Laserul rubinic a fost primul pe care generația a fost realizată și care este încă utilizată. Rubenul cristal este un cristal de alumină Al2O3 cu un mic aditiv (0,05%) de crom. Când se adaugă atomi de crom, cristalele rubinii transparente dobândesc o culoare roz și absorb radiația în două benzi ale regiunii ultra-violete din spectru. În total, aproximativ 15% din lumina lămpii este absorbită de cristale rubinie. Când spectrul este absorbit de ionii de crom, ionii intră în starea excitată. Ca urmare a proceselor interne, ionii de crom excitați trec la stările de la sol nu imediat, ci prin două niveluri excitate. La aceste niveluri există o acumulare de ioni și, cu o lumină suficient de puternică a lămpii cu neon, apare o populație inversă între nivelele intermediare și nivelul de bază al ionului crom.
Capetele barei rubin sunt lustruite, acoperite cu filme reflectorizante de interferență, menținând în același timp un paralel strict al capetelor unii cu alții.
Atunci când o inversare a populației se produce niveluri de ioni de crom în avalanșă rubin apare crește numărul forțat fotoni emiși și rezonatorul feedback-ul optic format prin oglinzi la capetele tijei rubin, asigură formarea unui fascicul focalizat de lumină roșie. Durata pulsului laser este de 0.0001 s. puțin mai scurt decât durata de flash-ul unei lămpi cu neon. o energie puls laser cu rubin de aproximativ 1 J.
Laserul este format din trei părți principale: un sistem de substanță activă (de lucru) rezonant constând din două plăci paralele sunt acoperite cu acoperiri reflectorizante, iar sistemul de excitație (pompa) așa cum este utilizat în mod obișnuit lampă bliț neon.
Rubalul cristal este crescut în cuptoare speciale, apoi preformă rezultată este recoace și prelucrate, dându-i forma unei tije. Lungimea tijei variază de la 2 la 30 cm, diametrul este cuprins între 0,5 și 2 cm. Uneori suprafețele de reflexie nu sunt aplicate plăcilor individuale de reflexie, ci direct la capetele barei de rubin. Suprafețele capetelor sunt de argint, suprafața unui capăt fiind complet reflexivă, cealaltă - parțial reflectorizantă. În mod tipic, transmisia luminii celui de-al doilea capăt este de aproximativ 10 până la 25%.
Laserul rubinic funcționează în principal în modul pulsatoriu și generează radiații la o lungime de undă de 0,6943 μm. Datorită posibilităților de obținere a puterilor de mare puls, si disponibilitatea de cristale de rubin optice cu laser de înaltă calitate rubin și este în prezent una dintre cele mai cunoscute lasere în stare solidă.
Tijă Ruby este plasată într-o lampă de xenon cu puls spiral, a cărei rotire acoperă-o din toate părțile. Blițul lămpii durează milisecunde. În acest timp, lampa consumă energie de câteva mii de jouli, dintre care cea mai mare parte se duce la încălzirea dispozitivului. O altă parte mai mică, sub formă de radiație albastră și verde, este absorbită de rubin. Această energie asigură, de asemenea, excitarea ionilor de crom.
Nivelele de energie Figura Cr3 + ioni în rubin este împărțit în două seturi de nivele: A) este caracteristic Cr3 stare ion + de spin S = 3/2, inferioare nivelul setat 4A2 - stare sol Cr3 + - are două subnivele cu distanțe între (Figura 2.1.) sunt 0,3 cm-1.
Cele două nivele superioare reprezintă nivelurile de absorbție rezonantă. Acestea sunt formate din șase dublete și, datorită eterogenității câmpului, sunt foarte difuze. Al doilea set de niveluri din Fig. 1, b corespunde stărilor ionilor Cr3 + cu spin S = 1/2. Nivelul 2E este metastabil, de două ori degenerat, împărțit în două subsoluri cu un interval de 29cm-1, iar nivelurile A sunt singletonele orbitale. Poziția nivelelor 3F, 2E depinde puțin de neomogenitățile cristalului și, practic, nu au o extindere. Ca urmare a interacțiunii spin-orbite a ionilor Cr3 + cu câmpul de cristal, stările electronice corespunzătoare nivelelor de energie ale cristalului sunt afectate de stări mixte. Aceasta conduce la faptul că tranzițiile radiative de la nivelurile 4F, 4F2 la 2F1 și 2E sunt interzise de regulile de selecție pentru rotire. Cu toate acestea, între aceste niveluri
Fig. 2.1. a) schema nivelurilor de energie și probabilitățile de tranziție pentru ionii Cr3 + în rubin la temperatura T = 4,2 K; b) schema de proiectare a nivelelor energetice ale substanței active a unui laser cu trei niveluri
tranziții intensive nonradiative S32
(2 ... 5) * 107c-1 cu o eliberare imensă de căldură. Când excitat de pompare optică în benzile de 4F1,4F2 schimbarea populațiilor de nivel asociate cu tranziții spontane la niveluri mai scăzute de absorbție și emisie induse și tranzițiile neradiative. Particulele cuantice excitate (ionii de crom) de la nivelul solului 4A2 trec la nivelele de absorbție rezonante de 4F1, 4F2. Durata de viață a particulelor în stare excitată este mică. Niveluri 4F1, rezultatul 4F2 unei tranziții spontane la nivelul particulelor primare cu o probabilitate 4A2 A31 = 3 * 105c-1 și o probabilitate de tranziție neradiativ S32 = (2 ... 5) 107c 1-2E stare metastabilă epuizeze rapid. Deoarece probabilitatea unei tranziții spontane de la nivelul E este mică, A21
3 * 102s-1, apoi la nivele și este posibil să se formeze o inversiune a populației particulelor. Când se atinge pragul inversiunii N = 0.5N0, apare radiația spontană și indusă.
Dacă o inversare de populație nu atinge pragul, emisia spontană se observă numai sub formă de luminescență de rubin pentru una dintre cele două linii înguste R1 (1 = 6943A) sau R2 (2 = 6929A) nivelurile c și respectiv. Eficiența cuantică în liniile R este
0.52. Aproape ruginim laserul emite pe linia R1, pentru că Probabilitatea unei tranziții în aceasta este mai mare, iar condițiile de prag sunt mult mai probabil să fie atinse. Se poate observa că nu toate statele energetice participă la generarea de radiații induse. Prin urmare, cu o anumită cantitate de eroare care etapele de absorbție și de excitație, creând inversiunea populației și radiația prezentă sub forma unui model cu trei nivele (Figura 2.1) cu tranzițiile cuantice corespunzătoare și populații. Cu toate acestea, acest lucru nu ia în considerare prezența dubletelor în rubin și nivelurile secundare, lărgirea nivelurilor, deoarece se presupune că g1 = g2 = g3 = 1. Nivelul E3 include, de obicei, benzile de absorbție verde (4F2) și albastru (4F1), care joacă un rol major în excitarea nivelurilor și. Aceste nivele se caracterizează printr-o rată ridicată de relaxare a vibrațiilor din cristal. Starea de bază E1 la o temperatură T = 300 K poate fi considerată ca un nivel de degenerare g1 = 4. Masa rubin cristal cu o concentrație de crom de 0,05%, la o temperatură T = 300 K, probabilitatea de tranziție neradiativ este de aproximativ 2 * 107c-1, și durata de viață a particulelor cuantice într-o stare metastabilă este de aproximativ 3 * 10-3s. Dacă Atragem pomparea fluxului luminos paralel cu axa Z rubin, coeficientul de absorbție pentru linia generatoare este R1-0,4 secțiunea transversală de absorbție cm-1 și este egală cu 2,5 x 10-20 cm 2 la calcule practice cu laser De obicei rubin model cu trei niveluri aproximative aplicabile state.
Ruben laserele sunt acum utilizate mai puțin pe scară largă așa cum au fost, deoarece acestea au fost înlocuite cu lasere pe bază de Nd: YAG sau lasere din sticlă de neodim. Deoarece laserul de rubin funcționează efectiv într-o schemă pe trei niveluri, energia necesară a pompei de prag este de aproximativ un ordin de mărime mai mare decât valoarea corespunzătoare pentru un laser Nd: YAG de această dimensiune. Cu toate acestea, laserele rubin sunt încă utilizate pe scară largă în unele studii științifice și tehnice pentru care o lungime de undă mai scurtă de rubinie generează un avantaj semnificativ față de Nd: YAG.
Crearea unui laser a fost posibilă după ce s-au găsit metodele de implementare a unei populații inversate de niveluri. În primul laser construit de Meiman, corpul de lucru era un cilindru fabricat din rubin. Diametrul tijei a fost de ordinul 1 cm, lungimea a fost de aproximativ 5 cm. Capetele barei au fost lustruite și au reprezentat oglinzi strict paralele.
Fig. 2.2 Dispozitivul unui generator optic pe rubin:
1 - un condensator, 2 - o lampă cu descărcare în gaz, 3 - o carcasă reflectorizantă, 4 - o tijă rubinică, 5 - o sursă de alimentare care servește la încărcarea condensatorului 1
Un capăt era acoperit cu un strat dens de opac argint, celălalt capăt acoperit cu un strat de argint care permiteau aproximativ 8% din energia care căzuse pe el. În laser, rubinul este iluminat de o lampă de xenon pulsată, care produce lumină cu o bandă largă de frecvențe.
Cristalele Ruby au rezistență mecanică mare și conductivitate termică ridicată, ceea ce facilitează răcirea cristalului.
Tabelul 1. Parametrii fizico-tehnici ai laserelor rubinice
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: