Laser rubinowy

Podstawowym elementem laser rubinowego jest monokryształ tlenku glinu Al₂ O₃ z domieszką  atomów chromu, w kształcie walca (pręta) o średnicy  0,5 - 1 cm i długości 5 - 10 cm. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę, ponieważ silnie absorbują żółto-zieloną częścią widma. Schemat poziomów energetycznych atomów  chromu jest przedstawiony na rys.4. Absorbując światło o długości fali  l = 560 nm atomy chromu przechodzą w stan wzbudzenia E₂, który  tworzy pasmo energetyczne o pewnej szerokości. Przejście z pasma E₂ na poziom E₁ zachodzi dwuetapowo. W pierwszym etapie energia wzbudzenia przekazywana jest sieci krystalicznej rubinu i w postaci przejścia bezpromienistego następuje przejście na poziom E₃. Poziom E₃  jest poziomem metastabilnym, o czasie życia      3 ms (rys. 2), podczas gdy czas życia poziomu E₂ wynosi ok. 0,05 ms. Różnica w czasach życia tych poziomów umożliwia zaistnienie inwersji obsadzeń poziomu E₃. Oświetlenie rubinu silną wiązką światła białego powoduje masowe wzbudzenie atomów chromu do poziomu E₂. Proces ten nazywamy pompowaniem optycznym. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Komorę tę tworzy pręt rubinowy, którego powierzchnie czołowe są  wypolerowane, ściśle równoległe i prostopadłe do osi pręta. Jedna z powierzchni pokryta jest nieprzepuszczalną warstwą srebra, druga  zaś taką warstwą aby  przepuszczała  około 8% padających na nią fotonów. Pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstości hn = E₃ – E₁ , poruszającego się równolegle do osi pręta prowadzi do powstania procesu emisji  wymuszonej (rys.3b). Foton ten wymusza emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a  powstająca przy tym wiązka fotonów odbija się wielokrotnie od powierzchni lustrzanych  pręta rubinowego i oddziaływuje z nowymi, wzbudzonymi atomami (rys.3c). Prowadzi to do powstania lawinowego wzrostu natężenia promieniowania (rys.3d i 3e). Gdy wiązka ta stanie się dostatecznie silna, część  jej wychodzi przez  półprzezroczysty koniec kryształu (rys.3f).

Lasery rubinowe pracują impulsowo (z częstością rzędu kilku impulsów na minutę). Wewnątrz kryształu wydziela się duża ilość energii (ciepła), konieczne jest zatem jego intensywne chłodzenie. Uproszczony schemat lasera rubinowego pokazuje rys.5. Rubinowy pręt otoczony jest kilkoma zwojami spiralnej lampy błyskowej, której światło służy do pompowania optycznego. Wysyłana wiązka laserowa ma barwę czerwoną długości fali  l = 694,3 nm. 
Link do animacji: http://web.phys.ksu.edu/vqm/software/online/vqm/html/rubylaser.html