3. Генерациялазерного излучения

   1. Принципработылазера

Лазер – это генератор электромагнитных колебаний оптического диапа-зона. Любой генератор включает три базовые составляющие: усилитель, цепьположительной обратной связи (ПОС) и источник питания (рис. 3.1). Длявозникновениягенерации(возбуждениягенератора)должнывыполнятьсядва условия: фазовое и амплитудное. Фазовое условие генерации соответ-ствует принципу ПОС: фаза сигнала из цепи обратной связи (ОС) на входеусилителя должна совпадать с фазой выходного сигнала. Положительная ОС,вотличиеототрицательнойОС,являетсядестабилизирующейи«раскачива-

ет»усилитель.ЛюбоймалыйначальныйвходнойсигналU_{вхусиливается}до

определенного значенияU_вых, часть которого через цепь положительной об-ратнойсвязисинфазноподаетсянавходусилителя,вновьповышаетсяит.д.,

дотехпор,пока невозникнетустойчиваягенерация.В режиме генерацииуже отсутствует необходимость в начальном сигналеU_вх, и он может статьнулевым.Второенеобходимоедлягенерацииусловие–амплитудноефор-

мулируетсяследующимобразом:усилениедолжноскомпенсироватьвсеви-

дыпотерьэлектромагнитнойэнергии,имеющихсявгенераторе.

Источникпитания

U_вх ^Uвых

Рис.3.1.Структурная схемагенератора

В оптическом квантовом генераторе – лазере функции усилителя вы-полняет активная среда (АС), в которой нарушено термодинамическое рав-новесие и создана инверсия населенностей для пары энергетических уровней.В АС, в отличие от поглощающих сред, на верхнем энергетическом уровнеконцентрация возбужденных частиц больше, чем на нижнем уровне. Это со-здает возможность оптического усиления на длине волны λ, определяемойсвойствамиконкретнойАС.Активныесредыхарактеризуютсяпоказателем

усиленияχ_ус,показателем поглощенияχ_{пи протяженностью}L(рис.3.2).

Источник питания в лазерной технике обычно называют источникомнакачки,асампроцессвозбуждения–накачкойАС.Источникинакачкистроятсянаосновестабилизаторовтокаилинапряжения,питающихсяотэлектрическойсетипеременноготокалибоотавтономныхисточников.

ФункцииэлементаПОСвлазеревыполняетоптическийрезонатор(ОР),образуемый,какправило,двумяотражателями–зеркаламиЗ_1иЗ₂,ха-

рактеризуемыми, соответственно, коэффициентами отражения ρ₁и ρ₂. Зерка-ла обеспечивают циркуляцию потока квантов вдоль осиzОР и возврат частиквантов после отражения в активную среду. Фазовые условия генерации вы-полняются в ОР автоматически для тех колебаний, у которых на длине резо-натораLукладывается целое число полуволн или, иными словами, реализу-ются нулевые граничные условия для напряженности электрического поляоптическойволны.Рольначальногосигналавлазереиграеткакой-либо

«удачный» квант, распространяющийся вдоль оси резонатора. Чаще всего этоквант спонтанного излучения самой активной среды, сформированный в ре-зультатесамопроизвольнойрелаксациичастицы, находящейсянаверхнемэнергетическомуровне.

Зеркала З₁и З₂являются оптическими границами (рис. 3.3). При паде-нии потока на границу двух оптических сред с показателями преломленияn₁иn₂должен выполняться закон сохранения энергии: сумма отраженного (I_ρ),поглощенного (I_α) и пропущенного (I_τ) потоков должна равняться падающе-мупотоку(I₀):I_α+I_ρ+I_τ=I₀.Посленормировкиполучим:

_II

I₀ I₀

^I1

I₀

или

___1,

гдеα_λ,ρ_λ,τ_λ–спектральныекоэффициенты,соответственно,поглощения,отраженияи пропусканиянаопределенной длиневолны λ.

З₁

Рис.3.2.Структуралазера Рис.3.3. Оптическаяграница

ТогдадлякоэффициентовотражениякаждогоиззеркалЗ_1иЗ_{2лазера}ификсированнойрабочейдлиныволныможнозаписать: ρ₁₌1–α_1–τ_1и

ρ₂₌1–α_2–τ₂.Коэффициентыα_1~α₂₌10^–2…10^{–1называются}приведенны-

ми коэффициентами паразитных потерь зеркал и включают локальные поте-риизлучениякакнасамихзеркалах,такинаграницахактивнойсредыиоп-

тических элементов, дополнительно размещаемых в ОР. Левое зеркало З₁де-лается обычно непрозрачным (τ₁→ 0) и называется«глухим» или нерабо-чим.КоэффициентпропусканияправогозеркалаЗ_{2больше}нуляиимеетпо-

рядок τ₂= 10^–2…10^–1. Правое зеркало называют выходным, рабочим или по-лупрозрачным.

Привключенииисточниканакачки активнаясреданачинаетвозбуж-

даться,ичастицыпереходятнаверхнийэнергетическийуровень(W₂).Вка-

кой-то момент временипоявляется «удачный» первичный квант с энергиейhν =W₂–W₁,распространяющийся вдоль оси резонатора. При взаимодей-ствиисусиливающейсредойэтотквантпорождаетлавинуиндуцированных

квантов,распространяющихсявосевомнаправлении.Благодаряпроцессам

и

I

индуцированногоизлучения,реализующимсявинверснойсреде,вОРфор-

мируютсядвавстречныхпотокаквантов

^ I^{,многократнопронизы-}





вающихАС.ЧастьквантовпокидаетоптическийрезонаторчереззеркалоЗ₂,

образуявнешнеелазерноеизлучениемощностьюP=τ₂

I^{S,гдеS–пло-}



щадь сечения пучка. Другая часть потока квантов возвращается обратно в ак-тивную среду, обеспечивая необходимую для стационарной генерации сум-марнуюплотностьпотока квантов.