Рубиновый лазер — это твердотельный лазер , в котором в качестве усиливающей среды используется синтетический кристалл рубина . Первым работающим лазером был рубиновый лазер, созданный Теодором Х. «Тедом» Мейманом в исследовательских лабораториях Хьюза 16 мая 1960 года. [1] [2]
Рубиновые лазеры производят импульсы когерентного видимого света с длиной волны 694,3 нм темно-красного цвета. Типичная длина импульса рубинового лазера составляет порядка миллисекунды .
Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который необходимо накачивать очень высокой энергией, обычно из лампы-вспышки , чтобы добиться инверсии населенности . Стержень часто помещается между двумя зеркалами, образующими оптическую полость , в которой колеблется свет, создаваемый флуоресценцией рубина , вызывая стимулированное излучение . Рубин — один из немногих твердотельных лазеров, излучающих свет в видимом диапазоне спектра, с длиной волны 694,3 нанометра, темно-красного цвета с очень узкой шириной линии 0,53 нм. [3]
Рубиновый лазер представляет собой трехуровневый твердотельный лазер . Активная лазерная среда (среда усиления/ усиления лазера ) представляет собой синтетический рубиновый стержень, на который подается питание посредством оптической накачки , обычно с помощью ксеноновой лампы-вспышки. Рубин имеет очень широкие и мощные полосы поглощения в визуальном спектре при 400 и 550 нм, а также очень долгое время жизни флуоресценции - 3 миллисекунды. Это позволяет обеспечить накачку очень высокой энергии, 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 примерах концы стержня приходилось полировать с большой точностью, чтобы концы стержня были плоскими с точностью до четверти длины волны выходного света и параллельными друг другу в пределах нескольких угловых секунд. Тонко отполированные концы стержня были посеребрены ; один конец полностью, другой лишь частично. Стержень с его отражающими концами действует тогда как эталон Фабри-Перо (или эталон Жира-Турнуа ). В современных лазерах часто используются стержни с просветляющим покрытием или с концами, обрезанными и отполированными под углом Брюстера . Это устраняет отражения от концов стержня. Внешние диэлектрические зеркала затем используются для формирования оптического резонатора. Изогнутые зеркала обычно используются для уменьшения допусков на выравнивание и формирования стабильного резонатора, часто компенсирующего термическое линзирование стержня. [3] [4]
Рубин также поглощает часть света на длине волны генерации. Чтобы преодолеть это поглощение, нужно прокачивать удилище по всей длине, не оставляя затененных участков возле креплений. Активной частью рубина является присадка , состоящая из ионов хрома , взвешенных в кристалле синтетического сапфира . Легирующая примесь часто составляет всего около 0,05% кристалла, но отвечает за все поглощение и излучение излучения. В зависимости от концентрации легирующей примеси синтетический рубин обычно бывает розового или красного цвета. [3] [4]
Одним из первых применений рубинового лазера была дальномерность. К 1964 году рубиновые лазеры с вращающимися призменными модуляторами добротности стали стандартом для военных дальномеров , пока десятилетие спустя не были представлены более эффективные дальномеры Nd:YAG . Рубиновые лазеры использовались в основном в научных 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 ближней инфракрасной области. [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 точно соответствует широкой полосе поглощения алмаза (полоса GR1) в красном цвете. [5] [7]
Рубиновые лазеры стали использоваться реже с открытием более эффективных средств генерации. Они до сих пор используются в ряде случаев, когда требуются короткие импульсы красного света. Голографы всего мира создают голографические портреты с помощью рубиновых лазеров размером до квадратного метра. Из-за высокой импульсной мощности и хорошей длины когерентности красный лазерный свет с длиной волны 694 нм предпочтительнее зеленого света с длиной волны 532 нм Nd:YAG с удвоенной частотой , который часто требует нескольких импульсов для больших голограмм. [8] Многие лаборатории неразрушающего контроля используют рубиновые лазеры для создания голограмм крупных объектов, таких как авиационные шины, для поиска слабых мест в футеровке. Рубиновые лазеры широко использовались для удаления татуировок и волос , но в этом применении их заменяют александритовые и Nd:YAG лазеры .
Рубиновый лазер был первым лазером, который стал функциональным. Построенное Теодором Мейманом в 1960 году, устройство было создано на основе концепции «оптического мазера», мазера, который мог работать в визуальной или инфракрасной областях спектра.
В 1958 году, после того как изобретатель мазера Чарльз Таунс и его коллега Артур Шавлоу опубликовали в журнале Physical Review статью, посвященную идее оптических мазеров, началась гонка за создание работающей модели. Рубин успешно использовался в мазерах, поэтому он был первым выбором в качестве возможного носителя. Во время посещения конференции в 1959 году Майман слушал речь Шавлова, в которой описывалось использование рубина в качестве лазерной среды. Шавлоу заявил, что розовый рубин, имеющий самое низкое энергетическое состояние, слишком близкое к основному, потребует слишком много энергии накачки для работы лазера, предложив красный рубин в качестве возможной альтернативы. Мейман, много лет работавший с рубином и написавший статью о флуоресценции рубина, чувствовал, что Шавлов был «слишком пессимистичен». Его измерения показали, что самый низкий энергетический уровень розового рубина можно, по крайней мере, частично истощить путем накачки очень интенсивным источником света, и, поскольку рубин был легко доступен, он все равно решил попробовать. [9] [10]
На конференции также присутствовал Гордон Гулд . Гулд предположил, что с помощью импульсного лазера можно получить пиковую мощность до мегаватта. [11]
Со временем многие ученые начали сомневаться в полезности любого цветного рубина в качестве лазерного носителя. Майман тоже испытывал собственные сомнения, но, будучи очень «целеустремленным человеком», продолжал тайно работать над своим проектом. Он искал источник света, который был бы достаточно интенсивным, чтобы накачивать стержень, и эллиптическую полость накачки с высокой отражательной способностью, чтобы направлять энергию в стержень. Он нашел свой источник света, когда продавец из General Electric показал ему несколько ксеноновых ламп-вспышек , заявив, что самая большая из них может воспламенить стальную вату, если ее поместить рядом с трубкой. Мейман понял, что при такой интенсивности ему не нужна такая высокоотражающая полость накачки, а при использовании спиральной лампы не потребуется, чтобы она имела эллиптическую форму. Мейман сконструировал свой рубиновый лазер в исследовательских лабораториях Хьюза в Малибу, Калифорния. [12] Он использовал розовый рубиновый стержень размером 1 на 1,5 см и 16 мая 1960 года запустил устройство, выпустив первый луч лазерного света. [13]
Оригинальный рубиновый лазер Теодора Меймана все еще работает. [14] Это было продемонстрировано 15 мая 2010 года на симпозиуме, организованном в Ванкувере, Британская Колумбия, Мемориальным фондом доктора Теодора Меймана и Университетом Саймона Фрейзера , где доктор Мейман был адъюнкт-профессором Школы инженерных наук. Оригинальный лазер Меймана был направлен на экран проектора в затемненной комнате. В центре белой вспышки (утечка из ксеноновой лампы-вспышки) на короткое время было видно красное пятно.
Рубиновые лазеры не выдавали одиночный импульс, а скорее выдавали серию импульсов, состоящую из серии нерегулярных всплесков в пределах длительности импульса. В 1961 году Р. У. Хеллварт изобрел метод переключения добротности , позволяющий сконцентрировать выходной сигнал в одном импульсе. [15]
В 1962 году Уиллард Бойл , работавший в Bell Labs , добился первого непрерывного излучения рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет ртутной дуговой лампы накачивался в конец очень маленького стержня для достижения необходимой инверсии населенностей. Лазер излучал не непрерывную волну , а непрерывную последовательность импульсов, что давало ученым возможность изучить пиковый выход рубина. [16] Рубиновый лазер непрерывного действия был первым лазером, который использовался в медицине. Его использовал Леон Голдман, пионер лазерной медицины , для удаления татуировок, лечения шрамов и для ускорения заживления. Из-за ограничений по выходной мощности, возможности настройки и сложностей в эксплуатации и охлаждении устройств рубиновый лазер непрерывного действия был быстро заменен более универсальными лазерами на красителях , Nd:YAG и аргоновыми лазерами . [17]
