Рубиновый лазер

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР

Предыстория

Рубиновый лазер является первой рабочей моделью квантового генератора. Он был сконструирован и запущен в 1960 году Теодором Мейманом (Theodore Maiman) в научно-исследовательской лаборатории Хьюза, в городе Малибу, США. Предпосылкой создания лазера был ряд теоретических и экспериментальных исследований по спектральным свойствам рубина. Хотя некоторые ученые, к примеру Н.Г. Басов, утверждали, что свойства рубина не позволят использовать его в качестве активного элемента лазера.

Рис. 1. Др. Теодор Мейман со своим лазером.

Тем не менее, рубиновый лазер был создан и была продемонстрирована его способность излучать интенсивный, очень узкий луч красного света одной длины волны. Долгое время лазер на рубине различных модификаций использовался для решения широкого спектра научных и прикладных задач. Однако он имеет существенный недостаток заключающийся в том, что он функционирует по трехуровневой схеме и поэтому требует высоких уровней энергии накачки и может работать только в импульсном режиме. Разработанные позже более экономичные твердотельные лазеры, способные к тому же работать в непрерывном режиме, постепенно вытеснили рубиновый лазер. Тем не менее до сих пор он остаётся востребованным источником интенсивных импульсов красного когерентного света, которые не способны генерировать другие лазеры, для таких применений, к примеру, как импульсная голография на фотопластинках большой площади.

Рис. 2. Статья Т. Меймана в Nature с сообщением о полученной лазерной генерации на кристалле рубина облучаемом лампой вспышкой.

Кристалл рубина

Рубин это кристалл корунда Al2O3 , в котором небольшая часть атомов алюминия замещена атомами хрома . В лазерных кристаллах это обычно 0,05% весовых единиц, что соответствует концентрации ионов 1,6·1019 см-3 . При этом корунд, который является бесцветным прозрачным кристаллом, окрашивается в розовый цвет. Атомы хрома в кристаллической решетке отдают 3 самых слабосвязанных электрона внешнему окружению и превращаются в ионы хрома Cr3+ . Именно ионы хрома ответственны за лазерную генерацию.

Корунд, который в данном случае играет роль твердого “растворителя” для ионов хрома, выбран не случайно. Во-первых, он абсолютно прозрачен для световых волн, использующихся как для возбуждения ионов хрома, так и для самого лазерного излучения. Во-вторых, обладает прекрасными механическими, химическими и термическими свойствами. В-третьих, у него наибольшая среди всех лазерных кристаллов тепловая проводимость, - 42 wmk при комнатной температуре, что намного выше, чем у такого популярного и распространенного в лазерной технике кристалла, как алюмо иттриевый гранат YAG (11 wmk ). И в четвертых, этот кристалл идеально подходит для замены алюминия на хром, так как оба иона трехвалентные и их ионные радиусы близки друг к другу: 62 пм у хрома и 53 пм у алюминия.

В качестве лазерных кристаллов используются искуственно выращенные тонкие цилиндрические стержни рубина с диаметром от 3 до 25 мм и длиной до 20 см (рис. 3).

Рис. 3 Искусственно выращенный стержень рубина.

Интересно отметить, что рубин встречается в естественном виде в природе и считается драгоценным камнем.

Рис. 4. Необработанный кристалл рубина.

Рис. 5. Ювелирное украшение из ограненного рубина.

Уровни энергии

Как известно химические и оптические свойства элементов главным образом определяются электронами на незаполненных атомных оболочках. Электронная конфигурация иона Cr3+ имеет следующую структуру: Электронная конфигурация Cr3+ . Имеется одна незаполненная внешняя оболочка с тремя эквивалентными d электронами. Данные эквивалентные электроны в силу нецентральной симметрии внутриатомного электрического поля, действующего на каждый электрон, формируют следующие термы (состояния с разной энергией) : шесть дублетных ^2P, ^2D (2 терма), ^2F, ^2G, ^2H и два квартетных ^4P, ^4F по спину терма. Дублетные термы имеют суммарный электронный спин S, равный 1/2, квартетные 3/2. Согласно эмпирическому правилу Хунда самым нижним термом является терм с максимальной мультиплетностью, то есть с максимальным суммарным спином электронов, и при данной мультиплетности, с максимальным значением полного орбитального момента. Таким образом нижним термом является терм ^4F , у которого S = 3/2, L = 3. Ближайшим к нему термом с большей энергией является терм ^2G , у которого S = 1/2 и L = 4. Это установлено расчетами и экспериментом. Именно эти два терма принимают активное участие в осуществлении лазерной генерации. Они вырождены по всем возможным ориентациям векторов и . Кратность вырождения, то есть количество подуровней с одинаковой энергией, определяется формулой

и составляет 28 для терма ^4F , и 18 для ^2G .

В кристаллической решетке рубина ионы хрома имеют отличную структуру уровней энергии, от той, которой обладают свободные ионы. Каждый ион хрома окружен шестью ионами O2- , находящимися в вершинах октаэдра, и создающими в месте расположения иона хрома сильное электрическое поле октаэдрической симметрии (рис. 6, 7). На самом деле октаэдр несколько искажен вдоль оси третьего порядка, в силу чего реальное поле имеет более низкую симметрию C3v .

Рис. 6. Окружающие ион хрома шесть ионов кислорода расположены в вершинах октаэдра.

Рис 7. Структура кристалла корунда. Напомним, что в кристалле рубина часть ионов алюминия замещена ионами хрома.

В результате эффекта Штарка, вызванного электрическим полем близлежащих ионов, вырождение термов частично снимается и они расщепляются на группы уровней (рис. 8). Обозначения уровней отвечают классификации, принятой для ионов, связанных в кристаллической матрице. Каждый набор уровней маркируется своим символом, как это принято для обозначения неприводимых представлений в теории групп, - основном математическом аппарате, исследующим влияние симметрии на физические системы.

Рис. 8. Энергетическая структура иона Cr3+

в кристалле рубина и схема переходов в лазере.

В сильном поле октаэдрической симметрии ^4F терм расщепляется на три подуровня - один орбитальный синглет 4А2 и два орбитальных триплета 4T1 и 4T2 (часто при описании рубинового лазера они обозначаются как 4F1 и 4F2 ). 4А2 подуровень является самым нижним, то есть основным. Вследствие того, что поле в рубине не чисто октаэдрическое, этот уровень дополнительно расщепляется на два подуровня, расстояние между которыми составляет около $0,38 cm^{-1}$ . Уровни 4T1 и 4T2 также расщепляются на ряд перекрывающихся дублетов, образуя широкие полосы энергетических состояний. В свою очередь терм ^2G в кристаллическом поле расщепляется на 4 группы уровней. Самый нижний уровень, обозначаемый как , вовлечен в процесс лазерной генерации в роли верхнего уровня лазерного перехода. Он состоит из двух подуровней, обозначаемых и , которые разнесены по энергии на 29cm-1 .

Лазерные переходы

Лазер, как отмечалось выше, работает по трехуровневой схеме. При комнатной температуре населен только нижний уровень 4А2 , остальные практически не заселены. Накачка в первых и некоторых последующих моделях лазера осуществлялась широкополосным излучением ксеноновой лампы-вспышки с уровня 4А2 в группы уровней 4T1 и 4T2 . Это сильные разрешенные переходы, так как состояния имеют разные электронные конфигурации и одинаковый спин. Поглощение происходит в зеленой и фиолетовой областях видимого света с центрами 0,56 и 0,41 мкм. Ширина полос поглощения порядка 100 нм. Эти полосы хорошо наблюдаются в обычном спектре поглощения рубина (рис. 9).

Рис. 9. Спектр поглощения рубина в оптическом диапазоне.

С возбужденных состояний ионы хрома стремятся различными способами перейти на нижележащие уровни. Безызлучательные переходы между состояниями 4T1 , 4T2 и состоянием имеют намного большую вероятность, чем прямые переходы в основное состояние. Время жизни уровней 4T1 и 4T2 относительно мало, $5 10^{-8}$ секунды, поэтому попав на эти уровни атомы хрома быстро совершают переходы на подуровни и уровня , которые являются верхними уровнями рубинового лазера. Собственно лазерное излучение рубина происходит на переходе 2E → 4А2 .

Переход 2E → 4А2 запрещён в дипольном приближении, так как орбитали этих уровней имеют одну и ту же конфигурацию, и кроме того он запрещён по спину. Поэтому уровень является метастабильным с временем жизни 3 мс. Такое большое время жизни позволяет запасать на этом уровне значительную энергию, намного большую, чем, к примеру, на верхнем лазерном уровне $^4F_{3/2}$ иона Nd3+ неодимового YAG лазера, у которого время жизни всего лишь 0,25 мс. Это основное достоинство рубинового лазера, которое позволяет генерировать импульсы большой мощности в режиме Q-модуляции.

Каждый из подуровней и мог бы быть верхним уровнем соответствующего лазерного перехода. Однако, в силу быстрой взаимной релаксации, со временем порядка 10*-8 с, на этой паре уровней устанавливается определенное термическое равновесие, при котором населённость нижнего уровня значительно выше населённости уровня . По этой причине лазерная генерация обычно имеет место на переходе, обозначаемом как , из состояния в основное состояние 4А2 . Этому способствует также то, что матричный элемент перехода E - 4А2 несколько больше матричного элемента перехода 2a - 4А2 . Длина излучаемой волны на этом переходе λ = 694,3 нм. Однако, при создании соответствующих условий, возможно получить генерацию на переходе с λ = 692,9 нм. Эта линия обозначается как .

Интересно отметить, что в спектре поглощения рубина (рис. 9) виден небольшой пик в районе 700 нм, который соответствует переходу 2E → 4А2 .

Рабочие характеристики рубинового лазера

Рубиновый лазер может работать только в импульсном режиме, так как в силу своей трехуровневой природы имеет малый кпд и не выдерживает при работе в непрерывном режиме перегрева из-за неиспользованной энергии накачки. Непрерывный режим достигается только при глубоком охлаждении кристалла.

Возможны три варианта работы в импульсном режиме.

Режим длинного импульса длительностью от 0,3 до нескольких миллисекунд. Продолжительность импульса зависит от длительности облучающего светового импульса, поступающего от лампы-вспышки. Выходной лазерный импульс имеет нестабильную пичковую структуру. Энергия в импульсе может достигать нескольких джоулей, а ширина линии 0,53 нм. Частота повторения импульсов единицы и десятки герц. Одно из приложений такого режима – сверление отверстий в камнях рубина.
В режиме Q-модуляции с использованием обычной ячейки Поккельса или пассивного насыщающегося красителя. Длительность импульса в таком режиме от 10 до 35 нс с пиковой мощностью до 100 МВт или с дополнительным усилителем до 1 ГВт.
В режиме синхронизации мод, параметры которого определяются шириной перехода R1, равной 330 ГГц или 0,53 нм. Обычно это серия из 20 – 30 импульсов длительностью единицы пс с энергией в каждом импульсе 1 мДж и мощностью до единиц ГВт.