Рубиновый лазер - Ruby laser

Схема первого рубинового лазера.

Рубиновый лазер представляет собой твердотельный лазер , который использует синтетический рубиновый кристалл в качестве своей усиливающей среды . Первым работающим лазером был рубиновый лазер, сделанный Теодором Х. «Тедом» Мейманом в исследовательских лабораториях Хьюза 16 мая 1960 года.

Рубиновые лазеры производят импульсы когерентного видимого света на длине волны 694,3  нм , которая имеет темно-красный цвет. Типичная длительность импульса рубинового лазера составляет порядка миллисекунды .

Дизайн

Рубиновый лазерный стержень. Врезка: кристально чистый вид через стержень

Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который необходимо накачивать очень высокой энергией, обычно от лампы-вспышки , чтобы добиться инверсии населенности . Стержень часто помещают между двумя зеркалами, образуя оптическую полость , которая генерирует свет, создаваемый флуоресценцией рубина , вызывая стимулированное излучение . Рубин - один из немногих твердотельных лазеров, которые излучают свет в видимой области спектра, генерируя на 694,3 нанометра, глубокий красный цвет с очень узкой шириной линии 0,53 нм.

Рубиновый лазер - это трехуровневый твердотельный лазер . Активная лазерная среда (лазер усиление / усиление среда) представляет собой синтетический рубин стержень , который находится под напряжением через оптическую накачку , как правило , с помощью ксенона ксеноновой лампы-вспышки. Рубин имеет очень широкие и мощные полосы поглощения в видимом спектре при 400 и 550 нм и очень долгое время жизни флуоресценции, составляющее 3 миллисекунды. Это обеспечивает накачку с очень высокой энергией, поскольку длительность импульса может быть намного больше, чем при использовании других материалов. Хотя рубин имеет очень широкий профиль поглощения, его эффективность преобразования намного ниже, чем у других сред.

В ранних примерах концы стержня нужно было отполировать с большой точностью, чтобы концы стержня были плоскими с точностью до четверти длины волны выходящего света и параллельны друг другу в пределах нескольких угловых секунд. Точно отполированные концы стержня были посеребрены ; один конец полностью, другой только частично. В этом случае стержень с его отражающими концами действует 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. Затем внешние диэлектрические зеркала используются для формирования оптического резонатора. Изогнутые зеркала обычно используются для уменьшения допусков на центровку и для формирования стабильного резонатора, часто компенсирующего тепловое линзирование стержня.

Пропускание рубина в оптическом и ближнем ИК спектрах. Обратите внимание на две широкие синие и зеленые полосы поглощения и узкую полосу поглощения при 694 нм, которая является длиной волны рубинового лазера.

Рубин также поглощает часть света на своей длине волны генерации. Чтобы преодолеть это поглощение, необходимо прокачать стержень по всей длине, не оставляя затемненных участков рядом с креплениями. Активная часть рубина - это легирующая примесь , которая состоит из ионов хрома , взвешенных в синтетическом кристалле сапфира . Легирующая добавка часто составляет около 0,05% кристалла и отвечает за все поглощение и испускание излучения. В зависимости от концентрации допанта синтетический рубин обычно бывает розового или красного цвета.

Приложения

Одно из первых применений рубинового лазера было в дальномере. К 1964 году рубиновые лазеры с вращающимися призматическими переключателями добротности стали стандартом для военных дальномеров , пока десять лет спустя не были представлены более эффективные дальномеры Nd: YAG . Рубиновые лазеры использовались в основном в исследовательских целях. Рубиновый лазер был первым лазером, который использовался для оптической накачки перестраиваемых лазеров на красителях и особенно хорошо подходит для возбуждения лазерных красителей, излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне. Рубиновые лазеры редко используются в промышленности, в основном из-за низкой эффективности и низкой частоты повторения. Одно из основных промышленных применений - сверление отверстий в алмазе , потому что мощный луч рубина точно соответствует широкой полосе поглощения алмаза (полоса GR1) в красном цвете.

Рубиновые лазеры отказались от использования с открытием лучших лазерных сред. Они по-прежнему используются в ряде приложений, где требуются короткие импульсы красного света. Голографы всего мира создают голографические портреты с помощью рубиновых лазеров размером до квадратного метра. Из-за его высокой импульсной мощности и хорошей длины когерентности красный лазерный свет 694 нм предпочтительнее зеленого света 532 нм Nd: YAG с удвоенной частотой , который часто требует нескольких импульсов для больших голограмм. Многие лаборатории неразрушающего контроля используют рубиновые лазеры для создания голограмм крупных объектов, таких как авиационные шины, для поиска слабых мест в облицовке. Рубиновые лазеры широко использовались при татуировках и удалении волос , но в этом приложении они заменяются лазерами на александрите и Nd: YAG .

История

Оригинальный рубиновый лазер Маймана.
Оригинальный рубиновый лазер Маймана

Рубиновый лазер был первым работающим лазером. Созданное 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 в Physical Review статью об идее оптических мазеров, началась гонка за созданием работающей модели. Рубин успешно использовался в мазерах, поэтому он был лучшим выбором в качестве возможного носителя. На конференции в 1959 году Майман слушал выступление Шавлоу, в котором описывалось 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, предлагая красный рубин в качестве возможной альтернативы. Майман, много лет проработавший с рубином и написавший статью о флуоресценции рубина, считал, что Шавлов «слишком пессимистичен». Его измерения показали, что самый низкий уровень энергии розового рубина может быть хотя бы частично истощен за счет накачки очень интенсивным источником света, и, поскольку рубин был легко доступен, он все равно решил попробовать.

На конференции также присутствовал Гордон Гулд . Гулд предположил, что с помощью импульса лазера можно получить максимальную мощность в мегаватт.

Компоненты оригинального рубинового лазера.
Компоненты оригинального рубинового лазера

Со временем многие ученые начали сомневаться в полезности рубина любого цвета в качестве лазерной среды. Мейман тоже чувствовал свои сомнения, но, будучи очень «целеустремленным человеком», продолжал тайно работать над своим проектом. Он искал источник света, который был бы достаточно интенсивным, чтобы накачать стержень, и эллиптическую полость накачки с высокой отражательной способностью, чтобы направить 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 поместить ее рядом с лампой . Майман понял, что при такой интенсивности ему не нужна такая сильно отражающая полость накачки, а со спиральной лампой не нужно, чтобы она имела эллиптическую форму. Майман сконструировал рубиновый лазер в исследовательских лабораториях Хьюза в Малибу, Калифорния. Он использовал розовый рубиновый стержень размером 1 см на 1,5 см и 16 мая 1960 года выстрелил из устройства, выпустив первый луч лазерного света.

Оригинальный рубиновый лазер Теодора Маймана все еще работает. Это было продемонстрировано 15 мая 2010 года на симпозиуме, организованном в Ванкувере, Британская Колумбия , Мемориальным фондом доктора Теодора Маймана и Университетом Саймона Фрейзера , где доктор Майман был адъюнкт-профессором Школы инженерных наук. Оригинальный лазер Маймана 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 доставляли серию импульсов, состоящую из серии нерегулярных пиков в пределах длительности импульса. В 1961 году RW Hellwarth изобрел метод добротности , чтобы сконцентрироваться на выходе в один импульс.

Рубиновый лазерный пистолет, сконструированный Стэнфордским университетом. профессор физики в 1964 году для демонстрации лазера своим классам. Пластиковый корпус, переработанный из игрушечного лучевого ружья, содержал рубиновый стержень между двумя лампами-вспышками (справа) . Импульс когерентного красного света был достаточно сильным, чтобы лопнуть синие шары (показаны слева), но не красные шары, которые отражали свет.

В 1962 году Уиллард Бойл , работая в Bell Labs , произвел первое непрерывное излучение рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет от ртутной дуговой лампы накачивался на конец очень маленького стержня для достижения необходимой инверсии населенности. Лазер излучал не непрерывную волну , а, скорее, непрерывную серию импульсов, давая ученым возможность изучить выбросы рубина с пиками. Рубиновый лазер непрерывного действия был первым лазером, который использовался в медицине. Его использовал Леон Гольдман, пионер в лазерной медицине , для таких процедур, как удаление татуировок, лечение шрамов, а также для ускорения заживления. Из-за ограничений по выходной мощности, возможности настройки и сложностей при эксплуатации и охлаждении блоков рубиновый лазер непрерывного действия был быстро заменен более универсальными лазерами на красителях , Nd: YAG и аргоне .

использованная литература

внешние ссылки