Лазерные технологии
10. Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров Рубиновый лазер Физические основы работы рубинового лазера
Скачать Содержание

Физические основы работы рубинового лазера


Рубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозём, корунд, лейкосапфир или просто сапфир) Al2O3 с замещением части ионов Al3+ на Cr3+. Нелегированный корунд — кристалл, по твёрдости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны — 1,76). Теплоповодность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растёт, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди.

Природные рубины с густо-красной окраской, которую создаёт большая концентрация хрома (порядка одного процента), высоко ценимые ювелирами, для лазерной техники непригодны. Природные рубины имеют много дефектов, внутренних напряжений, посторонних химических примесей и макровключений, и не достигают нужных для лазерной техники размеров. Концентрация хрома в них существенно выше оптимальной. Поэтому в лазерной технике применяют только синтетические монокристаллы розового рубина со строго нормированными химсоставом и оптическими характеристиками.

У монокристалла розового рубина хорошо заметен дихроизм. Поликристаллы рубина для лазеров непригодны из-за чрезмерного внутреннего светорассеяния и искажений волнового фронта на оптических неоднородностях. В монокристаллах оптические неоднородности могут возникать из-за локальных внутренних напряжений и неравномерного легирования. Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05 % (по массе). Повышение концентрации хрома, во-первых, снижает однородность накачки за счёт более сильного светопоглощения. Во-вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счёт взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействие даёт сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие из-за перекрытия волновых функций локализованных состояний ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием хрома до 1 %. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения может быть гораздо большей.