелену (4F2) і синю (4F1) смуги поглинання, які відіграють основну роль у порушенні рівнів і. Ці рівні характеризуються великою швидкістю релаксації коливань кристалічної решітки. Основний стан Е1 при температурі Т = 300 К можна розглядати як один рівень виродженням g1 = 4. У кристалі рубіна з масовою концентрацією хрому, рівної 0,05%, при температурі Т = 300 К ймовірність безізлучательного переходу становить близько 2 * 107с-1, а час життя квантових частинок в метастабільних станів дорівнює приблизно 3 * 10-3с. Якщо проводити накачування світловим потоком, паралельним осі Z рубіна, то показник поглинання для генерації R1-лінії становить 0,4 см-1, а поперечний переріз поглинання одно 2,5 * 10-20см-2 Зазвичай при практичних розрахунках рубінового лазера застосовується наближена трирівнева модель станів.
Рубінові лазера, в даний час застосовуються менш широко як колись, оскільки вони були витіснені лазерами на основі Nd: YAG або лазери на склі з неодимом. Оскільки рубіновийлазер насправді працює за трирівневою схемою, необхідна гранична енергія накачування приблизно на порядок перевищує відповідну величину для Nd: YAG лазера таких розмірів. Однак рубінові лазери все ще широко застосовуються в деяких наукових і технічних дослідженнях, для яких коротша довжина хвилі генерації рубіна дає суттєву перевагу перед Nd: YAG.
Створення лазера стало можливим після того, як були знайдені способи здійснення інверсної населеності рівнів. У побудованому Мейманом першому лазері робочим тілом був циліндр з рубіна. Діаметр стрижня був близько 1 см, довжина - близько 5 см. Торці стрижня були відполіровані і представляли собою строго паралельні один одному дзеркала.
Мал. 2.2 Визначення оптичного генератора на рубіні:
1 - конденсатор, 2 - газорозрядна лампа, 3 - відображає кожух, 4 - рубіновий стрижень, 5 - джерело живлення, службовець для зарядки конденсатора 1
Один торець покривався щільним непрозорим шаром срібла, інший торець покривався таким шаром срібла, який пропускав близько 8% впала на нього енергії. У лазері рубін висвітлюється імпульсної ксенонової лампою, яка дає світло з широкою смугою частот.
Рубінові кристали мають велику механічну міцність і високу теплопровідність, що полегшує охолодження кристала.
Таблиця 1. Фізико-технічні параметри рубінових лазерів