Рубиновый лазер

Первым квантовым генератором оптического диапазона, с появлением которого началось бурное развитие не только квантовой радиофизики и квантовой электроники, но и новейший этап развития оптики в самом широком смысле, был лазер на монокристалле рубина (1960 год).

Рубиновый лазер был первым из класса лазеров, которые принято называть твердотельными. К ним относятся все лазеры на основе легированных ионных кристаллов — диэлектриков, а также легированных стёкол. Сюда же следует отнести и лазеры на ионных кристаллах с центрами окраски. В них принципиально возможна лишь оптическая накачка.

Использование оптической накачки накладывает определённые условия на материал кристаллической матрицы и легирующей примеси. В качестве матриц пригодны прозрачные бесцветные кристаллы, имеющие хорошую механическую прочность, высокую оптическую однородность, достаточную теплопроводность и термостойкость, химическую стойкость. Важно, чтобы существовала технология выращивания и обработки монокристаллов необходимого оптического качества.

Особое требование к лазерным оптическим элементам — достаточная стойкость материала как к интенсивному лазерному излучению (лучевая прочность), так и к излучению накачки, в первую очередь к УФ-излучению.

Легирующая примесь прежде всего должна быть «родственной», хорошо растворимой в расплаве материала матрицы. Пригодны только примеси замещения, не подверженные сегрегации на границах кристаллов.

Спектр энергетических уровней примесного центра (иона) — наиболее важный фактор; от него зависит эффективность работы лазера. Перечислим основные требования к спектру примесного иона:

1) уширение нижних (лазерных) уровней, то есть уширение линии люминесценции, должно быть умеренным, порядка нескольких см ⁻¹;

2) уширение верхних уровней (вспомогательных уровней накачки) желательно иметь значительным, в десятки см ⁻¹ и более для эффективности накачки широкополосными источниками излучения;

3) время жизни верхнего лазерного уровня должно быть на порядок более, чем время жизни вспомогательных высоковозбуждённых состояний;

4) квантовый выход фотолюминесценции должен быть как можно больше; для этого основным каналом распада вспомогательного уровня должен быть переход на верхний лазерный уровень;