Основные свойства и уровни энергии рубина. Устройство лазера на рубине. Создание инверсной населенности в рубиновом лазере. Характер генерации рубинового лазера

Рубин представляет собой окись алюминия Аl₂О₃, в которой некоторые атомы алюминия заменены атомами хрома Сr. Этот рубин облучают широким спектром частот электромагнитных волн. При этом ионы хрома Сr⁺⁺⁺ переходят в возбужденное состояние E ₃(рис. 3.16). Ионы алюминия в этом деле заметной роли не играют.

Состояние с энергией Е ₃представляет собой целую полосу, вследствие взаимодействия ионов с кристаллической решеткой. С уровня Е ₃для ионов хрома возможны два пути.

1. Возвращение в исходное состояние с энергией Е ₁ с испусканием фотона.

2. Переход в метастабильное состояние с энергией Е ₂путем теплового взаимодействия с ионами кристаллической решетки алюминия.

Время жизни на уровне Е ₃, как и обычно, равно времени жизни в возбужденном состоянии i» 10^-8 с. Спонтанный переход на уровень E ₁обозначен стрелкой А ₃₁ а переход на метастабильный уровень – стрелкой А ₃₂.

Расчеты и эксперимент показывают, что вероятность перехода А ₃₂много больше вероятности перехода A ₃₂. Кроме того, переход из метастабильного состояния с энергией Е ₂в основное состояние запрещен правилами отбора (правила отбора не абсолютно строги, они указывают лишь большую или меньшую вероятность перехода).

Поэтому время жизни на метастабильном уровне составляет i _м» 10^-3 с, что в сто тысяч раз превышает время жизни на уровне Е₃.

Таким образом, при достаточно большом числе атомов хрома может возникнуть инверсная населенность уровня Е ₂– число атомов на уровне Е ₂ превысит число атомов на уровне Е ₁, т. е. может получиться то, что мы желаем.

Спонтанный переход с уровня Е ₂на основной уровень обозначен стрелкой А ₂₁. Возникающий при этом переходе фотон может вызвать вынужденное излучение следующего фотона, который обозначен стрелкой W ₂₁. Этот фотон еще одного и т. д., т. е. образуется каскад фотонов.

Рассмотрим теперь техническое устройство рубинового лазера. Он представляет собой стержень диаметром порядка – 1 см и длиной – 5 см. Торцы стержня строго параллельны друг другу и тщательно отшлифованы. Один торец представляет собой идеальное зеркало, второй – полупрозрачное зеркало, пропускающее около -8% падающей энергии.

Вокруг рубинового стержня устанавливают несколько витков лампы накачки – ксеноновой лампы, работающей в импульсном режиме.

Итак, в теле стержня образовались вынужденные фотоны. Те фотоны, направление распространения которых составляет малые углы с осью стержня, будут многократно проходить стержень и вызывать вынужденное излучение метастабильных атомов хрома. Вторичные фотоны будут иметь то же направление, что и первичные, т. е. вдоль оси стержня. Фотоны другого направления не разовьют значительный каскад и выйдут из игры. При достаточной интенсивности пучка часть его выходит наружу.

Рубиновые лазеры работают в импульсном режиме с частотой повторения несколько импульсов в минуту. Кроме того, внутри них происходит выделение большого количества тепла, поэтому их приходится интенсивно охлаждать.