Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема первого рубинового лазера.

Рубиновый лазер представляет собой твердотельный лазер , который использует синтетический рубиновый кристалл в качестве своей усиливающей среды . Первым работающим лазером был рубиновый лазер, сделанный Теодором Х. «Тедом» Мейманом в исследовательских лабораториях Хьюза 16 мая 1960 года. [1] [2]

Рубиновые лазеры производят импульсы когерентного видимого света на длине волны 694,3  нм , которая имеет темно-красный цвет. Типичная длительность импульса рубинового лазера составляет порядка миллисекунды .

Дизайн [ править ]

Рубиновый лазерный стержень. Вставка: кристально чистый вид через стержень
Смотрите также: Лазерное строительство

Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который необходимо накачивать очень высокой энергией, обычно от лампы-вспышки , чтобы добиться инверсии населенности . Стержень часто помещают между двумя зеркалами, образуя оптическую полость , которая генерирует свет, создаваемый флуоресценцией рубина , вызывая стимулированное излучение . Рубин - один из немногих твердотельных лазеров, которые излучают свет в видимом диапазоне спектра, генерируя на 694,3 нм лазера темно-красного цвета с очень узкой шириной линии 0,53 нм. [3]

Рубиновый лазер - это трехуровневый твердотельный лазер . Активная лазерная среда (лазер усиление / усиление среда) представляет собой синтетический рубин стержень , который находится под напряжением через оптическую накачку , как правило , с помощью ксенона ксеноновой лампы-вспышки. Рубин имеет очень широкие и мощные полосы поглощения в визуальном спектре при 400 и 550 нм и очень долгое время жизни флуоресценции, составляющее 3 миллисекунды. Это позволяет накачивать очень высокую энергию, поскольку длительность импульса может быть намного больше, чем при использовании других материалов. Хотя рубин имеет очень широкий профиль поглощения, его эффективность преобразования намного ниже, чем у других сред. [3]

В ранних примерах концы стержня нужно было отполировать с большой точностью, чтобы концы стержня были плоскими с точностью до четверти длины волны выходящего света и параллельны друг другу в пределах нескольких угловых секунд. Точно отполированные концы стержня были посеребрены ; один конец полностью, другой только частично. В этом случае стержень с его отражающими концами действует как эталон Фабри-Перо (или эталон Жира-Турнуа ). В современных лазерах часто используются стержни с антиотражающим покрытием или с концами, обрезанными и отполированными под углом Брюстера . Это устраняет отражения от концов стержня. Затем внешние диэлектрические зеркала используются для формирования оптического резонатора.Изогнутые зеркала обычно используются для уменьшения допусков на центрирование и для формирования устойчивого резонатора, часто компенсирующего тепловое линзирование стержня. [3] [4]

Пропускание рубина в оптическом и ближнем ИК спектрах. Обратите внимание на две широкие синие и зеленые полосы поглощения и узкую полосу поглощения при 694 нм, которая является длиной волны рубинового лазера.

Рубин также поглощает часть света на своей длине волны генерации. Чтобы преодолеть это поглощение, необходимо прокачать стержень по всей длине, не оставляя затемненных участков возле креплений. Активная часть рубина - это легирующая добавка , которая состоит из ионов хрома , взвешенных в синтетическом кристалле сапфира . Легирующая добавка часто составляет около 0,05% кристалла и отвечает за все поглощение и испускание излучения. В зависимости от концентрации допанта синтетический рубин обычно бывает розового или красного цвета. [3] [4]

Приложения [ править ]

Одно из первых применений рубинового лазера было в дальномере. К 1964 году рубиновые лазеры с вращающимися призматическими переключателями добротности стали стандартом для военных дальномеров , пока десять лет спустя не были представлены более эффективные дальномеры Nd: YAG . Рубиновые лазеры использовались в основном в исследовательских целях. [5] Рубиновый лазер был первым лазером, который использовался для оптической накачки перестраиваемых лазеров на красителях и особенно хорошо подходит для возбуждения лазерных красителей, излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне. [6] Рубиновые лазеры редко используются в промышленности, в основном из-за низкой эффективности и низкой частоты повторения. Одно из основных промышленных применений - сверление отверстий через алмаз.потому что мощный луч рубина точно соответствует широкой полосе поглощения алмаза (полоса GR1) в красном цвете. [5] [7]

Рубиновые лазеры отказались от использования с открытием лучших лазерных сред. Они все еще используются в ряде приложений, где требуются короткие импульсы красного света. Голографы по всему миру создают голографические портреты с помощью рубиновых лазеров размером до квадратного метра. Из-за его высокой импульсной мощности и хорошей длины когерентности красный лазерный свет 694 нм предпочтительнее зеленого света 532 нм Nd: YAG с удвоенной частотой , который часто требует нескольких импульсов для больших голограмм. [8] Многие лаборатории неразрушающего контроля используют рубиновые лазеры для создания голограмм крупных объектов, таких как авиационные шины, для поиска слабых мест в облицовке. Рубиновые лазеры широко использовались в тату и татуировках.удаление волос , но в этом приложении они заменяются лазерами на александрите и Nd: YAG .

История [ править ]

Оригинальный рубиновый лазер Маймана

Рубиновый лазер был первым работающим лазером. Построенный Теодором Мейманом в 1960 году, устройство было создано на основе концепции «оптического мазера», мазера, который мог работать в видимой или инфракрасной областях спектра.

В 1958 году, после того как изобретатель мазера Чарльз Таунс и его коллега Артур Шавлов опубликовали в Physical Review статью об идее оптических мазеров, началась гонка за созданием работающей модели. Рубин успешно использовался в мазерах, поэтому он был лучшим выбором в качестве возможного носителя. Во время посещения конференции в 1959 году Майман слушал речь Шавлоу, в которой описывалось использование рубина в качестве лазерной среды. Шавлов заявил, что розовый рубин, имеющий самое низкое энергетическое состояние, которое было слишком близко к основному состоянию, потребует слишком большой накачки.энергия для работы лазера, предлагая красный рубин как возможную альтернативу. Майман, много лет проработавший с рубином и написавший статью о флуоресценции рубина, чувствовал, что Шавлов «слишком пессимистичен». Его измерения показали, что самый низкий уровень энергии розового рубина может быть по крайней мере частично истощен за счет накачки очень интенсивным источником света, и, поскольку рубин был легко доступен, он все равно решил попробовать. [9] [10]

На конференции также присутствовал Гордон Гулд . Гоулд предположил, что с помощью импульса лазера можно получить максимальную мощность в мегаватт. [11]

Компоненты оригинального рубинового лазера

Со временем многие ученые начали сомневаться в полезности любого цветного рубина в качестве лазерной среды. Мейман тоже испытывал сомнения, но, будучи очень «целеустремленным человеком», продолжал тайно работать над своим проектом. Он искал источник света, который был бы достаточно интенсивным, чтобы накачать стержень, и эллиптическую полость накачки с высокой отражательной способностью, чтобы направить энергию в стержень. Он нашел свой источник света, когда продавец из General Electric показал ему несколько ксеноновых ламп., утверждая, что самый большой из них может воспламенить металлическую вату, если поместить его рядом с трубкой. Майман понял, что при такой интенсивности ему не нужна такая сильно отражающая полость накачки, а со спиральной лампой не нужно, чтобы она имела эллиптическую форму. Майман сконструировал свой рубиновый лазер в исследовательской лаборатории Хьюза в Малибу, Калифорния. [12] Он использовал розовый рубиновый стержень размером 1 см на 1,5 см и 16 мая 1960 года зажег устройство, выпустив первый луч лазерного света. [13]

Оригинальный рубиновый лазер Теодора Маймана все еще работает. [14] Это было продемонстрировано 15 мая 2010 года на симпозиуме, организованном в Ванкувере, Британская Колумбия , Мемориальным фондом доктора Теодора Маймана и Университетом Саймона Фрейзера , где доктор Майман был адъюнкт-профессором в Школе инженерных наук. Оригинальный лазер Маймана был направлен на экран проектора в затемненной комнате. В центре белой вспышки (утечка из ксеноновой лампы-вспышки) на короткое время было видно красное пятно.

Рубиновые лазеры не выдавали одиночный импульс, а давали серию импульсов, состоящую из серии нерегулярных всплесков в пределах длительности импульса. В 1961 году RW Hellwarth изобрел метод добротности , чтобы сконцентрироваться на выходе в один импульс. [15]

Рубиновый лазерный пистолет, сконструированный Стэнфордским университетом. профессор физики в 1964 году для демонстрации лазера своим классам. Пластиковый корпус, переработанный из игрушечного лучевого ружья, содержал рубиновый стержень между двумя лампами-вспышками (справа) . Импульс когерентного красного света был достаточно сильным, чтобы лопнуть синие шары (показаны слева), но не красные шары, которые отражали свет.

В 1962 году Уиллард Бойл , работая в Bell Labs , произвел первое непрерывное излучение рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет от ртутной дуговой лампы накачивался на конец очень маленького стержня для достижения необходимой инверсии населенности. Лазер излучал не непрерывную волну , а, скорее, непрерывную серию импульсов, что давало ученым возможность изучить выбросы рубина с пиками. [16] Рубиновый лазер непрерывного действия был первым лазером, который использовался в медицине. Его использовал Леон Гольдман, пионер лазерной медицины., для таких процедур, как удаление татуировок, лечение рубцов, а также для ускорения заживления. Из-за ограничений по выходной мощности, возможности настройки и сложностей при эксплуатации и охлаждении блоков рубиновый лазер непрерывного действия был быстро заменен более универсальными лазерами на красителях , Nd: YAG и аргоне . [17]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Майман, TH (1960) «Стимулированное оптическое излучение в рубине». Nature , 187 4736, стр. 493-494.
  2. ^ "Скончался изобретатель лазера Майман; дань будет дань годовщине первого лазера" . Laser Focus World. 2007-05-09 . Проверено 14 мая 2007 .
  3. ^ a b c d Принципы лазеров Орацио Свелто - Plenum Press, 1976, стр. 367–370.
  4. ^ a b Основы лазера Уильям Томас Сильфваст - Издательство Кембриджского университета, 1996 г., стр. 547-549.
  5. ^ a b Технология твердотельного лазера Вальтера Кехнера - Springer-Verlag 1965, стр. 2.
  6. ↑ FJ Duarte и LW Hillman (Eds.) (1990). Принципы лазера на красителях . Академический. С. 240–246.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  7. ^ http://accreditedgemologies.org/lightingtaskforce/OpticalAbsorptionand.pdf
  8. ^ Сильфваст, Уильям Томас. Основы лазера . Кембриджский университет. п. 550.
  9. ^ История лазера Марио Бертолотти - IOP Publishing 2005, стр. 211–218
  10. ^ Как лазерный Happened: Приключения ученого По Таунс - Oxford University Press1999 стр 85-105.
  11. ^ Как лазер случился: приключения ученого Чарльз Х. Таунс - Oxford University Press, 1999, стр. 104.
  12. ^ Луч Джеффа Хехта - Oxford University Press 2005, стр. 170–172
  13. ^ Как лазерный Happened: Приключения Scientist По Таунс - Oxford University Press 1999 страница 105
  14. ^ "Видео: первый лазерный луч Маймана снова светит" . Отдел новостей SPIE . 2010-05-20 . Проверено 9 июля 2010 года .
  15. ^ Твердотельная лазерная инженерия Вальтером Кехнером - Springer-Verlag 1965, стр.1
  16. ^ Астронавтика 1962 - страница 74 http://www.gravityassist.com/IAF3-1/Ref.%203-49.pdf
  17. ^ Лазеры в эстетической хирургии Грегори С. Келлер, Кеннет М. Тофт, Виктор Лакомб, Патрик Ли, Джеймс Уотсон - Thieme Medical Publishers 2001, стр. 254.

Внешние ссылки [ править ]