Қатты күйдегі лазер және рубин лазері

Кіріспе

Қатты күйдегі лазер

Рубин лазері – рубин синтетикалық кристаллын күшейткіш орта ретінде пайдаланатын қатты күйдегі лазер. Алғашқы жұмыс істейтін лазер 1960 жылдың 16 мамырында Хьюз зерттеу зертханасында Теодор Х. "Тед" Мейман жасаған. Рубин лазерлері 694,3 нм толқын ұзындығындағы когерентті көрінетін жарық импульстарын шығарады, ол терең қызыл түс болып табылады. Рубин лазерлік импульстарының ұзақтығы миллисекундтармен өлшеніп, шамамен сондай болады.

Дизайн

Рубин лазері көбінесе популяциялық инверсияға жету үшін өте жоғары энергиямен, әдетте импульстік лампадан, сорғылауды қажет ететін рубин таяқшадан тұрады. Таяқша көбінесе екі күзгүнің арасына орнатылып, оптикалық резонатор құрайды, ол рубиннің флуоресценциясынан туындаған жарықты тербеліске келтіреді, нәтижесінде мәжбүрлі шығарылым пайда болады. Рубин – спектрдің көрінетін аймағында жарық шығаратын сирек кездесетін қатты дене лазерлерінің бірі, 694,3 нанометрде лазерлік сәулеленуді, терең қызыл түсте, өте тар сызық енімен – 0,53 нм береді. Рубин лазері – үш деңгейлі қатты дене лазері. Белсенді лазерлік орта (лазерлік күшейту ортасы) – оптикалық сорғылау арқылы, әдетте ксенон импульстік лампасымен қуатталатын синтетикалық рубин таяқша. Рубин 400 және 550 нм толқын ұзындығындағы көрінетін спектрде өте кең және күшті сіңіру жолақтарына ие, сондай-ақ 3 миллисекундтік ұзақ флуоресценция ұзақтығына ие. Бұл импульс ұзақтығы басқа материалдарға қарағанда әлдеқайда ұзақ болғандықтан, өте жоғары энергиямен сорғылауға мүмкіндік береді. Рубиннің сіңіру профилі өте кең болғанымен, оның энергияны түрлендіру тиімділігі басқа орталарға қарағанда төмен. Рубин лазерлік сәулелену толқын ұзындығындағы жарықтың да бір бөлігін сіңіреді. Бұл сіңіруді жеңу үшін таяқшаның бүкіл ұзындығын сорғылау қажет, бекіткіштер маңында көлеңкелі аймақтар қалдырмау керек. Рубиндегі белсенді бөлік – допант, яғни синтетикалық сапфир кристаллында таратылған хром иондары. Допант көбінесе кристаллдың 0,05% құрайды, бірақ сәулеленудің сіңірілуі мен шығарылуының барлығына жауапты. Допанттың концентрациясына байланысты синтетикалық рубин әдетте қызғылт немесе қызыл түсте болады. Рубин лазері – оптикалық түрде сорғылағыш лазерлерді қолданған алғашқы лазер және жақын инфрақызыл сәулеленуді шығаратын лазерлік бояуларды оңай қоздыруға мүмкіндік береді. Рубин лазерлері өнеркәсіпте сирек қолданылады, себебі тиімділігі төмен және қайталану жиілігі аз. Оның негізгі өнеркәсіптік қолданысы – алмасты тесіп шығару, себебі рубиннің жоғары қуатты сәулесі қызыл аймақта алмастың кең сіңіру жолағымен (GR1 жолағы) жақсы сәйкес келеді. Рубин лазерлері жақсырақ лазерлік орталардың табылуымен қолданылу жиілігі азайды. Дегенмен, олар әлі де қызыл жарықтың қысқа импульстарын қажет ететін көптеген қолданыстарда қолданылады. Әлемдегі голографтар рубин лазерлерін пайдаланып, бір шаршы метрге дейінгі көлемде голографиялық портреттер жасайды. Жоғары импульстік қуаты мен жақсы когеренттілік ұзындығының арқасында қызыл 694 нм лазерлік жарық, жиі екі еселенген 532 нм жасыл Nd:YAG жарығынан артықшылыққа ие, себебі үлкен голограммалар үшін көбінесе бірнеше импульс қажет болады. Көптеген бұйымдарды сынау зертханалары рубин лазерлерін ұшақ шиналары сияқты үлкен нысандардың голограммаларын жасау үшін пайдаланады, осылайша қабықшадағы әлсіз жерлерді анықтайды. Рубин лазерлері татуировкаларды және шашты алу үшін кеңінен қолданылған, бірақ бұл мақсатта оларды александрит және Nd:YAG лазерлері ығыстырып шығарды.

A ruby laser most often consists of a ruby rod that must be pumped with very high energy, usually from a flashtube, to achieve a population inversion. The rod is often placed between two mirrors, forming an optical cavity, which oscillate the light produced by the ruby's fluorescence, causing stimulated emission. Ruby is one of the few solid state lasers that produce light in the visible range of the spectrum, lasing at 694.3 nanometers, in a deep red color, with a very narrow linewidth of 0.53 nm. The ruby laser is a three level solid state laser. The active laser medium (laser gain/amplification medium) is a synthetic ruby rod that is energized through optical pumping, typically by a xenon flashtube. Ruby has very broad and powerful absorption bands in the visual spectrum, at 400 and 550 nm, and a very long fluorescence lifetime of 3 milliseconds. This allows for very high energy pumping, since the pulse duration can be much longer than with other materials. While ruby has a very wide absorption profile, its conversion efficiency is much lower than other mediums. Ruby also absorbs some of the light at its lasing wavelength. To overcome this absorption, the entire length of the rod needs to be pumped, leaving no shaded areas near the mountings. The active part of the ruby is the dopant, which consists of chromium ions suspended in a synthetic sapphire crystal. The dopant often comprises around only 0.05% of the crystal, but is responsible for all of the absorption and emission of radiation. Depending on the concentration of the dopant, synthetic ruby usually comes in either pink or red. The ruby laser was the first laser used to optically pump tunable dye lasers and is particularly well suited to excite laser dyes emitting in the near infrared. Ruby lasers are rarely used in industry, mainly due to low efficiency and low repetition rates. One of the main industrial uses is drilling holes through diamond, because ruby's high powered beam closely matches diamond's broad absorption band (the GR1 band) in the red. Ruby lasers have declined in use with the discovery of better lasing media. They are still used in a number of applications where short pulses of red light are required. Holographers around the world produce holographic portraits with ruby lasers, in sizes up to a meter square. Because of its high pulsed power and good coherence length, the red 694 nm laser light is preferred to the 532 nm green light of frequency doubled Nd:YAG, which often requires multiple pulses for large holograms. Many non destructive testing labs use ruby lasers to create holograms of large objects such as aircraft tires to look for weaknesses in the lining. Ruby lasers were used extensively in tattoo and hair removal, but are being replaced by alexandrite and Nd:YAG lasers in this application.

Тарих

Рубин лазері – алғашқы жасалған лазер. Теодор Мейман 1960 жылы құрастырған бұл құрылғы, спектрдің көрінетін немесе инфрақызыл аймақтарында жұмыс істейтін "оптикалық мазер" тұжырымына негізделген. 1958 жылы мазерді ойлап тапқан Чарльз Таунс және оның әріптесі Артур Шаулоу, Physical Review журналында оптикалық мазер идеясы туралы мақала жариялағаннан кейін, жұмыс істейтін үлгіні жасауға жарыс басталды. Рубин бұрын мазерлерде сәтті қолданылғандықтан, оны мүмкін болатын орта ретінде алғашқы таңдау ретінде қарастырды. 1959 жылы конференцияға қатысқан Мейман, Шаулоудың рубиннің лазерлік орта ретінде қолданылуы туралы баяндамасын тыңдады. Шаулоу, қызғылт рубиннің ең төменгі энергия деңгейі негізгі деңгейге тым жақын екенін, лазерлік жұмыс істеу үшін тым көп энергия қажет ететінін айтты және қызыл рубинге балама ретінде қарауға болатынын ұсынды. Рубинмен көп жылдар бойы жұмыс істеген және рубиннің люминесценциясы туралы мақала жазған Мейман, Шаулоудың "әлдеқайда пессимистік" көзқарасқа ие екенін ойлады. Оның өлшеулері қызғылт рубиннің ең төменгі энергия деңгейін өте қарқынды жарық көзімен сору арқылы кем дегенде жартылай төмендетуге болатынын көрсетті, ал рубин қолжетімді болғандықтан, оны сынап көруге шешім қабылдады. Конференцияға Гордон Гулд та қатысты. Гулд лазерді импульстік режимде пайдалану арқылы мегаваттқа дейін шығыс қуатын алуға болатынын болжады. Уақыт өте келе көптеген ғалымдар лазерлік орта ретінде кез келген түсті рубиннің тиімділігіне күмәндана бастады. Мейман да өзінің күмәндануын сезінді, бірақ өте "мақсатқа бейілді" адам болғандықтан, жобасын құпия түрде жалғастырды. Ол таяқты соруға жеткілікті қуатты жарық көзін және энергияны таяққа бағыттайтын, жоғары шағылыстыру қабілетіне ие эллипстік сору қуысын іздеді. Ол қажетті жарық көзін General Electric компаниясының сатушысы көрсеткен кезде тапты. Сатушы көрсеткен ксенондық шамның ең үлкені, жақын жерге сталь жүнін қойса, оны тұтандыра алатынын мәлімдеді. Мейман мұндай қарқындылықта оған осылай жоғары шағылыстыру қабілетіне ие сору қуысының қажеті жоқ екенін, ал спиральді шаммен оған эллипстік пішін де қажет емес екенін түсінді. Мейман өзінің рубин лазерін Калифорния штатының Малибу қаласындағы Hughes Research Laboratories зертханасында құрастырды. Ол 1 см x 1,5 см өлшемді қызғылт рубин таяқты пайдаланды және 1960 жылдың 16 мамырында құрылғыны іске қосып, алғашқы лазерлік сәулені жасады. Теодор Мейманның алғашқы рубин лазері әлі де жұмыс істеп тұр. Ол 2010 жылдың 15 мамырында Ванкуверде (Британдық Колумбия) доктор Теодор Мейманның естелік қоры мен Саймон Фрейзер университетінің бірлесіп ұйымдастырған симпозиумында көрсетілді, онда Мейман Инженерлік ғылым мектебінде қонақ профессоры болып жұмыс істеген. Мейманның алғашқы лазері қараңғы бөлмедегі проектор экранына бағытталды. Ақ жарықтың ортасында (ксенондық шамнан шыққан шашырау) қысқа уақытқа қызыл нүкте көрінді. Рубин лазерлері бір импульс емес, импульстар сериясын берді, импульс ұзақтығында бір-бірінен өзгешеленетін тік қысықтардан тұрды. 1961 жылы Р.В. Хеллварт Q-свитинг әдісін ойлап тапты, бұл шығысты бір импульске шоғырландыруға мүмкіндік берді. 1962 жылы Bell Labs зертханасында жұмыс істейтін Уиллард Бойль рубин лазерінен алғашқы үздіксіз шығысты жасады. Әдеттегі жақтан сору әдісінен айырмашылығы, қажетті популяция инверсиясын алу үшін сынап аркалы шамның жарығы өте кішкентай таяқтың соңына сорғыланды. Лазер үздіксіз толқын шығармады, керісінше, үздіксіз импульстар тізбегін берді, бұл ғалымдарға рубиннің тік қысықты шығысын зерттеуге мүмкіндік берді. Ұзаққа созылған рубин лазері медицинада алғаш рет қолданылған лазер болды. Лазерлік медицинаның пионері Леон Голдман оны татуировкаларды жою, тыртықтарды емдеу және жазылу процесін жеделдету сияқты емдеулер үшін пайдаланды. Шығыс қуатының шектеулеріне, реттеу мүмкіндігінің жоқтығына және құрылғыларды пайдалану мен салқындатудағы қиындықтарға байланысты, Ұзаққа созылған рубин лазері тез арада бояу, Nd:YAG және аргон лазерлерімен ауыстырылды.

The ruby laser was the first laser to be made functional. Built by Theodore Maiman in 1960, the device was created out of the concept of an "optical maser," a maser that could operate in the visual or infrared regions of the spectrum. In 1958, after the inventor of the maser, Charles Townes, and his colleague, Arthur Schawlow, published an article in the Physical Review regarding the idea of optical masers, the race to build a working model began. Ruby had been used successfully in masers, so it was a first choice as a possible medium. While attending a conference in 1959, Maiman listened to a speech given by Schawlow, describing the use of ruby as a lasing medium. Schawlow stated that pink ruby, having a lowest energy state that was too close to the ground state, would require too much pumping energy for laser operation, suggesting red ruby as a possible alternative. Maiman, having worked with ruby for many years, and having written a paper on ruby fluorescence, felt that Schawlow was being "too pessimistic." His measurements indicated that the lowest energy level of pink ruby could at least be partially depleted by pumping with a very intense light source, and, since ruby was readily available, he decided to try it anyway. Also attending the conference was Gordon Gould. Gould suggested that, by pulsing the laser, peak outputs as high as a megawatt could be produced. As time went on, many scientists began to doubt the usefulness of any color ruby as a laser medium. Maiman, too, felt his own doubts, but, being a very "single minded person," he kept working on his project in secret. He searched to find a light source that would be intense enough to pump the rod, and an elliptical pumping cavity of high reflectivity, to direct the energy into the rod. He found his light source when a salesman from General Electric showed him a few xenon flashtubes, claiming that the largest could ignite steel wool if placed near the tube. Maiman realized that, with such intensity, he did not need such a highly reflective pumping cavity, and, with the helical lamp, would not need it to have an elliptical shape. Maiman constructed his ruby laser at Hughes Research Laboratories, in Malibu, California. He used a pink ruby rod, measuring 1 cm by 1.5 cm, and, on May 16, 1960, fired the device, producing the first beam of laser light. Theodore Maiman's original ruby laser is still operational. It was demonstrated on May 15, 2010, at a symposium co hosted in Vancouver, British Columbia by the Dr. Theodore Maiman Memorial Foundation and Simon Fraser University, where Dr. Maiman was adjunct professor at the School of Engineering Science. Maiman's original laser was fired at a projector screen in a darkened room. In the center of a white flash (leakage from the xenon flashtube), a red spot was briefly visible. The ruby lasers did not deliver a single pulse, but rather delivered a series of pulses, consisting of a series of irregular spikes within the pulse duration. In 1961, R. W. Hellwarth invented a method of q switching, to concentrate the output into a single pulse. In 1962, Willard Boyle, working at Bell Labs, produced the first continuous output from a ruby laser. Unlike the usual side pumping method, the light from a mercury arc lamp was pumped into the end of a very small rod, to achieve the necessary population inversion. The laser did not emit a continuous wave, but rather a continuous train of pulses, giving scientists the opportunity to study the spiked output of ruby. The continuous ruby laser was the first laser to be used in medicine. It was used by Leon Goldman, a pioneer in laser medicine, for treatments such as tattoo removal, scar treatments, and to induce healing. Due to its limits in output power, tunability, and complications in operating and cooling the units, the continuous ruby laser was quickly replaced with more versatile dye, Nd:YAG, and argon lasers.