2.2 Рубиновый лазер

Созданный в 1960-г. Т. Мейманом рубиновый лазер был первым оптическим квантовым генератором и именно с его появлением связывают рождение лазерной техники.

Рабочее тело этого лазера - синтетический рубин, являющийся кристаллическим оксидом алюминия А1 0з, в котором небольшой процент алюминия замещен хромом. Оптимальное содержание Сr в матрице А1 0з составляет по массе ~0,05%/ Типичная концентрация активных ионов составляет 1О см . Трехкратно ионизованный ион хрома в кристаллической решетке рубина содержит три электрона во внешней электронной

оболочке. В процессе ионизации при образовании решетки атом хрома теряет один электрон из оболочки 4s и два из оболочки Зd. Некоторые теплофизические характеристики рубина, можно найти в табл. 6.

Рубин активно поглощает свет в зеленом и синем участках видимого спектра и излучает красную линию флюоресценции с максимумом на длине волны 0,6943 мкм и шириной при комнатной температуре ~0,4 нм.

Схема наиболее важных для работы лазера энергетических уровней нона Cr приведена на рис. 42. Лежащее в пределах полос поглощения рубина излучение лампы накачки поглощается и переводит электрон в ионе хрома на один из широких верхних уровней или . В результате эффективно протекающих безызлучательных переходов за время 10 с электрон переходит на один из метастабильных уровней Е с временем жизни при комнатной температуре ~3 мс. В рубине реализуется трехуровневая схема создания

инверсии. Нижним лазерным уровнем является основной и поэтому для получения инверсной заселенности необходимо возбудить более половины всех активных частиц, Этот недостаток, приводящий к необходимости энергичной накачки рабочего элемента отчетливо виден в данных табл. 6. Пороговый уровень возбуждения составляет для рубина ~100-1000

Дж (~50 Дж/см ).

Рис. 42 Рис. 43

Так как сечение вынужденного перехода в рубине составляет при концентрациях ионов N ~I0 см коэффициент усиления в рубине может достигать К '.

Типичные размеры кристаллов из рубина составляют 5-10 мм в диаметре и 10-15 см в длину и ограничены технологическими трудностями выращивания однородных заготовок, а также обеспечения однородного возбуждения. Дифракционная расходимость для таких размеров кристалла весьма мала ( ~ 10 рад). Однако реальная величина расходимости существенно выше и составляет обычно 10 -10 рад. Это связано с многомодовым характером излучения, а также неоднородным возбуждением и оптическими дефектами кристаллов.

Ограниченные размеры кристалла, естественно, определяют энергетические возможности рубиновых лазеров. Предельную энергию генерации в режиме с модулированной добротностью можно сравнительно просто оценить, полагая, что все активные ионы возбуждены к началу импульса излучения. Тогда энергия в импульсе

3 Дж. Реальные значения энергии излучения в режиме модулированной добротности составляют ~1Дж при длительности импульса 30 нс.

кордные значения энергии гигантского импульса достигают десятков Дж. В режиме свободной генерации полная энергия излучения за время накачки активного элемента ~1 мс может быть несколько выше, так как в силу пучкового характера генерации активные ионы могут испытывать многократное возбуждение и тушение в каждом импульсе накачки. Так как время между двумя соседними пичками составляет ~10мкс, то даже при возбуждении всех ионов в каждом печке полная энергия излучения лазера за время свободной генерации будет меньше 300 Дж. В реальных условиях эта величина, как правило, не превышает 1-100 Дж, т. е. средняя мощность излучения в режиме свободной генерации составляет ~1-10 кВт по сравнению с ~10 МВт в режиме модулированной добротности.

Существенное различие наблюдаемых энергий излучения от проведенных предельных оценок объясняется. рядом факторов. Генерация в трехуровневой системе начинается и оканчивается, когда на верхнем лазерном уровне находится более половины(~0,7) всех активных ионов. Таким образом, коэффициент использования возбужденных ионов в режиме с модулированной добротностью не превышает, как правило, 0,2-0,3. Квантовый КПД рубиновых лазеров довольно высок. Он составляет ~0,7 при комнатной температуре

и приближается к единице по мере охлаждения рубина. Учитывая реальный КПД резонатора

0,5, нетрудно понять тот факт, что реальная энергия излучения в режиме с модулированной добротностью на порядок ниже предельной [(О. 2-0. 3 ) =0,1-0,15]. Предельная энергия излучения в режиме свободной генерации ограничивается также и прочностью кристаллов, подвергающихся большим механическим нагрузкам из-за большого нагрева, связанного с высоким энерговыделением при накачке.

Полный КПД рубиновых лазеров сравнительно невысок. Учитывая только наиболее заметные потери: в разрядном контуре ( ~0,5), при преобразовании выделившейся в лампе электрической энергии в световую ( ~0,4), в отражателях ( ~0,7), а также неполное использование всего излучаемого лампой спектра ( ~0,12) и тот факт, что не все возбужденные на уровень 3 (см. рис. 42) ионы попадают на верхний лазерный уровень 2 ( ~0,7), эффективность возбуждения рубинового лазера составит

а полный КПД не превысит .

Достижимые в рубиновых лазерах-энергии излучения позволяют проводить с их помощью самые различные технологические процессы (сверление, скрайбирование, термоупрочнение). Эффективность использования импульсных твердотельных лазеров в промышленности в большой степени зависит от возможной частоты следования импульсов генерации. Эта частота определяется скоростью охлаждения кристалла, зависящей прежде всего от его температуропроводности и поперечного размера. Для рубиновых лазеров с характерным радиусом стержней R ~0,3-0,5 см время их охлаждения за счет теплопроводности составляет

(2.2)

где с , р , и - теплоемкость, плотность и теплопроводность рабочего тела соответственно. Таким образом, частота следования импульсов рубинового лазера обычно не превышает 2-5 Гц.

В заключение перечислим еще раз положительные и отрицательные свойства рубиновых лазеров. К первым необходимо отнести: генерацию лазера в видимом диапазоне длин волн и возможность достаточно частого повторения импульсов. Среди недостатков нужно указать высокую энергию накачки, низкий КПД, ограничение энергии излучения на уровне нескольких Дж, плохая расходимость излучения, невозможность реализации стационарного режима генерации и, наконец, технологическую сложность и высокую стоимость изготовления активных элементов.