Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
РУБИН

РУБИН

РУБИН - кристалл А1₂O₃ (корунд) с небольшойдобавкой ионов Сr³⁺, замещающих в кристаллич. решётке корундаионы А1 и окрашивающих корунд в красный цвет (от розового до малиново-красногов зависимости от концентрации Сг). Темп-pa плавления 2050°С. По механич. <свойствам Р. близок к корунду (одному из самых твёрдых минералов). Первоначальноеприменение в технике получил как материал для часовых подшипников; производствоискусств. Р. вначале было налажено для нужд часовой промышленности. В квантовойэлектронике Р. с 1958 используют в качестве активного вещества в квантовых усилителями твердотельных лазерах. Применение Р. в квантовой электронике связанос особенностями спектра Сr³⁺ и с механич. прочностью.

Уровни энергии иона Сr³⁺ в кристаллич. решётке корунда отличаютсяот уровней свободного иона Сr³⁺. Внутрикристаллическое поле Е _кр и дефекты кристаллич. решётки (в т. ч. механич. напряжения и тепловыеколебания ионов) «размывают» уровни энергии Сr (рис. 1). Нек-рые уровни, <напр.превращаются в полосы. На положение др. уровней (напр., )электрич. поле влияет слабее, и их уширение незначительно. Переходы с основногоуровня на широкие полосы соответствуют поглощению зелёного и фиолетового света. Переходы с на узкие уровни неоказывают влияния на окраску кристалла, т. к. красный свет практическине поглощается. Т. о., положение и ширина полос поглощения определяют красный цвет Р.

Рис. 1. Схема энергетических уровней иона Сr³⁺ в рубине.

Рис. 2. Расщепление уровней иона Сr³⁺ в рубине в магнитномполе, направление котооого параллельно кристаллографической оси кристалла и составляет с ней углы 54,7° и 90°.

При обычных темп-pax практически все ионы Сг ³⁺ находятсяна двух нижних уровнях ,отличаясь величиной проекции магн. момента на направление поля E _кр.Частота перехода между ними v=11,9 ГГц. Каждый уровень иона Сr³⁺ в Р. дважды вырожден (противоположные знаки проекции магн. момента ионана Е _кр). Магн. поле Н дополнительно расщепляет каждый из уровней на 2, величина расщепления зависит от величины поля Н и его ориентацииотносительно крис-таллографич. оси кристалла (рис. 2; см. Зеемана эффект). Т. <о., в Р., находящемся в пост, поле Я, образуются 4 уровня, переходы междук-рыми находятся в диапазоне СВЧ. Благодаря этому Р. может быть использованкак трёхуровневая система в квантовых парамагн. усилителях. ПрименениеР. в квантовых усилителях обусловлено также большим временем его спин-решёточной релаксации при низких темп-pax и, следовательно, малой потребляемой мощностью накачки.

В лазере оптич. диапазона Р. накачивается светом от мощной лампы с широкимспектром излучения, соответствующим переходам с уровней ,на полосы ,. Подавляющее большинство возбуждённых ионов отдаёт часть своей энергиитепловым колебаниям кристалла и переходит на уровни ,к-рые не заселены при комнатной темп-ре. Время жизни ионов на уровнях достаточно велико (3,5 мс), и большинство ионов скапливается на них. Придостаточно мощной накачке уменьшение населённостей уровней и обогащение населённостей уровней приводитк инверсии населённостей уровней и, <следовательно, к генерации света с длиной волны (рис. 1), что соответствует красному свету (см. Твердотельный лазер).

Рис. 3. Выращивание рубина по методу Вернейля. Смесь А1₂ О ₃ и Сr₂ О ₃ в виде пудры сыплется сверху на выращиваемыйкристалл, верхняя кромка которого находится в пламени горелки с температурой2050 °С, достаточной для плавления рубина. Кристалл постепенно опускают, <и расплавленный слой смеси, выходя из пламени, кристаллизуется.

Искусств. монокристаллы Р. выращиваются обычно по методу Вернейля вкислородно-водородном пламени (рис. 3; см. также Монокристаллов выращивание). Удаётсяполучить монокристаллы Р. в виде стержней диаметром до 5 см и метровойдлины.

Лит.: см. при ст. Твердотельный лазер, Квантовый усилитель.