Рубиновый лазер — это твердотельный лазер , который использует синтетический кристалл рубина в качестве среды усиления . Первым работающим лазером был рубиновый лазер, созданный Теодором Х. «Тедом» Майманом в исследовательской лаборатории Хьюза 16 мая 1960 года. [1] [2]
Рубиновые лазеры производят импульсы когерентного видимого света на длине волны 694,3 нм , что является темно-красным цветом. Типичные длины импульсов рубинового лазера составляют порядка миллисекунды .
Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который должен быть накачан очень высокой энергией, обычно из импульсной трубки , чтобы достичь инверсии населенности . Стержень часто помещается между двумя зеркалами, образуя оптический резонатор , который осциллирует свет, производимый флуоресценцией рубина , вызывая вынужденное излучение . Рубиновый лазер является одним из немногих твердотельных лазеров, которые производят свет в видимом диапазоне спектра, генерируя на 694,3 нм, в темно-красном цвете, с очень узкой шириной линии 0,53 нм. [3]
Рубиновый лазер — это трехуровневый твердотельный лазер . Активная лазерная среда (среда усиления лазера ) — это синтетический рубиновый стержень, который возбуждается посредством оптической накачки , как правило, с помощью ксеноновой импульсной трубки. Рубин имеет очень широкие и мощные полосы поглощения в видимом спектре, при 400 и 550 нм, и очень большое время жизни флуоресценции в 3 миллисекунды. Это позволяет производить очень высокую энергетическую накачку, поскольку длительность импульса может быть намного больше, чем у других материалов. Хотя рубин имеет очень широкий профиль поглощения, его эффективность преобразования намного ниже, чем у других сред. [3]
В ранних образцах концы стержня должны были быть отполированы с большой точностью, так что концы стержня были плоскими в пределах четверти длины волны выходного света и параллельны друг другу в пределах нескольких угловых секунд. Тонко отполированные концы стержня были посеребрены ; один конец полностью, другой только частично. Стержень с его отражающими концами затем действует как эталон Фабри-Перо (или эталон Жира-Турнуа ). Современные лазеры часто используют стержни с антиотражающими покрытиями или с концами, обрезанными и отполированными под углом Брюстера . Это устраняет отражения от концов стержня. Затем внешние диэлектрические зеркала используются для формирования оптической полости. Изогнутые зеркала обычно используются для ослабления допусков выравнивания и формирования устойчивого резонатора, часто компенсируя тепловую линзу стержня. [3] [4]
Рубин также поглощает часть света на длине волны лазерной генерации. Чтобы преодолеть это поглощение, необходимо накачать всю длину стержня, не оставляя затененных участков вблизи креплений. Активная часть рубина — это легирующая примесь , которая состоит из ионов хрома , взвешенных в синтетическом сапфировом кристалле. Легирующая примесь часто составляет всего около 0,05% кристалла, но отвечает за все поглощение и испускание излучения. В зависимости от концентрации легирующей примеси синтетический рубин обычно бывает розового или красного цвета. [3] [4]
Одним из первых применений рубинового лазера было дальномерное измерение. К 1964 году рубиновые лазеры с вращающимися призменными модуляторами добротности стали стандартом для военных дальномеров , пока десятилетие спустя не появились более эффективные дальномеры Nd:YAG . Рубиновые лазеры использовались в основном в исследованиях. [5] Рубиновый лазер был первым лазером, использованным для оптической накачки перестраиваемых лазеров на красителях , и особенно хорошо подходит для возбуждения лазерных красителей, излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне. [6] Рубиновые лазеры редко используются в промышленности, в основном из-за низкой эффективности и низкой частоты повторения. Одним из основных промышленных применений является сверление отверстий в алмазе , поскольку мощный луч рубина близко соответствует широкой полосе поглощения алмаза (полосе GR1) в красном диапазоне. [5] [7]
Рубиновые лазеры стали использоваться реже с открытием лучших лазерных сред. Они по-прежнему используются в ряде приложений, где требуются короткие импульсы красного света. Голографисты по всему миру создают голографические портреты с помощью рубиновых лазеров размером до квадратного метра. Из-за высокой импульсной мощности и хорошей длины когерентности красный лазерный свет 694 нм предпочтительнее зеленого света 532 нм удвоенного по частоте Nd:YAG , который часто требует нескольких импульсов для больших голограмм. [8] Многие лаборатории неразрушающего контроля используют рубиновые лазеры для создания голограмм больших объектов, таких как авиационные шины, для поиска слабых мест в подкладке. Рубиновые лазеры широко использовались в татуировках и эпиляции , но в этом приложении их заменяют александритовые и Nd:YAG лазеры .
Рубиновый лазер был первым лазером, который был сделан функциональным. Построенное Теодором Майманом в 1960 году, устройство было создано на основе концепции «оптического мазера», мазера , который мог работать в видимой или инфракрасной областях спектра.
В 1958 году, после того как изобретатель мазера Чарльз Таунс и его коллега Артур Шавлов опубликовали статью в Physical Review относительно идеи оптических мазеров, началась гонка за создание рабочей модели. Рубин успешно использовался в мазерах, поэтому он был первым выбором в качестве возможной среды. Посещая конференцию в 1959 году, Майман прослушал речь Шавлова, в которой он описывал использование рубина в качестве лазерной среды. Шавлов заявил, что розовый рубин, имеющий самое низкое энергетическое состояние, которое было слишком близко к основному состоянию, потребует слишком много энергии накачки для работы лазера, предложив красный рубин в качестве возможной альтернативы. Майман, работавший с рубином много лет и написавший статью о флуоресценции рубина, посчитал, что Шавлов был «слишком пессимистичен». Его измерения показали, что самый низкий уровень энергии розового рубина можно было бы, по крайней мере, частично истощить, накачав его очень интенсивным источником света, и, поскольку рубин был легкодоступен, он решил все равно попробовать. [9] [10]
На конференции также присутствовал Гордон Гулд . Гулд предположил, что, используя импульсный лазер, можно получить пиковую мощность вплоть до мегаватта. [11]
Со временем многие ученые начали сомневаться в полезности любого цветного рубина в качестве лазерной среды. Мейман тоже испытывал собственные сомнения, но, будучи очень «целеустремленным человеком», он продолжал работать над своим проектом в тайне. Он искал источник света, который был бы достаточно интенсивным, чтобы накачать стержень, и эллиптическую накачивающую полость с высокой отражательной способностью, чтобы направить энергию в стержень. Он нашел свой источник света, когда продавец из General Electric показал ему несколько ксеноновых импульсных ламп , утверждая, что самая большая может поджечь стальную вату, если поместить ее рядом с трубкой. Мейман понял, что при такой интенсивности ему не нужна такая высокоотражающая накачивающая полость, и, со спиральной лампой, ему не нужно, чтобы она имела эллиптическую форму. Мейман сконструировал свой рубиновый лазер в Hughes Research Laboratories в Малибу, Калифорния. [12] Он использовал розовый рубиновый стержень размером 1 см на 1,5 см и 16 мая 1960 года запустил устройство, создав первый луч лазерного света. [13]
Оригинальный рубиновый лазер Теодора Маймана все еще работает. [14] Он был продемонстрирован 15 мая 2010 года на симпозиуме, совместно организованном в Ванкувере, Британская Колумбия , Мемориальным фондом доктора Теодора Маймана и Университетом Саймона Фрейзера , где доктор Майман был приглашенным профессором в Школе инженерных наук. Оригинальный лазер Маймана был направлен на экран проектора в затемненной комнате. В центре белой вспышки (утечка из ксеноновой импульсной трубки) на короткое время было видно красное пятно.
Рубиновые лазеры не выдавали одиночный импульс, а скорее выдавали серию импульсов, состоящую из серии нерегулярных всплесков в течение длительности импульса. В 1961 году Р. В. Хеллварт изобрел метод модуляции добротности , чтобы сконцентрировать выход в один импульс. [15]
В 1962 году Уиллард Бойл , работая в Bell Labs , добился первого непрерывного выхода рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет от ртутной дуговой лампы накачивался в конец очень маленького стержня, чтобы достичь необходимой инверсии населенности. Лазер не излучал непрерывную волну , а скорее непрерывную последовательность импульсов, что давало ученым возможность изучить пиковый выход рубина. [16] Непрерывный рубиновый лазер был первым лазером, который использовался в медицине. Его использовал Леон Голдман, пионер в лазерной медицине , для таких процедур, как удаление татуировок, лечение шрамов и для индукции заживления. Из-за его ограничений по выходной мощности, настраиваемости и сложностей в эксплуатации и охлаждении устройств, непрерывный рубиновый лазер был быстро заменен более универсальными лазерами на красителях , Nd:YAG и аргоновыми лазерами . [17]
