Длина волны света, генерируемого в лазерах различного типа, лежит между 0,25 мк и несколькими микронами.
Сначала были созданы лазеры, в которых основной деталью — излучающим телом — был искусственный рубин, размерами и формой напоминающий обычный карандаш. Рубин — это прозрачный, розоватый кристалл Аl2O3 с примесью Cr2O3. Чтобы понять, почему рубин может быть излучающим телом, надо разобраться в энергетических уровнях его атомов.
На рисунке 16 показана схема энергетических уровней иона хрома Cr+++ в розовом рубине. Наименьшей энергии иона хрома соответствует уровень 1, т. е. уровень его основного состояния. Возбужденным состояниям иона соответствуют уровень 2 и полоса 3, в которой много энергетических уровней. Облучая кристалл белым светом, можно перевести ионы хрома из основного состояния на один из уровней полосы 3. Из всей энергии белого света полезно используется в рубине спектральный участок, соответствующий переходам от верхнего до нижнего края полосы 3. Если бы ширина полосы 3 была незначительна, даже мощному источнику света не удалось бы перевести большое число ионов хрома в состояние 3.
Из этого состояния ионы хрома в подавляющем большинстве возвращаются в основное состояние через промежуточный уровень 2. На уровень 2 они переходят с полосы 3, отдавая кристаллической решетке рубина часть энергии Е3-E2. Если в состоянии 2 ионы хрома задержатся на какое-то заметное время, то достаточно мощным облучением рубина можно добиться, что на энергетическом уровне 2 будет больше ионов хрома, чем в основном состоянии 1.
Из энергетического состояния 2 атомы хрома переходят в основное состояние 1, излучая поток ярко-красного света с длиной волны в
0,6943 мк. Частота этого излучения равна (E2-E1)/h. Пользуясь формулой n=c/n и обозначая E2-Е1
как E21, мы получим l=hc/E21.
Это излучение, образующееся в процессе перехода ионов хрома с уровня 2 на уровень 1, окрашивает рубин в характерный для него красный, рубиновый цвет. Такое свечение называется люминесценцией. Оно распространяется по всевозможным направлениям, и его еще нельзя назвать лазерным излучением. Чтобы рубиновый стержень мог работать как лазер, его торцы А и Б должны быть параллельными с очень высокой точностью.
Рис. 16. Фотоны, испускаемые источником белого света с энергией от hn1=DE3 до hn2=DЕ3+DЕn забрасывают ионы хрома на полосу 3. С полосы 3 ион хрома переходит на уровень 2, не испуская свет. Не нужно думать, что ион хрома при этом движется: он находится все время на одном и том же месте в кристаллической решетке рубина. Изменяется только его энергия. С уровня E2 ионы переходят на уровень E1 самопроизвольно или под воздействием пролетающего рядом фотона. В результате этого перехода излучается фотон hn=E2-Е1.
Современная техника в состоянии обработать кристалл с такой точностью. Торцы А и Б тщательно отполированы и посеребрены. На торце Б толстый слой серебра, он полностью отражает падающий на него свет. На другой торец нанесен тонкий слой серебра, и, так как в очень тонком слое металлы прозрачны, этот торец пропускает некоторую долю падающего на него света.
Рубиновый стержень окружен спиралеобразной импульсной лампой В (рис. 17). Эта лампа освещает рубиновый стержень мощным све-
Рис. 17. Рубиновый лазер.
181