Рубиновый лазер основан на искусственном кристалле рубина – алюмооксиде (Al2O3), легированном ионами хрома (Cr3+). Именно эти ионы создают активную среду, способную к индуцированному излучению. Рабочая длина волны генерации составляет 694,3 нм – это красный диапазон спектра.
Возбуждение рубинового лазера осуществляется оптической накачкой с помощью ксеноновой или криптоновой лампы-вспышки. Свет накачки возбуждает электроны Cr3+ до метастабильного уровня, откуда они могут переходить на основной уровень с высвобождением фотонов. Для обеспечения лавинообразного усиления излучения необходим инверсный захват – превышение числа возбужденных ионов над невозбужденными.
Резонатор состоит из двух зеркал, расположенных с противоположных сторон рубинового стержня. Одно зеркало полностью отражающее, другое – частично прозрачное. За счет многократного отражения фотонов между зеркалами происходит усиление когерентного излучения. Через полупрозрачное зеркало формируется выходной лазерный импульс.
Ключевая особенность рубинового лазера – это импульсный режим работы, обусловленный длинным временем жизни метастабильного состояния (около 3 мс). Это делает его пригодным для задач, не требующих непрерывной генерации, например, в спектроскопии или прецизионной измерительной технике.
Как рубиновый кристалл используется в качестве активной среды
Рубиновый кристалл представляет собой искусственно выращенный монокристалл оксида алюминия (Al2O3), легированный ионами хрома (Cr3+) в концентрации около 0,05%. Именно ионы хрома отвечают за люминесцентные свойства, необходимые для генерации лазерного излучения.
При накачке импульсной ксеноновой лампой ионы Cr3+ возбуждаются в высокоэнергетические состояния. Через 10-8 секунд они переходят в метастабильный уровень с временем жизни порядка 3 миллисекунд. Это позволяет создать инверсию населённостей – ключевое условие для запуска вынужденного излучения.
Излучение происходит на длине волны 694,3 нм в красной области спектра. Спектральная ширина излучения узкая, что обеспечивает хорошую монохроматичность. Энергия выделяется при переходе ионов с метастабильного уровня на основной. Благодаря жесткой кристаллической решетке рубина обеспечивается стабильность уровня энергии и высокая термическая устойчивость среды.
Кристалл изготавливают в форме цилиндра, длина которого обычно составляет 7–15 см, диаметр – до 10 мм. Торцы полируют и покрывают отражающими покрытиями: один – полностью отражающий, второй – полупрозрачный. Это формирует резонатор Фабри-Перо, усиливающий излучение при многократном прохождении через кристалл.
Рекомендуется использовать активное охлаждение кристалла, поскольку при высокой мощности значительная часть энергии переходит в тепло, что может нарушить устойчивость генерации и привести к деградации кристалла.
Роль оптической накачки и выбор источника излучения
Импульсный режим предпочтителен из-за высокой пиковой мощности, способной за короткое время насытить активную среду. Продолжительность импульса лампы должна быть согласована с временем жизни возбужденного состояния (~3 мс), чтобы обеспечить максимальное накопление инверсной заселённости. При длительных импульсах эффективность снижается из-за самопоглощения и тепловых потерь.
Выбор лампы зависит от длины активного кристалла и геометрии резонатора. Для стандартных конфигураций применяются ксеноновые лампы типа ЛИ-100 или ЛИ-200, обеспечивающие достаточную плотность мощности при компактных размерах. Расположение лампы вдоль оси цилиндрического рубинового стержня в отражающем эллипсоидальном отражателе позволяет максимизировать передачу энергии накачки в активную среду.
Ртутные лампы и светодиоды не обеспечивают нужной спектральной плотности в соответствующем диапазоне, поэтому для накачки рубина непригодны. Увеличение КПД возможно при использовании импульсных блоков питания с точно подобранной формой тока, минимизирующей тепловую нагрузку и оптимизирующей передачу энергии в нужном спектре.
Механизм инверсии заселённостей в ионах хрома
В рубиновом лазере активной средой служит кристалл корунда (Al2O3), легированный ионами хрома Cr3+. Именно эти ионы отвечают за лазерное излучение. При оптическом накачивании, как правило, с помощью вспышки ксеноновой лампы, фотоны поглощаются Cr3+ и возбуждают электроны с основного состояния 4A2 на уровни 4T1 и 4T2.
Переходы с возбуждённых состояний 4T осуществляются нерадиационно за счёт фононного взаимодействия с кристаллической решёткой. В результате электроны быстро (менее 10-8 с) релаксируют на метастабильный уровень 2E. Срок жизни на этом уровне достигает 3 мс, что позволяет накопить значительное число возбужденных ионов.
Инверсия заселённостей возникает между уровнями 2E и основным 4A2, так как вероятность спонтанного перехода мала, а стимуляция резонансным излучением приводит к генерации когерентных фотонов с длиной волны 694,3 нм. Эффективность инверсии зависит от спектра накачки, концентрации ионов Cr3+ (оптимально 0,05–0,5 масс.%), чистоты кристалла и параметров импульса возбуждения.
Для устойчивой генерации необходимо обеспечить, чтобы интенсивность накачки превышала порог инверсии. Практически это достигается за счёт импульсного режима работы, точного расчёта геометрии резонатора и использования зеркал с высокой отражающей способностью.
Формирование лазерного импульса внутри резонатора
В рубиновом лазере активная среда – кристалл Al2O3, легированный ионами Cr3+. Под действием внешнего накачивания (обычно импульсной лампой-вспышкой) ионы переходят в возбужденное состояние ⁴T2, откуда релаксируют в метастабильный уровень ²E с временем жизни порядка 3 мс.
Резонатор состоит из двух зеркал, одно из которых полупрозрачное. Он обеспечивает многократное отражение фотонов, стимулирующих вынужденные переходы Cr3+ с уровня ²E на основной ⁴A2 с излучением на длине волны 694,3 нм. Нарастание излучения происходит экспоненциально при достижении порога инверсии населённости. Этот порог зависит от коэффициента усиления среды, длины резонатора и отражающих свойств зеркал.
Импульс формируется в режиме Q-переключения, при котором качество резонатора (Q-фактор) сначала понижается, чтобы накопить максимальную инверсию, а затем резко восстанавливается. Это реализуется с помощью модуляторов добротности (например, пьезоэлементов или вращающихся зеркал). В результате возникает короткий импульс длительностью от десятков до сотен наносекунд с пиковой мощностью, превышающей среднюю на несколько порядков.
Точная настройка временных параметров Q-переключателя и формы накачки критична: несинхронность приводит к преждевременному спонтанному излучению и снижению энергии импульса. Оптимизация достигается подбором длительности вспышки, геометрии резонатора и характеристик зеркал (обычно ≥99,9% отражения для одного и 30–50% для выходного).
Особенности длины волны излучения рубинового лазера
Рубиновый лазер излучает на длине волны 694,3 нм, которая находится в красной области спектра. Это соответствует переходу между возбужденным и основным состояниями ионов хрома (Cr3+), легированных в кристалле Al2O3>.
- Длина волны 694,3 нм лежит вне диапазона максимальной чувствительности большинства кремниевых фотоприемников, что требует использования специализированных детекторов, таких как фотодиоды с расширенным диапазоном или ПЗС-матрицы с повышенной чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне.
- Поглощение этой длины волны в биологических тканях относительно высоко, что делает рубиновый лазер пригодным для медицинских применений, включая дерматологические процедуры и офтальмологию.
- Излучение плохо проходит через атмосферу при высокой влажности, поскольку водяной пар частично его рассеивает, что ограничивает его применение в открытых оптических системах на большие расстояния.
- Работа на фиксированной длине волны исключает возможность её перестройки, в отличие от твердотельных лазеров на титан-сапфире. Это ограничивает гибкость, но упрощает оптическую настройку системы.
- Оптические элементы системы, включая зеркала и линзы, должны иметь покрытия с высокой отражательной и пропускной способностью именно на 694,3 нм. Использование неподходящих материалов вызывает потери мощности и снижение эффективности генерации.
Для точной настройки длины волны важно строгое соблюдение условий накачки и температуры кристалла. Малейшие колебания могут вызывать дрейф частоты, особенно при импульсном режиме работы.
Ограничения и требования к охлаждению при работе устройства
Радиатор с водяным охлаждением рекомендуется при мощности накачки свыше 100 Вт. Для систем с меньшей мощностью допустимо использование теплоотводов с воздушным охлаждением, но только при обеспечении эффективного отвода не менее 5 Вт/°C от кристалла. Расстояние между рубиновым стержнем и источником охлаждения не должно превышать 2–3 мм во избежание локального перегрева.
Контроль температуры должен осуществляться с помощью термодатчиков, размещённых непосредственно на корпусе активного элемента. Нельзя допускать конденсации влаги на охлаждающих элементах – необходимо использовать осушители воздуха или обеспечить герметичность оптического отсека.
В случае импульсной работы с высокой частотой (более 10 Гц) увеличивается средняя тепловая нагрузка, и требуется предварительный расчёт теплового баланса с учётом времени охлаждения между импульсами. При длительной работе рубинового лазера без эффективного охлаждения возможно снижение срока службы активного элемента до 30 % от расчётного.
Загрузка...
