2.6. Четырехуровневая схема

Накачка квантовой системы может происходить по четырехуровневой схеме, например, в газовом лазере. Наиболее известными лазерами, которые имеют четырехуровневую систему, являются лазеры на иттрево-алюминиевом гранате – YAG-лазеры.

Возбуждение осуществляется с уровня в верхнее состояние(рис. 2.7,а). Инверсия достигается между уровнямии. Для этого необходимо, чтобы уровеньбыстро заполнялся, а уровеньопустошался за счет процессови. Генерация происходит за счет вынужденных переходов. Переход с уровня накачкина уровень верхней лазерной генерации, а также переход на основной уровеньс нижнего уровня лазерной генерациипроисходит безызлучательно.

Рис. 2.7. Четырехуровневая схема (а) и зависимости относительной населенности уровней от интенсивности накачки (б).

Кинетические уравнения, описывающие изменение населенностей уровней в стационарном состоянии, будут иметь вид

(1)

Здесь в последнем уравнении учитывается тот факт, что нижний уровень генерации проходит над основным уровнем, за счет чего минимальная мощность накачки уменьшается пропорционально.

Чтобы возникла генерация необходимо .

На рис. 2.7,б показано распределение населенностей уровней в зависимости от интенсивности накачки . Видно, что незначительное накопление частиц на уровнеприводит к инверсии населенностей. Также как и в трехуровневой схеме, зависимость населенностей уровней от интенсивности накачки в режиме генерации будет отличаться от изображения на рис.2.7. За счет интенсивных вынужденных переходов в канале генерации2→1 значение будет уменьшаться, авырастать, приводя к насыщению населенностей уровней и показателя усиления.

Отметим, что пороговая плотность накачки по инверсии в четырехуровневой схеме близка к нулю, а пороговая накачка, соответственно началу генерации, может быть очень мала.

В заключении отметим, что мы рассмотрели схемы работы квантовых усилителей в стационарном режиме, полагая . Это справедливо при непрерывном режиме работы лазера, т.е. когда процессы накачки генерации продолжаются в течение времени, заметно превышающего характерной времени релаксации. Режим работы считается нестационарным, если длительность воздействия излучения на активную среду мала по сравнению с характерным временем релаксации квантовой системы. Использование нестационарных режимов накачки в ряде случаев позволяет получить инверсию населенностей между такими уровнями энергии, где в стационарных условиях она не может быть достигнута.

2.7. Оптические резонаторы

Для того чтобы лазерный усилитель превратить в генератор излучения, необходимо создать положительную обратную связь, т.е. часть усиленного выходного сигнала возвратить на вход. Важнейшим элементом квантовых генераторов является резонатор. За счет многократного отражения в резонаторе достигается наиболее полное взаимодействие электромагнитного излучения с активной средой.

Резонатор представляет собой оптическую систему, организующую многократное прохождение лучевых потоков по определенному локализованному участку пространства, где располагается активная среда прибора. Основная функция прибора - организация положительной обратной связи в схеме генератора и формирование заданных пространственных, частотных и поляризационных характеристик излучения.

Структурно резонатор представляет собой систему отражающих оптических элементов (зеркал). Пространство между зеркалами образуют полости резонатора. В одну или несколько полостей резонатора помещают активную среду и вспомогательные устройства.

В качестве оптических элементов резонатора используют зеркала с интерференционным и металлическим отражающим покрытием, диафрагмы, грани активного элемента, брюстеровские прозрачные пластины, призмы полного внутреннего отражения.

Под оптической осью резонатора понимают прямую или ломаную линию или замкнутый контур, вдоль которых распространяется после каждого обхода луч. Оптимальная работа генератора соответствует юстированному состоянию резонатора, в котором его ось проходит через центры всех апертурных элементов прибора. Нарушение такого положения, то есть разъюстировка резо­натора, приводит к возрастанию потерь, снижению интенсивности генери­руемого излучения вплоть до срыва генерации.

Резонаторы принято подразделять на устойчивые и неустойчивые. В устойчивом резонаторе параксиальный луч после ряда прохождений резонатора вновь возвращается в области вблизи нее. В неустойчивом резонаторе этот луч удаляется от оси и выходит из его полости.

Открытым резонатором называют резонатор, отражающие стенки которого не замкнуты. Открытый резонатор для оптического диапазона называют оптическим резонатором. Простейший оптический резонатор образуют два плоских зеркала, расположенные строго параллельно друг другу. Такой плоский резонатор можно рассмотреть как открытый резонатор, образованный из прямоугольного объемного резонатора, боковые стенки которого удалены (рис. 2.8). Прямая , проходящая через центры зеркал, называетсяоптической осью резонатора.

Электромагнитные волны, распространяющиеся в резонаторе, и для которых выполняется условие резонанса , будет интерферировать на максимум, образуя стоячую волну. Волны, распространяющиеся под углом (не слишком малым) к оптической оси, после нескольких отражений выводятся из резонатора. Этим и достигается разрешение спектра собственных колебаний открытого резонатора по сравнению с объемным. Колебания, распространенные строго вдоль оптической оси резонатора, определяют наивысшей добротностью и называютаксиальными колебаниями.

Рис. 2.8. Открытый резонатор.

Однако в любом резонаторе условие резонанса может выполняться не для одного, а для многих типов колебаний, так как q =1, 2, 3… Эти типы колебаний, для которых в данном резонаторе одновременно выполняется условие резонанса, называют модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод, лежащих в полосе спонтанного излучения активной среды (рис. 2.9). Для конкретного резонатора моды отстоят друг от друга по частоте на . Для получения одномодового режима используют специальные методы селекции мод. В пределах спектральной линии активного вещества укладываются много (от десятков до десятков тысяч) собственных типов колебаний резонатора. Поэтому такой резонатор называютмногочастотным. Спектр собственных частот в системе в лазерах будет определяться собственными частотами резонатора, лежащими вблизи максимума спектральной линии.

Рис. 2.9. Продольные собственные частоты на фоне

спектральной линии лазера.

Отметим, что после многократных отражений в резонаторе устанавливается некоторое стационарное состояние электромагнитного поля. При дальнейших отражениях установившееся распространение электромагнитного поля не изменяется. Оно и определяет собственные колебания резонатора.

Эти колебания называют трансверсальными электромагнитными колебаниями и обозначаются ТЕМ. Величина, указывающая число полуволн на длине резонатора, очень велика и при обозначении типов колебаний обычно опускается. Для аксиальных колебанийm=n=0 и ТЕМ₀₀. Колебания ТЕМ₁₀, ТЕМ₂₀, ТЕМ₀₁, и т.д. являются неаксиальными колебаниями.

В ряде случаев требуется обеспечить такой режим работы лазера, при котором генерация осуществлялась бы на одной, как правило, продольной моде. Такой режим называется одномодовым. Для этого необходимо выделить основную моду при подавлении поперечных мод. Это можно сделать за счет увеличения потерь при увеличении поперечных индексов и.

В устойчивых резонаторах внутрь резонатора помещают диафрагму, размер отверстия которой примерно равен поперечному размеру моды, следующей за основной, т.е. ТЕМ₀₁ - моды. Такая диафрагма будет создавать большие потери для неаксиальных колебаний. Недостатками этого способа выделения основной ТЕМ₀₀- моды в устойчивом резонаторе являются:

а) малость поперечных размеров моды, и как следствие, малость используемого объема активного вещества;

б) внесение дополнительных потерь в основную моду.

В мощных лазерах используется переход к неустойчивым резонаторам. В неустойчивых резонаторах дифракционные потери даже для основной моды очень велики и превосходят все остальные виды потерь. Для поперечных мод потери очень быстро растут при увеличении индексов и. Именно это и приводит к эффективному выделению основной моды.

К достоинствам неустойчивого резонатора относятся:

а) возможное использование больших объемов активного вещества;

б) возможность эффективной селекции поперечных типов колебаний;

в) возможное использование только отражающей оптики (например, металлических зеркал) для создания резонатора, так и для вывода излучения.

Рассмотренные выше резонаторы не могут селектировать продольные типы колебаний. Для этой цели может быть использовано их отличие друг от друга по частоте. С этой целью внутрь резонатора необходимо ввести узкополосной дисперсионный элемент, например, призмы, дифракционные решетки, специальные зеркала с частотно зависимым показателем отражения, а также дополнительные резонаторы типа плоского резонатора (эталона Фабри- Перо).

Резонаторы, содержащие перестраиваемые дисперсионные элементы, называют дисперсионными резонаторами. Такие резонаторы позволяют перестраивать частоту лазерного излучения. Меняя угол разворота призмы, можно осуществить перестраивание частоты.