Физика. Оптический резонатор

Рубиновый лазер — первый твердотельный лазер

Первый твердотельный лазер был построен в 1960 году американским физиком Теодором Майманом. Это был рубиновый лазер (рубин — Al2O3, где некоторые из узлов кристаллической решетки — в пределах 0,5% - заменены трижды ионизированным хромом; чем больше хрома — тем темнее цвет кристалла рубина).

Рубиновый цилиндр из максимально однородного кристалла, диаметром от 4 до 20 мм и длиной от 30 до 200 мм, размещается между двумя зеркалами, выполненными в виде слоев серебра, нанесенного на тщательно отполированные торцы данного цилиндра. Спиралевидная газоразрядная лампа обвивает цилиндр по всей его длине, и питается высоким напряжением через конденсатор.

При включении лампы, рубин интенсивно облучается, при этом атомы хрома переходят с уровня 1 на уровень 3 (находятся в этом возбужденном состоянии на протяжение менее чем 10^-7 секунд), здесь реализуются наиболее вероятные переходы на уровень 2 — на метастабильный уровень. Избыток энергии передается кристаллической решетке рубина. Спонтанные переходы с уровня 3 на уровень 1 незначительны.

Переход с уровня 2 на уровень 1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность нахождения на уровне 2 составляет около 10^-3 секунд, что в 10000 раз дольше, чем на уровне 3, в результате в рубине происходит накопление атомов с уровнем 2 — это и есть инверсная населенность уровня 2.

Спонтанно возникающие при спонтанных переходах, фотоны способны вызвать вынужденные переходы с уровня 2 на уровень 1 и спровоцировать лавину вторичных фотонов, но эти спонтанные переходы случайны, и их фотоны распространяются хаотично, в большинстве своем покидая пределы резонатора через боковую его стенку.

Но те из фотонов, которые попадают на ось, испытывают многократные отражения от зеркал, попутно вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые опять же спровоцируют вынужденное излучение и так далее. Эти фотоны станут двигаться в направлении аналогичном первичным, и поток вдоль оси кристалла будет лавинообразно усиливаться.

Многократно возросший поток фотонов выйдет через боковое полупрозрачное зеркало резонатора в форме светового пучка строгого направления, имеющего колоссальную интенсивность. Рубиновый лазер работает на длине волны 694,3 нм, при этом мощность в импульсе может доходить до 10⁹ Вт.