Пристрій рубінового лазера.
Оптичний квантовий генератор складається з двох основних частин: активного середовища і резонатора.
У перших лазерах активним середовищем був кристал рубіна з домішкою близько 0,05% хрому (рис. 104). Цей основний елемент лазера зазвичай має форму циліндра діаметром 0,4-2 см і завдовжки 3-20 см. Торці циліндра 3 і 4 строго паралельні, і на них нанесено шар срібла. Одна з дзеркальних поверхонь частково прозора: 92% світлового потоку відбивається від неї і близько 8% пропускається нею.
Рубіновий стрижень поміщений всередині імпульсної ксенонової спиралевидной лампи 2, що живиться імпульсами високої напруги від батареї конденсаторів електроємна до заряджається до напруги в кілька тисяч вольт. При розряді через лампу конденсатори батареї віддають енергію в сотні тисяч джоулів. Загальна тривалість спалаху складає, а потужність лампи перевищує 107 Вт. Лампа є джерелом збудливого випромінювання. Інверсна населеність рівнів в рубін створюється використанням трьох рівнів енергії атомів хрому.
Атоми хрому, поглинаючи випромінювання з довжиною хвилі 560 нм, що міститься в спектрі лампи Ксенону, переходять з основного рівня на збуджений рівень Поглинання рубіном випромінювання лампи з
іншими довжинами хвиль викликає його нагрівання. Для запобігання від теплового руйнування рубін охолоджується рідким азотом.
Час життя атомів хрому на збудженому рівні мало. Для переходу з рівня на основний воно становить, а для переходу воно менше с. Тому велика частина атомів, порушених на рівень здійснює переходи на другий збуджений рівень
Час життя атома хрому на рівні порівняно велике - близько с. Цей рівень є метастабільним: Якщо потужність лампи-спалаху досить велика, то населеність метастабильного рівня виявиться більше, ніж населеність основного рівня. При досягненні інверсної населеності рівнів кристал рубіна стає активним середовищем.
Процес перекладу атомів з основного в збуджений стан називають накачуванням. Відповідно використовувану для цього імпульсну ксенонової лампи називають лампою накачування.
Досить одного атома хрому зробити спонтанний перехід з метастабільного рівня на основний з випусканням фотона з частотою якої відповідає довжина хвилі червоного світла 694,3 нм, як виникає лавина фотонів, викликана індукованим випромінюванням атомів хрому, що знаходяться в метастабільних станів. Якщо напрямок вильоту первинного фотона було перпендикулярно площині дзеркал резонатора, то з напівпрозорого дзеркала резонатора виривається монохроматическое, когерентне і остронаправленной випромінювання з довжиною хвилі 694,3 нм.
Процеси, які відбуваються в кристалі рубіна, схематично представлені на малюнку V кольоровий вклейки.
Кристал рубіна зображений на цій вклейці прямокутником; штрихуванням зліва позначено дзеркало; рідшою штрихуванням справа позначено частково прозоре дзеркало, що є і вихідним вікном для променя лазера. Атоми кристалічної решітки рубіна на малюнку не показані; кружками позначені атоми хрому, розподілені всередині кристалу хаотично.
До впливу світла все атоми хрому в кристалі знаходяться в основному стані, вони позначені світлими кружками (див. Рис. V, а на кольоровій вклейці). Під впливом фотонів світла різної частоти, що випускаються лампою накачування, більшість атомів хрому переходить у збуджений метастабільний стан. Збуджені атоми хрому позначені темними кружками (див. Рис. V, б на кольоровій вклейці).
Збуджений атом хрому при переході в основний стан випускає фотон світла. Всі напрямки для спонтанного випромінювання фотонів різновірогідні, і тому спочатку більшість випроменених фотонів залишає кристал, вилітаючи з нього за різними напрямками. Тільки фотони, що летять уздовж осі
рубінового стрижня, не можуть швидко його покинути, відчуваючи багаторазові відбиття від дзеркал на торцях кристала (див. рис. V, в на кольоровій вклейці). Пролітаючи поблизу збуджених атомів хрому, ці фотони викликають вимушене випромінювання таких же фотонів, що летять в тому ж напрямку. Цей процес розвивається лавиноподібно, і за короткий інтервал часу в нього виявляється залученою велика частина порушених атомів хрому: крізь частково прозоре дзеркало на правому торці кристала виривається потужний пучок когерентного світла (див. Рис. V, г на кольоровій вклейці).
Описаний режим роботи лазера називають режимом вільної генерації. Вільна генерація починається після спалаху лампи накачування і триває близько 1 мс. В цьому режимі отримані рекордні значення енергії випромінювання, досягає 1000 Дж в імпульсі при потужності близько Вт.
ККД рубінового лазера невеликий: він становить всього близько 1%. Такий низький ККД обумовлений багатьма причинами. Основними з них є наступні: не весь запас електричної енергії, що накопичується в конденсаторі, перетворюється в світлову енергію; лише частина світлового потоку лампи накачування поглинається рубіном.