Лазеры стали неотъемлемой частью современных технологий, и их применение варьируется от медицинских процедур до коммуникаций, промышленных процессов и научных исследований. Среди множества типов лазеров, доступных сегодня, рубиновый лазер занимает особое место в истории как первый успешно продемонстрированный лазер. В основе этого революционного устройства лежит рубиновый лазерный стержень, активная среда, ответственная за генерацию лазерного луча. Эта статья расскажет о научных принципах работы рубиновых лазерных стержней, их структуре, функциях и важности в развитии лазерных технологий.

1. Что такое рубиновый лазерный стержень?

Рубиновый лазерный стержень - это твердотельный лазерный инструмент, изготовленный из синтетического рубина. Сам по себе рубин является кристаллической формой оксида алюминия (Al2O₃), который в чистом виде прозрачен и бесцветен. Однако, когда кристалл легируют небольшим количеством ионов хрома (Cr3+), рубин приобретает свой уникальный розовый или темно-красный цвет. Эти ионы хрома важны в лазерном процессе, потому что они действуют как активные центры, которые поглощают и излучают свет.

В контексте лазеров термин «активная среда» относится к материалу, который излучает лазерный свет при подаче на него энергии. В рубиновом лазере стержень из синтетического рубина действует как активная среда, которая позволяет оборудованию усиливать свет и создавать лазерные лучи.

2. Структура рубинового лазерного стержня

Рубиновый лазерный стержень обычно имеет форму цилиндрического кристалла диаметром около нескольких миллиметров и длиной несколько сантиметров. Точный размер стержня может варьироваться в зависимости от конкретной конструкции и предполагаемого использования лазера. Цилиндрическая форма обеспечивает эффективное усиление света внутри лазерного резонатора.

Рубиновый лазерный стержень обычно имеет форму цилиндрического кристалла диаметром около нескольких миллиметров и длиной несколько сантиметров. Точный размер стержня может варьироваться в зависимости от конкретной конструкции и предполагаемого использования лазера. Цилиндрическая форма обеспечивает эффективное усиление света внутри лазерного резонатора.

Кристалл рубина легирован ионами хрома в концентрации около 0,05%. Эта концентрация критична для функционирования лазера; слишком мало хрома приведет к слабому лазерному действию, в то время как слишком много может поглотить слишком много энергии накачки, не переизлучая ее эффективно. Процесс легирования включает в себя включение атомов хрома в кристаллическую решетку оксида алюминия, заменяя некоторые атомы алюминия.

3. Принцип работы рубинового лазерного стержня

3.1 Поглощение энергии и возбуждение ионов хрома

Ключ к пониманию того, как работает рубиновый лазерный стержень, заключается в поведении ионов хрома внутри кристалла. Когда энергия подается на лазерный стержень — обычно от лампы-вспышки — ионы хрома поглощают эту энергию, в частности свет в зеленой и синей частях спектра. Эти длины волн соответствуют энергии, необходимой для возбуждения электронов в ионах хрома до более высоких энергетических уровней.

3.2 Метастабильное состояние и инверсия населенности

После того, как ионы хрома поглощают свет, их электроны поднимаются в возбужденное состояние. Однако они не сразу возвращаются в свое основное состояние (самый низкий энергетический уровень). Вместо этого они переходят в метастабильное состояние, которое является промежуточным энергетическим уровнем, где электроны могут оставаться относительно долго (порядка микросекунд). Эта задержка позволяет многим ионам хрома накапливаться в метастабильном состоянии, создавая условие, известное как инверсия населенности, что необходимо для лазерного действия.

При инверсии населенности больше атомов находится в возбужденном (метастабильном) состоянии, чем в основном состоянии, что создает условия для вынужденного излучения, процесса, который усиливает свет в лазере.

3.3 Вынужденное излучение и когерентное светоизлучение

Когда электрон в ионе хрома переходит из метастабильного состояния в основное состояние, он излучает фотон света. Этот фотон имеет длину волны 694,3 нм, что соответствует красному цвету лазерного света, производимого рубиновым лазером.

Что отличает лазер от обычных источников света, так это то, что этот фотон может стимулировать другие возбужденные ионы хрома к высвобождению накопленной энергии в виде дополнительных фотонов. Вынужденное излучение света означает, что новые фотоны излучаются в фазе с исходным фотоном, в результате чего получается луч света, который является когерентным (с волнами, выровненными в пространстве и времени) и монохроматическим (все фотоны имеют одинаковую длину волны).

3.4 Оптический резонатор и усиление

Чтобы усилить свет, производимый вынужденным излучением, рубиновый лазерный стержень помещается между двумя зеркалами, образуя оптический резонатор. Одно зеркало полностью отражающее, а другое частично отражающее. Свет многократно отражается между зеркалами, проходя через рубиновый стержень. Каждый проход через стержень вызывает дальнейшее вынужденное излучение, усиливая свет до тех пор, пока высокоинтенсивный когерентный луч не выйдет через частично отражающее зеркало. Этот выход является лазерным лучом.

4. Историческое значение рубинового лазера

Рубиновый лазер был первым типом лазера, когда-либо построенным. Он был успешно продемонстрирован в 1960 году американским физиком Теодором Мейманом в Исследовательской лаборатории Хьюза. Работа Меймана ознаменовала рождение лазерной технологии и произвела революцию в способе генерации и управления светом.

В то время концепция «усиления света путем вынужденного излучения радиации» (отсюда аббревиатура LASER) была теоретизирована, но никто еще не построил работающее устройство. Рубиновый лазер Меймана стал крупным прорывом, потому что он доказал, что лазеры могут работать на практике. Демонстрация когерентного, интенсивного светоизлучения из твердотельной среды стала отправной точкой для быстрого развития множества других типов лазеров.

5. Преимущества и недостатки рубиновых лазеров

5.1 Преимущества

i. Простота: Рубиновые лазеры относительно просты по конструкции, особенно по сравнению с некоторыми современными лазерами, которые требуют сложных материалов и инженерных решений.

ii. Твердотельная конструкция: Использование твердотельного рубинового стержня делает рубиновые лазеры более прочными и стабильными, чем газовые или жидкостные лазеры, которые требуют тщательно контролируемой среды.

iii. Высокое качество луча: Рубиновые лазеры производят высокофокусированный, когерентный луч красного света с отличным качеством луча, что делает их пригодными для точных задач, таких как голография и медицинские процедуры.

iv. Историческая значимость: Рубиновые лазеры имеют историческое значение как первая лазерная технология, и их принципы помогли сформировать развитие всех будущих лазерных систем.

5.2 Недостатки

i. Низкая эффективность: Рубиновые лазеры не очень эффективны. Большая часть энергии, подаваемой в систему, теряется в виде тепла, и лишь небольшая часть преобразуется в лазерный свет.

ii. Импульсный выход: Рубиновые лазеры обычно производят свет короткими, интенсивными импульсами, а не непрерывным выходом. Для применений, требующих непрерывного луча, другие типы лазеров более подходят.

iii. Проблемы теплового управления: Рубиновый стержень может нагреваться во время работы, требуя систем охлаждения для предотвращения повреждения или ухудшения производительности.

Iv. Ограниченная длина волны: Рубиновые лазеры излучают свет на фиксированной длине волны 694,3 нм, что ограничивает их универсальность для применений, требующих разных цветов или настраиваемых длин волн.

6. Применение рубиновых лазеров

Хотя рубиновые лазеры в значительной степени были заменены более эффективными и универсальными лазерными технологиями, они все еще находят применение в некоторых нишевых областях:

i. Голография: Рубиновые лазеры предпочтительны в некоторых голографических приложениях из-за их способности производить когерентный и стабильный световой луч.

ii. Медицинские процедуры: В дерматологии и офтальмологии рубиновые лазеры использовались для таких процедур, как удаление татуировок, лазерная шлифовка кожи и лечение пигментных поражений кожи. Их способность производить интенсивные импульсы света делает их эффективными в этих условиях.

iii. Научные исследования: Рубиновые лазеры иногда используются в исследовательских целях для изучения лазерных взаимодействий с материалами или для генерации высокофокусированных лучей света.

iv. Лазерная дальнометрия и LIDAR: Рубиновые лазеры использовались в ранних системах дальнометрии и LIDAR из-за их сильного, сфокусированного луча, который может проходить большие расстояния и обнаруживаться с высокой точностью.

Заключение

Рубиновый лазерный стержень является крупной инновацией в истории лазерных технологий. Его уникальные свойства как твердотельной лазерной среды в сочетании со свойствами поглощения и излучения энергии ионов хрома привели к созданию первого функционального лазера. Несмотря на более совершенную лазерную систему, вклад Ruby Laser в науку и технику по-прежнему важен. Его простота, долговечность и способность генерировать когерентный свет заложили основу для разработки бесчисленного множества других типов лазеров, сделав его краеугольным камнем оптических областей. Хотя рубиновые лазеры, возможно, больше не являются доминирующей технологией сегодня, они продолжают играть важную роль в профессиональных приложениях, и их наследие живет в бесчисленных применениях лазеров в различных отраслях.