Рубіновий Лазер: принцип роботи

Перші лазери з'явилися кілька десятиліть тому, і донині цей сегмент просувається найбільшими компаніями. Розробники отримують все нові якості обладнання, дозволяючи користувачам ефективніше його застосовувати на практиці. Твердотільний лазер рубіновий не вважається одним з найбільш перспективних пристроїв цього типу, але при всіх своїх недоліках він все ж знаходить ніші в експлуатації.

Загальні відомості

Рубінові лазери належать до категорії твердотільних пристроїв. Порівняно з хімічними та газовими аналогами вони мають менш високу потужність. Пояснюється це різницею у характеристиках елементів, за рахунок яких забезпечується випромінювання. Приміром, ті ж хімічні лазери здатні формувати світлові потоки потужністю в сотні кіловат. Серед особливостей, якими виділяється рубіновий лазер, відзначають високу ступінь монохроматичності, а також когерентність випромінювання. Крім цього, деякі моделі дають підвищену концентрацію світлової енергії в просторі, якої вистачає на здійснення термоядерного синтезу за рахунок нагрівання плазми променем.


Як видно з назви, у якості активного середовища лазера виступає кристал рубіна, представлений у формі циліндра. При цьому торці стрижня поліруються особливим чином. Щоб рубіновий лазер зміг забезпечити максимально можливу для нього енергію випромінювання, сторони кристала обробляються до моменту досягнення пласкопаралельної положення відносно один одного. У той же час торці повинні бути перпендикулярні осі елемента. У деяких випадках торці, виступаючі в деякому роді дзеркалами, додатково покриваються діелектричною плівкою або шаром срібла.

Пристрій рубінових лазерів

До складу пристрою входить камера з резонатором, а також джерело енергії, який збуджує атоми кристала. В якості активатора спалаху може використовуватися ксенонова імпульсна лампа. Світловий джерело розташовується уздовж однієї осі резонатора, що має циліндричну форму. На іншій осі розташовується рубіновий елемент. Як правило, використовуються стрижні довжиною 2-25 див. Резонатор практично весь світло від лампи направляє на кристал. Варто зазначити, що в умовах підвищених температур, які потрібні для оптичної накачки кристала, здатні працювати далеко не всі ксенонові лампи. З цієї причини пристрій рубінового лазера, до складу якого входять джерела світла на основі ксенону, розраховується на безперервний режим роботи, який також називають імпульсним. Що стосується стрижня, то його зазвичай виготовляють зі штучного сапфіра, який може відповідним чином модифікуватися під експлуатаційні вимоги до лазеру.

Принцип роботи лазера

При активації пристрою за рахунок включення лампи відбувається ефект інверсії з підвищенням рівня хромових іонів у кристалі, в результаті чого починається лавинне збільшення кількості числа випускаються фотонів. При цьому на резонаторі спостерігається зворотний зв'язок забезпечується дзеркальними поверхнями на торцях твердотільного стрижня. Так відбувається вироблення вузькоспрямованого потоку.
Тривалість імпульсу, як правило, не перевищує 00001 с, що коротшим порівняно з тривалістю дії неонової спалаху. Імпульсна енергія лазера на рубіні становить 1 Дж. Як і у випадку з газовими пристроями, принцип роботи рубінового лазера будується і на ефект зворотного зв'язку. Це значить, що інтенсивність світлового потоку починає підтримуватися за рахунок дзеркал, взаємодіючих з оптичним резонатором.

Режими роботи лазера

Найчастіше лазер з рубіновим стрижнем застосовується в режимі формування згаданих імпульсів величиною в мілісекунду. Для досягнення більш тривалого часу активності технологи підвищують енергію оптичної накачки. Робиться це за рахунок застосування потужних імпульсних ламп. Так як поле наростання імпульсу, обумовлене часом формування електричного заряду в лампи-спалаху, характеризується положистістю, робота рубінового лазера починається з деякою затримкою в моменти, коли кількість активних елементів перевищує порогові значення. Іноді виникають і зриви генерації імпульсів. Такі явища спостерігаються через певні проміжки часу після зниження показників потужності, тобто коли силовий потенціал опускається нижче порогової величини. Рубіновий лазер теоретично може працювати і в безперервному режимі, але така експлуатація вимагає застосування в конструкції більш потужних ламп. Власне, в даному випадку розробники стикаються з тими ж проблемами, що і при створенні газових лазерів – недоцільність застосування елементної бази з підвищеними характеристиками і, як результат, обмеження можливостей пристрою.

Види

Користь від ефекту зворотного зв'язку найбільш яскраво виражається в лазерах з нерезонансною зв'язком. У таких конструкціях додатково застосовується розсіює елемент, що дозволяє випромінювати суцільний частотний спектр. Також застосовується рубіновий лазер з модульованою добротністю – до складу його конструкції включаються два стрижня, охолоджуваний і неохолоджуваних. Температурна різниця дозволяє формувати два лазерних пучка, які розділяються по довжині хвилі на ангстреми. Дані промені просвічують імпульсний розряд, а сформований їх векторами кут відрізняється невеликим значенням.

Де застосовується рубіновий лазер?

Такі лазери характеризуються невисоким коефіцієнтом корисної дії, але зате відрізняються термічною стійкістю. Цими якостями і обумовлюються напрямки практичного використання лазерів. Сьогодні їх застосовують у створенні голографії, а також на виробництвах, де потрібно виконувати операції пробивання надточних отворів. Використовують такі пристрої і в зварювальних операціях. Наприклад, при виготовленні електронних систем для технічного забезпечення супутникового зв'язку. У медицині також знайшов своє місце рубіновий лазер. Застосування технології в даній галузі знов пояснюється можливістю високоточної обробки. Такі лазери використовують як заміну стерильних скальпелів, що дозволяють виконувати мікрохірургічні операції.

Висновок

Лазер з рубіновою активним середовищем у свій час став першою працюючою системою такого типу. Але по мірі розвитку альтернативних пристроїв з газовими та хімічними наповнювачами стало очевидно, що його експлуатаційні якості мають безліч недоліків. І це не кажучи про те, що рубіновий лазер є одним з найбільш складних з точки зору виготовлення. У міру підвищення його робочих властивостей збільшуються і вимоги до елементів, що складають конструкцію. Відповідно, зростає і собівартість пристрою. Втім, розвиток моделей лазерів на рубіновому кристалі має свої підстави, пов'язані, крім іншого, з унікальними якостями твердотільної активного середовища.