ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР

Этот лазер был первым действующим лазером, на котором была получена генерация (Т. X. Майман, июнь 1960 [2, 3]) и который все еще находит при­менение в некоторых приложениях [4]. Как природный драгоценный камень рубин был известен, по крайней мере, две тысячи лет. Он состоит из природ­ного кристалла А1203 (корунда), в котором некоторые из ионов А13+ замещены ионами Сг3+. Для лазеров используются искусственные кристаллы, получен­ные путем выращивания из расплава смеси А1203 и небольшой части Сг20з (~0,05 вес. %) [4]. Без добавления Сг203 формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцветным. Благодаря наличию у ионов Сг3+ сильных зеленых Я фиолетовых полос поглощения, достаточно добавить совсем немного Сг20з* чтобы придать кристаллу розовый оттенок (розовый рубин). В природных дра* гоценных камнях концентрация Сг3+ приблизительно на порядок боль
чем в искусственных, что придает им насы­щенную красную окраску (красный рубин).

Энергетические уровни рубина образуют­ся за счет трех электронов внутренней Зй - оболочки иона Сг3+, находящихся под дей­ствием октоэдрического поля решетки А1203.

Соответствующие уровни, представляющие интерес с точки зрения лазерной генерации, показаны на рис. 9.1. Используемые здесь обозначения для уровней взяты из теории групп, и в дальнейшем здесь обсуждаться не будут. В рамках данной книги достаточно заметить, что верхний индекс слева от символа указывает мультиплетность состояний, в то время как сам символ указывает специфическую осевую симметрию состояния. Так, например, ос­новное состояние 4А2 имеет мультиплетность (2Б + 1) = 4, т. е. £ = 3/2, где 5 — суммарное спиновое квантовое число трех Зс^-электронов. Это означает, что в этом случае все спины указанных электронов параллельны.

Рубин имеет две главные полосы накачки 42?1 и 4Р2^ причем наиболее ин­тенсивные переходы на эти полосы из основного уровня 4А2 приходятся на длины волн 550 нм (зеленый) и 420 нм (фиолетовый) соответственно (см. так­же рис. 6.7). Эти две полосы связаны очень быстрой (порядка пикосекунд) безызлучательной релаксацией с состояниями 2А и Е, которые вместе фор­мируют состояние 2Е. Состояния 2А и Е также связаны друг с другом очень быстрой безызлучательной релаксацией, что приводит к быстрой термоли - зации их населенности. Последнее обстоятельство, в свою очередь, приводит к более высокой заселенности уровня Е. Поскольку суммарный спин состоя­ния 2Е равен 1/2, переход 2Е —» 4А2 является запрещенным по спиновому чис­лу. По этой причине время релаксации уровней 2А и Е в основное состояние очень велико (т = 3 мс), являясь фактически одним из самых продолжитель­ных среди всех твердотельных лазерных материалов.

Из проведенного выше рассуждения видно, что уровень Е накапливает наибольшую долю энергии накачки, и, следовательно, этот уровень хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Действительно, лазерная гене­рация обычно происходит на переходе Е —>4А2 линия) на длине волны Хг = 694,3 (красный). Однако следует заметить, что расстояние между уров­нями 2АиЕ по частоте (~29 см-1) мало по сравнению с величиной кТ/к (~209 см“1 при Т = 300 К), таким образом, населенность уровня 2А сравни­ма с населенностью уровня Е или немного меньше ее. Из этого следует, что также возможно получить генерацию и на переходе 2А -» 4А2 (В2 линия, от = 692,8 нм). Так или иначе, очевидно, что рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (и вместе с Ег лазером на стекле он составляет наиболее примечательный пример трехуровневого лазера). Как уже было показано (в связи с рис. 2.10), переход при комнатной температуре преимущест­венно однородно уширен, и это уширение обусловлено взаимодействием ио­нов Сг3+ с фононами решетки. Ширина перехода (измеренная на полувысо - те) составляет Ду0 ^11 см-1 (330 ГГц) при Т = 300 К. В табл. 9.2 приведены

Некоторые оптические и спектроскопические характеристики рубина при комнатной температуре.

Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме. При этом для накачки используется импульсная ксеноновая лампа среднего давления (500 мм рт. ст.) в конфигурации, приведенной на рис. 6.1. Диаметр стержня обычно составляет 5-10 мм, а длина стержня 5-20 см. Следует отметить, что спиральная лампа-вспышка, окружающая активный стержень, использова­лась в самых ранних рубиновых лазерах. Поскольку данный лазер работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки прибли­зительно на порядок превышает соответствующую величину для других твер­дотельных лазеров, работающих по четырехуровневой схеме (например, не­одимовые лазеры). Благодаря большому времени жизни верхнего состояния рубиновые лазеры могут работать в режиме модуляции добротности, а из-за относительно большой ширины линии генерации они позволяют формиро­вать очень короткие импульсы (-5-10 пс) в режиме синхронизации мод. Для осуществления этих режимов могут использоваться как активные, так и пас­сивные методы реализации. В случае, когда для модуляции добротности ис­пользуются медленно насыщающиеся поглощающие вещества, лазер имеет тенденцию работать в режиме одной продольной и поперечной моды вследст­вие механизма селекции мод, который обсуждался в разделе 8.4.2.4. В слу­чае использования быстро насыщающихся поглотителей (обычно растворы красителей из цианина) можно одновременно осуществить работу и в режи­ме модуляции добротности, и в режиме синхронизации мод (см. рис. 8.28а). При этом обычно достигаются пиковые мощности порядка нескольких де­сятков МВт в режиме модуляции добротности и нескольких ГВт, когда до­полнительно используется режим синхронизации мод. Поскольку усиление линии #2 несколько меньше, чем линии Ни то генерация на линии Я2 может осуществляться при использовании, например, дисперсионной системы рис. 7.166. Рубиновый лазер может также работать в непрерывном режиме»

При этом используется поперечная накачка ртутной лампой высокого давле­ния или продольная накачка Ar лазером.

Рубиновые лазеры, когда-то очень популярные, используются на сего­дняшний день достаточно редко (вследствие их более высокого порога гене­рации). Со временем они были вытеснены более перспективными лазерами, например Nd:YAG лазерами или лазерами на стекле с неодимом. В прошлом рубиновые лазеры активно использовались для военных целей при измере­нии дальности, теперь этот лазер полностью заменен другими твердотельны­ми лазерами (Nd: YAG, стекло с неодимом, Yb:Er на стекле). Однако рубино­вые лазеры все еще находят применение в некоторых научных и техниче­ских приложениях, для которых более короткая длина волны генерации рубина по сравнению с, например, Nd:YAG дает существенное преимущест­во. Например, они используются в импульсной голографии, где Nd:YAG ла­зеры не могут быть применены вследствие недостаточной чувствительности (в более длинноволновом инфракрасном диапазоне) фотографических мате­риалов с высоким разрешением.