2.5. Неодимовый лазер
Рис. 2.11. Диаграмма энергетических уровней иона неодима Nd3+ в кристалле алюмоиттриевого граната.
Рис. 2.12. Спектры люминесценции (4F3/2 – 4I11/2) кристалла алюмоиттриевого граната, активированного неодимом - I и неодимового стекла марки ЛГС-1 – II при комнатной температуре.
Литература
P.P Sorokin, M.J. Stevenson/ Phys. Rev. Lett. 5, 557 (1960).
L.F. Johnson, K. Nassau/ Proc. IRE, 49, 1704 (1961).
J.E. Geusic, H.M. Marcos, L.G. Van Uitert. Appl. Phys. Lett. 4, 182 (1964).
III. Лазерные резонаторы
После создания мазеров, работающих в диапазоне сантиметровых волн, на пути к лазерам оптического диапазона встала проблема создания оптического резонатора. Число собственных колебаний объемного резонатора, используемого в мазерах, пропорционально отношению размеров резонатора к половине длины волны излучения. Поэтому объемный оптический резонатор в виде зеркальной полости явно не годился для лазера, так как число его собственных колебаний, попадающих в спектральную область усиления активной среды, равняется многим миллионам при сантиметровых размерах активной среды. Для получения генерации было необходимо, чтобы вблизи максимума спектрального контура усиления существовало небольшое число, а лучше всего единственная резонансная частота.
Выход из этой ситуации был предложен А.М. Прохоровым [1], который предложил использовать открытый резонатор без боковых стенок в виде двух параллельных зеркал. В этом случае в резонаторе должны отсутствовать поперечные типы колебаний и спектр резонансных частот сильно прореживается.
Как известно, первым резонатором лазера послужил обычный интерферометр Фабри-Перо в виде двух плоских зеркал, одно из которых частично пропускает свет. Интерферометр Фабри-Перо оказался настолько удачной резонаторной системой, что он и по сей день является самым распространенным типом лазерного резонатора.
Недостаток открытого резонатора заключается в невозможности получения однородного лазерного луча без изрезанной пространственной структуры в поперечном сечении в случае использования неоднородной активной среды. Так как излучение циркулирует внутри резонатора, многократно отражаясь от зеркал, то даже малые фазовые искажения, связанные с неоднородностями активной среды, постепенно накапливаются, что приводит к полному разрушению регулярной пространственной структуры в луче.
Именно поэтому в наиболее распространенных современных лазерах вернулись к конструкции с объемным резонатором, которые поддерживает существование простейшей поперечной моды в сечении луча. Как известно, в наиболее перспективных для применений полупроводниковых лазерах и лазерах на волоконных световодах резонатор образован отрезком волновода планарного или кругового сечения, который поддерживает единственную поперечную моду излучения. При этом поперечные размеры активной среды должны быть малы и соизмеримы с длиной волны генерируемого излучения.
Это не позволяет получать от таких лазеров большие мощности в импульсных режимах работы из-за ограничений, накладываемых оптической прочностью поверхностей активной среды или зеркал резонатора. Впрочем, этот недостаток оборачивается преимуществом для лазеров, работающих в режиме непрерывной генерации. Если торец лазерного резонатора поместить в фокальной плоскости линзы, тогда на выходе линзы можно сформировать мало расходящийся световой луч, необходимый в большинстве применений лазеров.