Принцип работы лазера

Проще всего устройство и принцип работы лазера можно понять на основе простейшей модели такого устройства, показанной на рис. 8.

Рис.8. Схема, поясняющая работу лазера.

Обычно лазер содержит три основных элемента:

• активную, усиливающую свет среду;

• резонатор, образующий положительную обратную связь для излучения и повышающий плотность излучения, взаимодействующего с активной средой. В простейшем случае резонатор образуют два параллельных зеркала с коэффициентами отражения R₁ и R₂;

• систему накачки, с помощью которой возбуждают активную среду, до уровня, при котором в ней возникает усиление света.

На рис. 8 указана оптическая накачка активной среды от внешнего источника света, например, импульсной лампы-вспышки. В газовых лазерах используют другой принцип накачки – столкновения атомов в плазме электрического разряда. В полупроводниковых лазерах накачку осуществляют путем инжекции носителей тока - пропускания электрического тока в прямом направлении через p-n – переход.

Затравочное излучение, всегда присутствующее в активной среде в виде ее люминесценции, распространяется, в частности, и вдоль оптической оси резонатора. Это излучение многократно усиливается активной средой, так как оно непрерывно циркулирует внутри резонатора вдоль его оптической оси, отражаясь от его зеркал. Одно из зеркал, R₁ обычно полностью отражает излучение, а другое R₂ – частично пропускает свет.

Излучение, идущее под углами к оптической оси резонатора, выходит из активной среды без заметного усиления. Поэтому лазер рассмотренной конструкции генерирует мало расходящийся световой луч, распространяющийся вдоль оптической оси резонатора и выходящий через частично пропускающее зеркало.

Лазер, показанный на рис.8, преобразует широкополосное ненаправленное тепловое излучение лампы накачки в почти монохроматический мало расходящийся пучок света. Принципиальная особенность лазера заключается в том, что генерация света возникает на одной из резонансных частот резонатора. Поэтому лазер, работающий в непрерывном режиме, может генерировать чрезвычайно узкополосное, практически монохроматическое излучение. Таким образом, спектральная яркость света в луче лазера, которая обратно пропорциональна ширине спектра (а Δν ≈ 0), оказывается чрезвычайно высокой. В идеальном лазере, генерирующем монохроматическое излучение, спектральная яркость излучения бесконечно велика. И практически спектральная яркость луча даже маломощного, например, гелий-неонового лазера в миллионы раз больше, чем у любых тел, испускающих тепловое излучение (включая Солнце).

Следует отметить, что с развитием физики лазеров выяснилось, что возможно создание лазерных устройств, в которых некоторые основные элементы лазера, перечисленные выше, отсутствуют. Так, в случае среды, обладающей высоким усилением, генерация может возникать и при отсутствии лазерного резонатора, в виде сверхизлучения.

В лазерах на свободных электронах отсутствует сама активная среда. Свет возникает при торможении пучка электронов, распространяющихся под углом к вектору напряженности магнитного поля. В этом случае активной средой является не вещество, а поток свободных электронов в вакууме.

В многоуровневых средах лазерная генерация по-видимому может происходить и при отсутствии инверсной населенности уровней и усиления, за счет интерференции квантовых состояний многоуровневой активной среды.

В наиболее распространенных, полупроводниковых лазерах резонатор образует полосковый волновод, в плоскости которого находится усиливающий слой, с зеркально отражающими, торцами. Поперечные размеры полоскового волновода составляют доли микрометра, поэтому выходящий из него световой пучок сильно расходящийся. Накачку осуществляют путем пропускания тока в прямом направлении через p-n – переход лазерного диода. С помощь простой линзы излучение полупроводникового лазера можно преобразовать в узконаправленный луч, если лазер поместить в фокусе линзы.