Физические основы работы рубинового лазера

Таблица 1

Важнейшие параметры лазерного перехода в рубине (R₁)

Длина волны при 300 K	693,4 м
Длина волны при 77 K	692,3 нм
Ширина линии перехода при 300 K	11 см−1
Температурный коэффициент уширения при 300 K	0,2 см−1/град
Время жизни верхнего лазерного уровня	3 мс

В этой схеме принципиально важно то, что нижним рабочим уровнем служит основное состояние; поэтому большую часть энергии накачки приходится затрачивать на опустошение основного состояния более чем на половину от равновесной заселённости. Только в этом случае за счёт большого времени жизни ионов хрома в состоянии ²E между рабочими уровнями рубинового лазера возникает инверсия заселённостей и, как следствие, усиление света и возможность лазерной генерации. Для рубинового (и вообще трёхуровневого) лазера разумно определить два пороговых уровня мощности накачки:

— порог инверсии — мощность, необходимая для уменьшение в два раза заселённости основного состояния; при этом заселённости нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными;

— порог генерации — мощность, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды.

В рубине с типовой концентрацией хрома (0,05 %) и зеркалами хорошего качества порог генерации лишь немного превышает порог инверсии. Это означает, что усиление света в рубине выше порога инверсии быстро растёт при увеличении мощности накачки. На практике для получения генерации достаточно иметь выходное зеркало с отражением лишь в единицы процентов. Лазер с выходным зеркалом в виде плоского торца активного элемента для достижения порога генерации потребует примерно на 25 % большую мощность накачки, чем лазер с типовым выходным зеркалом (50 %).