Лазер рубиновый: принцип работы

Видео: Устройство и принцип действия лазера

Первые лазеры появились несколько десятилетий назад, и по сей день этот сегмент продвигается крупнейшими компаниями. Разработчики получают все новые качества оборудования, позволяя пользователям эффективнее его применять на практике.

Твердотельный лазер рубиновый не считается одним из самых перспективных устройств этого типа, но при всех своих недостатках он все же находит ниши в эксплуатации.

Общие сведения

Рубиновые лазеры относятся к категории твердотельных устройств. По сравнению с химическими и газовыми аналогами они имеют менее высокую мощность. Объясняется это разницей в характеристиках элементов, за счет которых обеспечивается излучение. К примеру, те же химические лазеры способны формировать световые потоки мощностью в сотни киловатт. Среди особенностей, которыми выделяется лазер рубиновый, отмечают высокую степень монохроматичности, а также когерентность излучения. Помимо этого, некоторые модели дают повышенную концентрацию световой энергии в пространстве, которой хватает на осуществление термоядерного синтеза за счет нагревания плазмы лучом.

Видео: Ruby Laser

Как видно из названия, в качестве активной среды лазера выступает кристалл рубина, представленный в форме цилиндра. При этом торцы стержня полируются особым образом. Чтобы лазер рубиновый смог обеспечить максимально возможную для него энергию излучения, стороны кристалла обрабатываются до момента достижения плоскопараллельного положения относительно друг друга. В то же время торцы должны быть перпендикулярны оси элемента. В некоторых случаях торцы, выступающие в некотором роде зеркалами, дополнительно покрываются диэлектрической пленкой или слоем серебра.

Устройство рубиновых лазеров

В состав прибора входит камера с резонатором, а также источник энергии, который возбуждает атомы кристалла. В качестве активатора вспышки может использоваться ксеноновая импульсная лампа. Световой источник располагается вдоль одной оси резонатора, имеющего цилиндрическую форму. На другой оси располагается рубиновый элемент. Как правило, используются стержни длиной 2-25 см.

Резонатор практически весь свет от лампы направляет на кристалл. Стоит отметить, что в условиях повышенных температур, которые требуются для оптической накачки кристалла, способны работать далеко не все ксеноновые лампы. По этой причине устройство рубинового лазера, в состав которого входят источники света на основе ксенона, рассчитывается на непрерывный режим работы, который также называют импульсным. Что касается стержня, то его обычно изготавливают из искусственного сапфира, который может соответствующим образом модифицироваться под эксплуатационные требования к лазеру.

Принцип работы лазера

Видео: Принцип работы лазерного принтера

При активации устройства за счет включения лампы происходит эффект инверсии с повышением уровня хромовых ионов в кристалле, в результате чего начинается лавинное увеличение количества числа испускаемых фотонов. При этом на резонаторе наблюдается обратная связь, обеспечиваемая зеркальными поверхностями на торцах твердотельного стержня. Так происходит выработка узконаправленного потока.

Длительность импульса, как правило, не превосходит 0,0001 с, что короче по сравнению с продолжительностью действия неоновой вспышки. Импульсная энергия лазера на рубине составляет 1 Дж. Как и в случае с газовыми устройствами, принцип работы рубинового лазера строится и на эффекте обратной связи. Это значит, что интенсивность светового потока начинает поддерживаться за счет зеркал, взаимодействующих с оптическим резонатором.

Режимы работы лазера

Чаще всего лазер с рубиновым стержнем применяется в режиме формирования упомянутых импульсов величиной в миллисекунду. Для достижения более продолжительного времени активности технологи повышают энергию оптической накачки. Делается это за счет применения мощных импульсных ламп. Так как поле нарастания импульса, обусловленное временем формирования электрического заряда в лампе-вспышке, характеризуется пологостью, работа рубинового лазера начинается с некоторой задержкой в моменты, когда количество активных элементов превосходит пороговые значения.

Иногда возникают и срывы генерации импульсов. Такие явления наблюдаются через определенные промежутки времени после понижения показателей мощности, то есть когда силовой потенциал опускается ниже пороговой величины. Рубиновый лазер теоретически может работать и в непрерывном режиме, но такая эксплуатация требует применения в конструкции более мощных ламп. Собственно, в данном случае разработчики сталкиваются с теми же проблемами, что и при создании газовых лазеров – нецелесообразность применения элементной базы с повышенными характеристиками и, как результат, ограничение возможностей устройства.

Виды

Польза от эффекта обратной связи наиболее ярко выражается в лазерах с нерезонансной связью. В таких конструкциях дополнительно применяется рассеивающий элемент, что позволяет излучать сплошной частотный спектр. Также применяется лазер рубиновый с модулированной добротностью – в состав его конструкции включаются два стержня, охлаждаемый и неохлаждаемый. Температурная разность позволяет формировать два лазерных пучка, которые разделяются по длине волны на ангстремы. Данные лучи просвечивают импульсный разряд, а сформированный их векторами угол отличается небольшим значением.

Где применяется рубиновый лазер?

Такие лазеры характеризуются невысоким коэффициентом полезного действия, но зато отличаются термической стойкостью. Этими качествами и обуславливаются направления практического использования лазеров. Сегодня их применяют в создании голографии, а также на производствах, где требуется выполнять операции пробивки сверхточных отверстий. Используют такие устройства и в сварочных операциях. Например, при изготовлении электронных систем для технического обеспечения спутниковой связи. В медицине также нашел свое место рубиновый лазер. Применение технологии в данной отрасли вновь объясняется возможностью высокоточной обработки. Такие лазеры используют как замену стерильных скальпелей, позволяющих выполнять микрохирургические операции.

Заключение

Видео: Принцип работы лазерного нивелира

Лазер с рубиновой активной средой в свое время стал первой работающей системой такого типа. Но по мере развития альтернативных устройств с газовыми и химическими наполнителями стало очевидно, что его эксплуатационные качества имеют множество недостатков. И это не говоря о том, что рубиновый лазер является одним из самых сложных с точки зрения изготовления. По мере повышения его рабочих свойств увеличиваются и требования к элементам, составляющим конструкцию. Соответственно, растет и себестоимость устройства. Впрочем, развитие моделей лазеров на рубиновом кристалле имеет свои основания, связанные, кроме прочего, с уникальными качествами твердотельной активной среды.