Рубин - кристалл А12O3 (корунд) с небольшой добавкой ионов Сr3+, замещающих в кристаллич. решётке корунда ионы А1 и окрашивающих корунд в красный цвет (от розового до малиново-красного в зависимости от концентрации Сг). Темп-pa плавления 2050°С. По механич. свойствам Р. близок к корунду (одному из самых твёрдых минералов). Первоначальное применение в технике получил как материал для часовых подшипников; производство искусств. Р. вначале было налажено для нужд часовой промышленности. В квантовой электронике Р. с 1958 используют в качестве активного вещества в квантовых усилителям и твердотельных лазерах. Применение Р. в квантовой электронике связано с особенностями спектра Сr3+ и с механич. прочностью.
Уровни энергии иона Сr3+ в кристаллич. решётке корунда отличаются
от уровней свободного иона Сr3+. Внутрикристаллическое поле Екр
и дефекты кристаллич. решётки (в т. ч. механич. напряжения и тепловые
колебания 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 основного
уровня
на широкие полосы
соответствуют поглощению зелёного и фиолетового света. Переходы с
на узкие уровни
не
оказывают влияния на окраску кристалла, т. к. красный свет практически
не 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 магнитном
поле, направление котооого параллельно кристаллографической оси кристалла
и составляет с ней углы 54,7° и 90°.
При обычных темп-pax практически все ионы Сг3+ находятся
на двух нижних уровнях
,
отличаясь величиной проекции магн. момента на направление поля Eкр.
Частота перехода между ними v=11,9 ГГц. Каждый уровень иона Сr3+
в Р. дважды вырожден (противоположные знаки проекции магн. момента иона
на Екр). Магн. поле Н дополнительно расщепляет каждый из уровней
на 2, величина расщепления зависит от величины поля Н и его ориентации
относительно крис-таллографич. оси кристалла (рис. 2; см. Зеемана эффект ).Т.
о., в Р., находящемся в пост, поле Я, образуются 4 уровня, переходы между
к-рыми находятся в диапазоне СВЧ. Благодаря этому Р. может быть использован
как трёхуровневая система в квантовых парамагн. усилителях. Применение
Р. 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 широким
спектром излучения, соответствующим переходам с уровней
,
на полосы
,
. Подавляющее большинство возбуждённых ионов отдаёт часть своей энергии
тепловым колебаниям кристалла и переходит на уровни
,
к-рые не заселены при комнатной температуре. Время жизни ионов на уровнях
достаточно велико (3,5 мс), и большинство ионов скапливается на них. При
достаточно мощной накачке уменьшение населённостей уровней
и обогащение населённостей уровней
приводит
к 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 А12О3 и Сr2О3 в виде пудры сыплется сверху на выращиваемый кристалл, верхняя кромка которого находится в пламени горелки с температурой 2050 °С, достаточной для плавления рубина. Кристалл постепенно опускают, и расплавленный слой смеси, выходя из пламени, кристаллизуется.
Искусств. монокристаллы Р. выращиваются обычно по методу Вернейля в кислородно-водородном пламени (рис. 3; см. также Монокристаллов выращивание ).Удаётся получить монокристаллы Р. в виде стержней диаметром до 5 см и метровой длины.
|
|
 |
