2. Struktura fizyczna pręta rubinowego do lasera

Pręty rubinowe do laserów są zwykle wytwarzane w kształtach cylindrycznych, o średnicach od kilku milimetrów do 10 mm i długościach od 30 do 150 mm, w zależności od wymagań aplikacji. Ta geometria optymalizuje wewnętrzne odbicie światła i wzmocnienie wewnątrz wnęki lasera.

Koncentracja domieszkowania jonów Cr³⁺ wynosi zwykle około 0,05%, starannie skalibrowany poziom, który równoważy wydajność absorpcji i emisję światła. Atomy chromu są wprowadzane podczas wzrostu kryształu, zastępując niektóre atomy glinu w sieci szafirowej, tworząc centra lasera.

3. Zasada działania pręta rubinowego do lasera

3.1 Wzbudzenie jonów chromu

Laser rubinowy to laser półprzewodnikowy pompowany lampą błyskową. Kiedy światło o wysokiej energii z lampy błyskowej ksenonowej naświetla pręt rubinowy, jony Cr³⁺ pochłaniają fotony, szczególnie w zielonym i niebieskim zakresie widma widzialnego. Ten proces wzbudzenia podnosi elektrony do wyższych poziomów energii.

3.2 Stan metastabilny i inwersja populacji

Po wzbudzeniu elektrony w jonach Cr³⁺ spadają do stanu metastabilnego, gdzie mogą pozostać przez mikrosekundy bez utraty energii. To opóźnienie umożliwia narastanie inwersji populacji — warunku, w którym więcej elektronów zajmuje stan wzbudzony niż stan podstawowy. Jest to warunek wstępny do wystąpienia emisji wymuszonej.

3.3  Emisja wymuszona i wyjście lasera

Kiedy foton o odpowiedniej długości fali (694,3 nm, głęboka czerwień) wchodzi w interakcję ze wzbudzonym jonem Cr³⁺, wyzwala emisję drugiego fotonu w idealnej fazie i kierunku—światło spójne. Ta reakcja łańcuchowa generacji fotonów wytwarza potężną wiązkę lasera.

3.4 Rezonator optyczny i wzmacnianie

Pręt rubinowy umieszcza się między dwoma lustrami tworzącymi rezonansową wnękę optyczną. Jedno lustro jest w pełni odblaskowe, a drugie częściowo przepuszczalne. Światło odbija się wielokrotnie przez pręt, stymulując dalsze emisje, aż spójne światło wydostanie się jako wąska wiązka lasera z wyjścia.

4. Pionierska rola w historii laserów

Laser rubinowy przeszedł do historii w 1960 roku, kiedy fizyk Theodore Maiman po raz pierwszy zademonstrował jego działanie w Hughes Research Laboratories. Było to pierwsze urządzenie, które zamieniło teoretyczną koncepcję LASERA (Wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania) w rzeczywistość. Ten przełom położył podwaliny pod dziesięciolecia innowacji optycznych i pozycjonował laser rubinowy jako podstawę wszystkich technologii laserowych.

5. Zalety i wady laserów rubinowych

5.1 Zalety

i. Prosta konstrukcja
Lasery rubinowe są strukturalnie proste, co czyni je dostępnymi do edukacji, prototypowania i badań.

ii. Trwałe medium półprzewodnikowe
Syntetyczny pręt rubinowy jest mechanicznie wytrzymały, chemicznie stabilny i mniej wrażliwy na warunki środowiskowe niż lasery gazowe lub barwnikowe.

iii. Doskonała jakość wiązki
Wytwarza ciasno skolimowaną, spójną czerwoną wiązkę o wysokiej rozdzielczości przestrzennej — idealną do holografii i niektórych zastosowań medycznych.

iv. Znaczenie historyczne
Lasery rubinowe stanowią kamień milowy technologiczny i pozostają symbolem innowacji laserowej.

6. Zastosowania laserów rubinowych

Chociaż zostały wyparte przez nowoczesne typy laserów, takie jak Nd:YAG, światłowodowe lub diodowe, lasery rubinowe są nadal używane w niszowych obszarach, w których ich specyficzna długość fali i impulsowe wyjście są korzystne:

• Holografia
  Spójne, stabilne czerwone światło jest idealne do rejestrowania wzorów interferencyjnych z dużą precyzją.

• Dermatologia medyczna
  Lasery rubinowe były używane do usuwania tatuaży, leczenia pigmentacji i odmładzania skóry ze względu na ich krótkie, wysokoenergetyczne impulsy.

• Badania nad materiałami
  Wykorzystywane w badaniach obejmujących interakcję światło-materia, laserowe przebicie i eksperymenty z ogrzewaniem impulsowym.

• Wczesne LIDAR i pomiar odległości
  Wysokoenergetyczne czerwone impulsy są skuteczne w pomiarze dużych odległości i wykrywaniu powierzchni z precyzją.

Wnioski

Pręt syntetyczny rubinowy do lasera pozostaje kultowym elementem w historii technologii laserowej. Wykorzystując dynamikę energii szafiru domieszkowanego chromem, umożliwił pierwszą udaną demonstrację wzmacniania spójnego światła. Chociaż nowsze technologie zajęły jego miejsce w głównych zastosowaniach, wpływ lasera rubinowego utrzymuje się zarówno w dziedzictwie naukowym, jak i w specjalistycznych przypadkach użycia. Służy on nie tylko jako funkcjonalne narzędzie, ale także jako symbol pomysłowości naukowej i początku ery laserowej.