A rubin lézeres működés elve - a lézersugárzás egyedi tulajdonságai
A rubin lézer volt az első, amelyen a generációt végezték, és amelyet még használnak. A rubin kristály Al2O3 alumínium-oxid kristály, kis hozzáadva (0,05%) króm. Amikor króm atomokat adnak hozzá, az átlátszó rubin kristályok rózsaszín színeket kapnak, és a spektrum közel ultraibolya tartományának két sávjában elnyelik a sugárzást. Összességében a vaku lámpa fényének körülbelül 15% -át rubin kristályok szívják fel. Amikor a spektrumot a króm ionjai abszorbeálják, az ionok a gerjesztett állapotba lépnek. A belső folyamatok eredményeképpen a gerjesztett króm-ionok a földre mennek, nem azonnal, hanem két izgatott szinten. Ezeken a szinteken ionok felhalmozódnak, és egy neon lámpa kellően erős villanásakor fordított populáció keletkezik a köztes szintek és a krómion talajszintje között.
A rubin rúd végeit polírozzák, fényvisszaverő interferenciafilmekkel borítják, miközben a végük szigorú párhuzamosságot tartanak fenn.
Ha egy populáció inverzió bekövetkezik mennyiségű króm ionok a rubin lavina előfordul kényszerűen számának növelése emittált fotonok és az optikai visszajelzést rezonátor által kialakított tükrök végein rubin rúd, biztosítja a kialakulása egy fókuszált vörös fény. A lézer impulzus időtartama egyenlő 0,0001. kissé rövidebb, mint a neonlámpa villogása. A rubin lézer impulzus energiája körülbelül 1 J.
A lézer három fő részből áll: egy aktív (munka) anyag rezonáns álló rendszer két párhuzamos lemezeket fényvisszaverő bevonattal, és a gerjesztési rendszer (szivattyú), ami általánosan használt neon villanólámpa.
A rubin kristályt speciális kemencékben termesztik, majd a kapott előgyártmányt felhevítik és feldolgozzák, így egy rúd formáját adják. A rúd hossza 2-30 cm, átmérője 0,5 és 2 cm, a lapos végek szigorúan párhuzamosak. Néha a visszaverő felületeket nem alkalmazzák az egyes visszaverő lemezekre, hanem közvetlenül a rubin rúd végeire. A végek felülete ezüst, az egyik vége felülete teljesen tükröződik, a másik - részben fényvisszaverő. Tipikusan a második vég fényáteresztése körülbelül 10-25%.
A rubin lézer főként impulzus üzemmódban működik és 0,6943 μm hullámhosszon sugárzást generál. A nagy impulzus ereje, valamint a magas optikai minőségű rubin kristályok jelenléte miatt rubin lézer, és jelenleg az egyik leghíresebb szilárdtest lézer.
A rubin rúd spirálimpulzus xenonlámpába van helyezve, melynek fordulata minden oldalról lefed. A lámpa villogása milliszekundumig tart. Ez alatt az idő alatt a lámpa több ezer joule energiát fogyaszt, ami nagyrészt a készülék melegítéséhez vezet. Egy másik, kisebb rész, a kék és a zöld sugárzás formájában felszívódik a rubin. Ez az energia biztosítja a króm ionok gerjesztését is.
Ábra az energiaszintet Cr3 + ionok a rubin van osztva két szinten (2.1 ábra.): A) jellemző Cr3 ion állapot + centrifugálás S = 3/2, az alsó szinten beállított 4A2 - alapállapot Cr3 + - két alréteget tartalmazhat közötti távolság ezek 0,3 cm-1.
A két felső szint a rezonáns felszívódás szintjét jelzi. Hat dublettből állnak, és a terület heterogenitása miatt nagyon diffúzak. A 2. ábra második szintje a 2. ábrán látható. 1, b megfelel a Cr3 + ionok állapotának, spin S = 1/2. A 2E szint metastabilis, kétszer degenerált, két alsórésszel osztva 29 cm-es intervallummal, és az A-szintek orbitális szinglettek. A 3F, 2E szintek helyzete kevéssé függ a kristály inhomogenitásától, és gyakorlatilag nincsenek kiterjesztve. A Cr3 + ionok kristálymezővel való spin-pályájának kölcsönhatása eredményeként a kristály energiaszintjeinek megfelelő elektronikus állapotokat vegyes állapotok befolyásolják. Ez azzal a ténnyel jár, hogy a 4F, 4F2 és 2F1 és 2E szintekből származó sugárzási átmenetek tilosak a spin kiválasztási szabályai szerint. Azonban ezek között a szintek között
Ábra. 2.1. a) a Cr3 + ionok energiaszintje és átmeneti valószínűsége rubinnal T = 4,2 K hőmérsékleten; b) a háromszintű lézer hatóanyagának energiaszintjeinek tervezési sémája
intenzív nem radioaktív átmenet S32
(2 ... 5) * 107c-1 hatalmas hőleadással. Gerjesztve optikai pumpáló sávok 4F1,4F2 mértékének megváltoztatásával populációk társított spontán átmenetek alacsonyabb indukált abszorpciós és emissziós és nonradiative átmenetek. Az izgatott kvantumrészecskék (krómionok) a 4A2 talajszinttől a 4F1, 4F2 rezonanciaelnyelő szintjéig terjednek. A gerjesztett állapotú részecskék élettartama kicsi. Szintek 4F1, 4F2 eredményeként spontán átmenet az elsődleges részecske szinten valószínűséggel 4A2 A31 = 3 * 105 ° C-1, és egy nonradiative átmeneti valószínűség S32 = (2 ... 5) 107c-1 2E metastabil állapot gyorsan kimerült. Mivel a valószínűsége a spontán átmenetek az alacsony E A21
3 * 102s-1, majd a szinteken, és lehetséges a részecskék populációjának inverziója. Ha az inverzió N = 0.5N0 küszöbértékét elérték, spontán és indukált sugárzás lép fel.
Ha egy populáció inverzió nem éri el a küszöbértéket, a spontán emisszió figyelhető csak formájában lumineszcencia Ruby az egyik a két keskeny vonalak R1 (1 = 6943A) vagy R2 (2 = 6929A) C szint és volt. A kvantumhatékonyság az R sorokban:
0,52. Szinte rubin lézer emelkedik az R1 soron, mert Az átmenet valószínűsége magasabb, és a küszöbértékek valószínűbbek. Látható, hogy nem minden energiaállapot vesz részt az indukált sugárzás generálásában. Ezért, egy bizonyos számú hiba, amely az abszorpciós és gerjesztési lépéseket, ami populáció inverzió és a sugárzás formájában jelen lévő egy háromszintű modell (2.1 ábra) a megfelelő kvantum átmenetek és populációk. Ez azonban nem veszi figyelembe a dubinák jelenlétét a rubin és a másodlagos szinteken, a szintek kiszélesedése, mivel feltételezzük, hogy g1 = g2 = g3 = 1. Az E3 szint általában magában foglalja a zöld (4F2) és a kék (4F1) abszorpciós sávokat, amelyek jelentős szerepet játszanak a szintek gerjesztésében és. Ezeket a szinteket a kristályrács vibrációinak nagyfokú relaxációs sebessége jellemzi. Az E1 alapállapotot T = 300 K hőmérsékleten az egyik szinten g1 = 4 degenerációval lehet tekinteni. A rubin kristály tömeget egy króm koncentrációja 0,05%, hőmérséklete T = 300 K, a valószínűsége nonradiative átmenet mintegy 2 * 107c-1, és az élettartam kvantum részecskék egy metastabil állapotban körülbelül 3 * 10-3s. Ha húzunk pumpáló fényáram párhuzamos a Z tengellyel a rubin, az abszorpciós koefficiens generálására vonal R1-0,4 cm-1, és az abszorpciós keresztmetszet egyenlő 2,5 x 10-20 cm-2 praktikus Jellemzően rubinlézer számítások alkalmazandó hozzávetőleges három szintű modell államok.
A Ruby lézereket ma már kevésbé használják, mivel korábban használták őket, mivel azokat Nd: YAG alapú lézerek vagy neodímium üveglézerek váltották fel. Mivel a rubin lézer valójában háromszintű sémában működik, a szükséges küszöb-szivattyúenergia körülbelül nagyságrenddel nagyobb, mint a hasonló méretű Nd: YAG lézer megfelelő értéke. Azonban a rubin lézereket még mindig széles körben használják bizonyos tudományos és műszaki vizsgálatokban, amelyeknél a rövidebb rubinképző hullámhossz jelentős előnyt jelent a Nd: YAG-nál.
A lézer létrehozása után lehetőség nyílt a fordított populációs szintek megvalósításának módszerei után. A Meiman által épített első lézerben a munkatest rubinból készült henger volt. A rúd átmérője 1 cm volt, a hossza körülbelül 5 cm volt, a rúd végeit polírozva és szigorúan párhuzamos tükröket ábrázolták.
Ábra. 2.2 Rubinos optikai generátor eszköz:
1 - kondenzátor, 2 - gázkisüléses lámpa, 3 - fényvisszaverő burkolat, 4 - rubin rúd, 5 - egy áramforrás, amely 1 kondenzátort tölt fel
Az egyik végét egy sűrű, átlátszatlan ezüstréteg fedte le, a másik végét ezüstszínű réteggel borították le, amely az elfogyasztott energia körülbelül 8% -át teszi lehetővé. A lézerben a rubint egy impulzusos xenonlámpával világítják meg, amely széles frekvenciasávval hozza létre a fényt.
A rubin kristályok nagy mechanikai szilárdsággal és magas hővezető képességgel rendelkeznek, ami megkönnyíti a kristály hűtését.
1. táblázat Rubin lézerek fizikai-technikai paraméterei