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.