Рубиновый лазер - Ruby laser

Схема первого рубинового лазера.

А рубиновый лазер это твердотельный лазер который использует синтетический рубин кристалл как его получить средний. Первый рабочий лазер был рубиновый лазер, сделанный Теодор Х. "Тед" Майман в Исследовательские лаборатории Хьюза 16 мая 1960 г.[1][2]

Рубиновые лазеры производят импульсы когерентного видимый свет в длина волны из 694,3нм, который имеет темно-красный цвет. Типичная длительность импульса рубинового лазера составляет порядка миллисекунда.

Дизайн

Рубиновый лазерный стержень. Вставка: кристально чистый вид через стержень
Смотрите также: Лазерная конструкция

Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который должен быть накачанный с очень высокой энергией, обычно от вспышка, чтобы достичь инверсия населения. Стержень часто помещают между двумя зеркалами, образуя оптический резонатор, которые колеблют свет, излучаемый рубиновым флуоресценция, 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. В активная лазерная среда (усиление лазера /усиление средний) является синтетический рубин стержень, который питается через оптическая накачка обычно ксенон вспышка. 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. Тонко отполированные концы стержня были посеребренный; один конец полностью, другой только частично. Стержень с его отражающими концами затем действует как Эталон Фабри – Перо (или Эталон Жира-Турнуа ). В современных лазерах часто используются стержни с антиотражающие покрытия, или с концами, обрезанными и отполированными на Угол Брюстера вместо. Это устраняет отражения от концов стержня. Внешний диэлектрические зеркала затем используются для формирования оптического резонатора. Изогнутые зеркала обычно используются для уменьшения допусков на центровку и для создания стабильного 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 присадка, который состоит из хром ионы, взвешенные в синтетический сапфир кристалл. 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

Одно из первых применений рубинового лазера было в дальномере. К 1964 году рубиновые лазеры с вращающейся призмой q-переключатели стал стандартом для военных дальномеры, до внедрения более эффективных Nd: YAG дальномеры десять лет спустя. Рубиновые лазеры использовались в основном в исследовательских целях.[5] Рубиновый лазер был первым лазером, который использовался для перестраиваемой оптической накачки. лазеры 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 - просверливание сквозных отверстий. 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 производят голографический портреты с рубиновым лазером размером до квадратного метра. Из-за высокой импульсной мощности и хорошей длины когерентности красный лазерный свет 694 нм предпочтительнее зеленого света 532 нм. удвоенная частота Nd: YAG, что часто требует нескольких импульсов для больших голограмм.[8] Много неразрушающий контроль лаборатории используют рубиновые лазеры для создания голограмм крупных объектов, таких как авиационные шины, для поиска слабых мест в облицовке. Рубиновые лазеры широко использовались в татуировка и Удаление волос, но заменяются на александрит и Nd: YAG лазеры в этом приложении.

История

Оригинальный рубиновый лазер Маймана.
Оригинальный рубиновый лазер Маймана

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

В 1958 году, после изобретения мазера, Чарльз Таунс, и его коллега, Артур Шавлов, опубликовал статью в Физический обзор Что касается идеи оптических мазеров, началась гонка по созданию работающей модели. Рубин успешно использовался в мазерах, поэтому он был лучшим выбором в качестве возможного носителя. На конференции в 1959 году Майман слушал речь Шавлоу, в которой описывалось использование рубина в качестве лазерной среды. Шавлов заявил, что для розового рубина, имеющего самое низкое энергетическое состояние, которое было слишком близко к основному состоянию, потребуется слишком много накачивание 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 хотя бы частично истощен за счет накачки очень интенсивным источником света, и, поскольку рубин был легко доступен, он все равно решил попробовать.[9][10]

Также на конференции присутствовали Гордон Гулд. Гоулд предположил, что с помощью импульса лазера можно получить максимальную мощность в мегаватт.[11]

Компоненты оригинального рубинового лазера.
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. вспышки, утверждая, что самый большой из них может воспламенить металлическую вату, если поместить его рядом с трубкой. Мейман 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 включил устройство, выпустив первый луч лазерного света.[13]

Оригинальный рубиновый лазер Теодора Маймана все еще работает.[14] Он был продемонстрирован 15 мая 2010 г. на симпозиуме, организованном в г. Ванкувер, Британская Колумбия Мемориальным фондом доктора Теодора Маймана и Университет Саймона Фрейзера, где доктор Майман был адъюнкт-профессором Школы 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 Р. В. Хеллварт изобрел метод добротность, чтобы сконцентрировать выходной сигнал в виде одиночного импульса.[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 импульсными лампами. (верно). Импульс когерентного красного света был достаточно сильным, чтобы лопнуть синие шары (показано слева) но не красные шары, которые отражали свет.

В 1962 г. Уиллард Бойл, работая в Bell Labs, произвел первый непрерывный выход из рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет от ртутной дуговой лампы накачивался на конец очень маленького стержня, чтобы добиться необходимой инверсии населенности. Лазер не испускал непрерывная волна, а скорее непрерывная последовательность импульсов, дающая ученым возможность изучить пиковый выход рубина.[16] Рубиновый лазер непрерывного действия был первым лазером, который использовался в медицине. Его использовал Леон Гольдман, пионер в лазерная медицина, для таких процедур, как удаление татуировок, лечение рубцов, а также для ускорения заживления. Из-за его ограничений по выходной мощности, возможности настройки и сложностей в эксплуатации и охлаждении устройств рубиновый лазер непрерывного действия был быстро заменен на более универсальный. краситель, Nd: YAG, и аргоновые лазеры.[17]

Рекомендации

  1. ^ Майман, Т. (1960) "Вынужденное оптическое излучение в рубине". Природа, 187 4736, с. 493-494.
  2. ^ «Скончался изобретатель лазера Майман; будет дань памяти годовщине первого лазера». Laser Focus World. 2007-05-09. Получено 2007-05-14.
  3. ^ а б c d Принципы лазеров Орацио Свелто - Plenum Press, 1976, стр. 367–370.
  4. ^ а б Основы лазера Уильям Томас Сильфваст - Издательство Кембриджского университета, 1996 г., стр. 547-549.
  5. ^ а б Твердотельная лазерная техника Вальтер Кехнер - Springer-Verlag 1965, стр. 2.
  6. ^ Ф. Ж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.) (1990). Принципы лазера на красителях. Академический. С. 240–246.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)
  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 появился лазер: приключения ученого К Чарльз Х. Таунс - Oxford University Press, 1999, стр. 85–105.
  11. ^ Как появился лазер: приключения ученого Чарльз Х. Таунс - Oxford University Press, 1999, стр. 104.
  12. ^ Луч Джефф Хехт - Oxford University Press, 2005, стр. 170–172
  13. ^ Как появился лазер: приключения ученого К Чарльз Х. Таунс - Oxford University Press, 1999, стр. 105
  14. ^ "Видео: первый лазерный луч Маймана снова светит". Отдел новостей SPIE. 2010-05-20. Получено 9 июля, 2010.
  15. ^ Твердотельная лазерная техника Вальтер Кехнер - Springer-Verlag 1965 стр. 1
  16. ^ Космонавтика 1962 - стр.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 - издательство Thieme Medical Publishers 2001, стр. 254.

внешняя ссылка