3. УСТРОЙСТВО РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА

Конструкция лазера на рубине стала прототипом множества твердотельных лазеров. Их общие технические признаки – стержневые активные элементы и применение для накачки импульсных газоразрядных ламп.

До появления более эффективных лазеров (в частности, неодимовых) лазеры на рубине были серийной промышленной продукцией. Их применяли в электронной промышленности для точечной сварки малоразмерных деталей и подгонки номиналов пленочных резисторов в микроэлектронных узлах.

Пример применения одного из самых компактных серийных рубиновых лазеров – дальномер танка M-60 (США). Для накачки рубинового стержня 8×75 мм служит прямолинейная импульсная лампа. При подведенной к лампе энергии 125 Дж энергия лазерного излучения в режиме модулированной добротности достигает 50 мДж в импульсе длительностью около 10 нс. Для включения добротности применено зеркало, вращающееся со скоростью 30000 об/мин. Поджиг лампы синхронизирован с вращением зеркала при помощи датчика углового положения, настроенного на опережение зажигания. Такого рода технические решения ныне вытеснены более совершенными, с использованием неодимовых и полупроводниковых лазеров.

Современные рубиновые лазеры обычно имеют специальное предназначение, их делают по индивидуальным заказам, и многие технические решения, нерациональные для серийной продукции, еще можно встретить в конструкциях специализированных рубиновых лазеров.

3.1. Активные элементы

Активные элементы рубиновых лазеров имеют форму цилиндра диаметром от 5 до 20 мм и длиной от 80 до 240 мм. Типовое отношение длины к диаметру равно примерно 15...20. Обычная концентрация ионов хрома – 0,05% по массе. При этом поглощение света в полосе накачки 0,56 мкм составляет 2…3 см-1. Отсюда следует

48

оценка оптимального размера поперечника активного элемента: тонкие стержни поглощают меньше света, толстые трудно накачивать однородно.

Торцы активного элемента должны быть плоскими и отполированными по 12…13 классу чистоты. Торцы для удобства юстировки оптической схемы выполняют параллельными. Их плоскости могут быть ортогональными оси активного элемента или скошенными (это нужно для проходных усилительных каскадов и для лазеров с особыми требованиями к спектру излучения, где недопустимо влияние излучения, отраженного от торца, за счет его интерференции с исходным излучением). Иногда торцы срезают под углом Брюстера; в этом случае излучение лазера также линейно поляризовано, а в проходном усилителе получают наилучшую развязку между входом и выходом.

Цилиндрическим поверхностям активных элементов обычно придают шероховато-полированную зернистую структуру, что нарушает полное внутреннее отражение и подавляет возможную паразитную генерацию лазера на нежелательных типах колебаний.

У монокристалла розового рубина отчетливо выражены дихроизм (рис. 15) и двулучепреломление. Поэтому для улучшения однородности излучения ось активного элемента чаще всего выбирают совпадающей с оптической осью монокристалла.

Рис. 15. Спектр поглощения иона хрома в рубине в видимом и ближнем УФ диапазонах. Виден дихроизм в зеленой полосе поглощения 4F2

сечение, 10-20см2

20	4F1	4F2
15		E||c
10
5			2E
		E c
200	400	600	800
	длина волны, нм

Влияние дихроизма учитывают при монтаже лазера, так что прямое излучение ламп падает на активный элемент в направлении наибольшего поглощения. Иногда ось активного элемента ориен-

49

тируют ортогонально оптической оси монокристалла. В таком случае излучение лазера имеет линейную поляризацию, жестко привязанную к ориентации оптической индикатрисы кристалла.

3.2. Источники излучения накачки

Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы, заполненные ксеноном или криптоном при типовом давлении 500 Торр. Такие лампы дают практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения (пунктирная линия на рис. 15, рис. 16).

спектральная плотность,

мВт/cм2/100 Å

криптон

ксенон

поглощение в рубине

длина волны, мкм

Рис. 16. Спектры излучения импульсных газоразрядных ламп. Для сравнения показан спектр поглощения рубина

Активный элемент вместе с лампами накачки монтируют в герметичном светоотражателе (рис. 17). Лампы и светоотражатель

всборе называют осветителем лазера; осветитель в сборе с активным элементом называют излучателем или квантроном. В современных лазерах чаще всего применяют прямолинейные импульсные газоразрядные лампы. Спиральные лампы, которые применяли

впервых образцах рубиновых лазеров, ныне встречаются редко.

50

В принципе спиральная лампа должна быть более эффективным источником излучения в сравнении с группой прямолинейных ламп, окружающих один и тот же рубиновый стержень, но осветители с линейными лампами проще по конструкции, компактнее, удобнее в работе и в ремонте. Практический опыт показал, что важное значение имеет компактное размещение ламп накачки и активного элемента, а диффузные светоотражатели в сравнении с зеркальными обеспечивают более однородную накачку.

	кожух
	рассеиватель
	(порошок MgO)
	вода
Рис. 17. Поперечное сечение	стекло
излучателя рубинового лазера
с диффузным светоотражателем	лампа
	рубин

Расчет оптимальной схемы освещения активного элемента довольно сложен из-за необходимости учета множества косых лучей от протяженного источника света. Во всяком случае, вряд ли следует учитывать лучи, один раз прошедшие через рубин, так как они почти полностью поглощаются на толщине стержня (~1 см). Газоразрядный столб в лампе накачки считают непрозрачным для его собственного излучения из-за большой концентрации атомов газа. На практике схему освещения чаще выбирают по результатам испытаний, и в последующих разработках стараются воспроизвести удачный испытанный вариант.

Особенность рубинового лазера как трехуровневого требует добиваться как можно более однородного освещения активного элемента по всему его объему. Для этого длина ламп, размеры корпуса осветителя, светоотражателя и активного элемента должны быть оптимально согласованы. Стандартный ряд размеров активных элементов, выпускаемых промышленностью, согласован с рядом размеров импульсных газоразрядных ламп.

51