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.
Рубін - дорогоцінний матеріал, в чистому вигляді рідко зустрічається в природі. Це діамагнітний кристал окису алюмінію Al2 O3 (-корунду) c парамагнітним домішковими іонами хрому Cr 3+. Залежно від концентрації хрому кристал -корунду приймає різні кольори: 0,5% Cr - яскраво червона, більше 8% Cr- зелений колір кристала.
Рубінові кристали мають стрижневі форму діаметром 0,3-2 см і довжину до 30 см. Рубінові кристали оптично хорошої якості відносно легко виготовляти, вони мають велику механічну міцність і високу теплопровідність, полегшує охолодження кристала.
Іони Cr 3+ ізоморфно замішані в кристалічній решітці -корунду іониалюмінію Al 3+. кожен з яких знаходиться в оточенні шести іонів кисню О 2. утворюють правильний октаедр.
Іонний радіус Al 3+ становить 0,51 А; він менше іонного радіусу Cr 3+
(0,63 A) і тому іон Cr 3+ виявляється кілька зміщеним від центру октаедра вздовж тригональной осі кристала. Спотворення симетрії кристала приводить до внутрішнього напруження і дефектів структури кристала. Показник заломлення рубіна для різних полярязацій і для звичайного променя становить
1,76. Міцність кристала 3800 кг / см 2.
Рис 3. - Структуктура осередку кристала рубіна
Діаграма рівнів енергії іонів Cr 3+ в рубіні складається з двох наборів рівнів (рис 2): а) характерний для стану іона Cr 3+ зі спіном S = 3/2, нижній рівень набору 4 А2 - основний стан Cr 3+ - 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 4 (б) відповідає станам іонів Cr 3+ зі спіном S = 1/2.
Ріс4. (А) - схема енергетичних рівнів і ймовірностей переходів для іонів Cr 3+ в рубіні при температурі Т = 4,2 К і (б) - розрахункова схема енергетичних рівнів активної речовини трирівневого лазера.
Рівень 2 Е - метастабільний, двічі вироджений, розщеплений на два підрівні з проміжком 29см -1. рівні A є орбітальними Синглет. Положення рівнів 3 F, 2 Е мало залежить від неоднорідностей кристала, і вони практично не мають розширення. В результаті спін - орбітальної взаємодії іонів Cr 3+ c полем кристала електронні стану, відповідні енергетичним рівням кристала, позначаються змішаними станами. Це призводить до того, що випромінювальні переходи з рівнів 4 F, 4 F2 на 2 F1 і 2 Е заборонені правилами відбору для спина. Однак між цими рівнями здійснюються інтенсивні безізлучательние переходи S32
(2 ... 5) * 10 7 c -1 c величезним виділенням тепла. При порушенні оптичним накачуванням в смугах 4 F1. 4 F2 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 увовня 4 А2 переходять на резонансно поглинаються рівні 4 F1. 4 F2. Час життя частинок в збудженому стані мало. Рівні 4 F1. 4 F2 внаслідок спонтанного переходу частинок на основою 4 А2 рівень з ймовірністю А31 = 3 * 10 5 с -1 і безізлучательного переходу з ймовірністю S32 = (2 ... 5) 10 7 c -1 на метастабільний стан 2 Е швидко збіднюється. Так як ймовірність спонтанного переходячи з рівня Е мала А21
3 * 10 2 с -1. то на рівнях
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
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 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 (4 F2) і синю (4 F1) смуги поглинання, які відіграють основну роль у порушенні рівнів
Рубінові лазера, в даний час застосовуються менш широко як коли то, 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. Один торець покривався щільним непрозорим шаром срібла, інший торець покривався таким шаром срібла, який пропускав близько 8% у полеглої на нього енергії. У лазері рубін висвітлюється імпульсної ксенонової лампою, яка дає світло з широкою смугою частот.
