Рубиновый лазер: принцип работы и применение.

Введение

Лазер твердого тела — это лазер, в котором в качестве активной среды используется синтетический рубиновый кристалл. Первым действующим лазером был рубиновый лазер, созданный Теодором Х. "Тедом" Мейманом в Исследовательских лабораториях Hughes 16 мая 1960 года. Рубиновые лазеры генерируют импульсы когерентного видимого света с длиной волны 694,3 нм, что соответствует насыщенному красному цвету. Типичная длительность импульсов рубинового лазера составляет порядка миллисекунды.

Дизайн

Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который необходимо накачивать очень высокой энергией, обычно от импульсной лампы, для достижения инверсии населенностей. Стержень часто помещают между двумя зеркалами, образуя оптический резонатор, который заставляет колебаться свет, производимый флуоресценцией рубина, вызывая вынужденное излучение. Рубин – один из немногих твердотельных лазеров, излучающих в видимом диапазоне спектра на длине волны 694,3 нанометра, в глубоком красном цвете, с очень узкой шириной линии 0,53 нм. Рубиновый лазер является трех-уровневым твердотельным лазером. Активная лазерная среда (лазерная среда усиления) представляет собой синтетический рубиновый стержень, который накачивается посредством оптической накачки, обычно ксеноновой импульсной лампой. Рубин обладает очень широкими и мощными полосами поглощения в видимом спектре на 400 и 550 нм, а также длительным временем жизни флуоресценции – 3 миллисекунды. Это позволяет накачивать очень большую энергию, поскольку длительность импульса может быть значительно больше, чем для других материалов. Несмотря на широкий профиль поглощения рубина, его эффективность преобразования значительно ниже, чем у других сред. Рубин также поглощает часть света на длине волны генерации лазерного излучения. Для компенсации этого поглощения необходимо накачивать всю длину стержня, не допуская затененных участков вблизи креплений. Активной частью рубина является легирующая примесь – ионы хрома, диспергированные в синтетическом сапфировом кристалле. Легирующая примесь обычно составляет всего около 0,05% кристалла, но отвечает за все поглощение и излучение. В зависимости от концентрации легирующей примеси, синтетический рубин обычно имеет розовый или красный цвет. Рубиновый лазер был первым лазером, использованным для оптической накачки перестраиваемых лазеров на красителях, и особенно хорошо подходит для возбуждения лазерных красителей, излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне. Рубиновые лазеры редко используются в промышленности, главным образом из-за низкой эффективности и низкой частоты повторения импульсов. Одно из основных промышленных применений – сверление отверстий в алмазах, поскольку мощный луч рубина хорошо соответствует широкой полосе поглощения алмаза (полосе GR1) в красной области спектра. Рубиновые лазеры стали менее востребованными с появлением более эффективных 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 метра квадратного. Благодаря высокой импульсной мощности и хорошей длине когерентности, красный лазерный свет с длиной волны 694 нм предпочтительнее зеленому свету с длиной волны 532 нм, полученному путем удвоения частоты Nd:YAG лазера, который часто требует нескольких импульсов для создания больших голограмм. Многие лаборатории неразрушающего контроля используют рубиновые лазеры для создания голограмм крупных объектов, таких как авиационные шины, для выявления дефектов в покрышке. Рубиновые лазеры широко использовались для удаления татуировок и волос, но в этом применении их заменяют лазеры на основе александрита и Nd:YAG.

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.

История

Рубиновый лазер был первым лазером, который был сделан функциональным. Построенный Теодором Мейманом в 1960 году, прибор был создан на основе концепции "оптического мазера" – мазера, способного работать в видимой или инфракрасной областях спектра. В 1958 году, после публикации статьи Чарльза Таунса, изобретателя мазера, и его коллеги Артура Шаулоу в журнале Physical Review, посвященной идее оптических мазеров, началась гонка за созданием рабочей модели. Рубин уже успешно использовался в мазерах, поэтому он был первым выбором в качестве возможной среды. На конференции в 1959 году Мейман слушал доклад Шаулоу, в котором описывалось использование рубина в качестве лазерной среды. Шаулоу утверждал, что розовый рубин, имеющий самый низкий энергетический уровень, слишком близкий к основному состоянию, потребует слишком много энергии накачки для работы лазера, предлагая красный рубин в качестве возможной альтернативы. Мейман, работавший с рубином много лет и написавший статью о флуоресценции рубина, считал, что Шаулоу "слишком пессимистичен". Его измерения показали, что самый низкий энергетический уровень розового рубина может быть, по крайней мере, частично истощен накачкой с помощью очень интенсивного источника света, и, поскольку рубин был легко доступен, он решил попробовать его в любом случае. На конференции также присутствовал Гордон Гулд. Гулд предположил, что, импульсно воздействуя на лазер, можно получить пиковые мощности до мегаватта. Со временем многие ученые начали сомневаться в полезности рубина любого цвета в качестве лазерной среды. Сам Мейман тоже испытывал сомнения, но, будучи человеком "очень целеустремленным", продолжал работать над своим проектом втайне. Он искал источник света, достаточно интенсивный для накачки стержня, и эллиптическую накачивающую полость с высокой отражающей способностью для направления энергии в стержень. Он нашел источник света, когда торговый представитель General Electric показал ему несколько ксеноновых ламповых трубок, утверждая, что самые большие из них могут воспламенить стальную вату, если поместить их рядом с трубкой. Мейман понял, что при такой интенсивности ему не нужна такая высокоотражающая накачивающая полость, и с геликоидальной лампой ей не нужно было бы иметь эллиптическую форму. Мейман построил свой рубиновый лазер в Исследовательской лаборатории Hughes в Малибу, Калифорния. Он использовал розовый рубиновый стержень размером 1 см x 1,5 см и 16 мая 1960 года запустил прибор, создав первый луч лазерного света. Оригинальный рубиновый лазер Теодора Меймана до сих пор работает. Он был продемонстрирован 15 мая 2010 года на симпозиуме, совместно организованном в Ванкувере, Британская Колумбия, Мемориальным фондом доктора Теодора Меймана и Университетом Саймона Фрейзера, где доктор Мейман был адъюнкт-профессором Школы инженерных наук. Оригинальный лазер Меймана был направлен на экран проектора в затемненной комнате. В центре белой вспышки (утечки из ксеноновой ламповой трубки) на короткое время было видно красное пятно. Рубиновые лазеры не выдавали единичный импульс, а скорее серию импульсов, состоящих из серии нерегулярных пиков в течение длительности импульса. В 1961 году Р. В. Хеллварт изобрел метод Q-переключения для концентрации выходной энергии в один импульс. В 1962 году Уиллард Бойл, работавший в Bell Labs, получил первый непрерывный выход от рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет от ртутной дуговой лампы накачивался в конец очень маленького стержня для достижения необходимой инверсии населенностей. Лазер не излучал непрерывную волну, а скорее непрерывный поток импульсов, что дало ученым возможность изучить пиковую мощность рубина. Непрерывный рубиновый лазер был первым лазером, использованным в медицине. Леон Голдман, пионер лазерной медицины, использовал его для удаления татуировок, лечения шрамов и стимуляции заживления. Из-за ограничений по выходной мощности, возможности настройки и сложностей в эксплуатации и охлаждении устройств, непрерывный рубиновый лазер был быстро заменен более универсальными красителями, Nd:YAG и аргоновыми лазерами.

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.