4. Основные элементы и принцип работы лазера

Лазер, по существу, состоит из трех компонент (рис.2):

1. Активная среда, которая усиливает падающую электромагнитную волну;

2. Система накачки, которая селективно накачивает активную среду (т. е. передает ей энергию), так чтобы заселить выбранные уровни и достичь инверсной заселенности;

3. Оптический резонатор, состоящий из двух расположенных параллельно зеркал M₁ и M₂ с коэффициентами отражения R₁ и R₂, обеспечивающий многократное прохождение усиливаемым излучением активной среды.

Рис.2. Схематическое изображение устройства лазера.

Система накачки создает распределение населенностей в лазерной среде, существенно отличающееся от больцмановского распределения, существующего при тепловом равновесии. При достаточно большой мощности накачки населенность N(E₂) одного из возбужденных уровней E₂ может превысить населенность более низкого энергетического уровня E₁ (Рис. 3). Такое соотношение населенностей называется инверсией населенностей. При этом мощность индуцированного излучения N₂B₂₁() на переходе 2  1 превышает поглощенную мощность N₁B₁₂(), и электромагнитная волна, проходя через такую среду, усиливается. Активная среда, таким образом, может служить усилителем светового излучения. Используя положительную обратную связь, т.е. подавая усиленное излучения снова на вход усиливающей среды, можно превратить усилитель в генератор светового излучения. Обычно обратная связь обеспечивается размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Свет, распространяющийся в направлении, перпендикулярном обоим зеркалам, будет поочередно отражаться от них и усиливаться при каждом прохождении через активную среду. Если одно из зеркал сделать частично прозрачным, то часть излучения будет выходить из резонатора, образуя выходной пучок.

Генерация становится возможной при выполнении определенного порогового условия, когда усиление в среде компенсирует потери в ней. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации достигается при превышении критического значения разности населенностей N_кр , которое определяется соотношением:

N_кр = -ln(R₁ R₂)/2L, (5)

где L - длина активной среды, R₁ и R₂ - коэффициенты отражения зеркал,  - сечение поглощения на переходе 1 - 2. Если разность населенностей N больше, чем N_кр , то волна, распространяющаяся между зеркалами, будет усиливаться. В качестве затравочного сигнала при генерации служит спонтанное излучение возбужденных атомов в активной среде.

Рис. 3. Возникновение инверсии на фоне больцмановского распределения населенностей.

Возбуждение активной среды с целью достижения инверсии населенностей может осуществляться разными способами: с помощью интенсивного облучения некогерентным светом импульсных или непрерывных дуговых ламп, при помощи электрического разряда в активной среде и другими способами.

5. Типы резонаторов

а. Плоскопараллельный резонатор.

б. Концентрический (сферический) резонатор.

в. Конфокальный резонатор.

г. Полуконфокальный резонатор.

д. Полусферический резонатор.

Для импульсных твердотельных лазеров чаще всего используются плоскопараллельные резонаторы. Поле излучения в резонаторе лазера не является плоской волной. Такая волна могла бы существовать лишь в резонаторе с бесконечно большим диаметром зеркал и активной среды. В лазере с конечными размерами зеркал и активной среды плоская волна не образует стоячей волны, и следовательно, не может существовать. В результате многократных проходов излучением резонатора в нем образуется стоячая волна со стационарным, воспроизводящимся от прохода к проходу пространственным распределением электромагнитного поля, которое можно описать суперпозицией плоских волн. Такая стоячая волна называется модой электромагнитных колебаний. Низшая мода резонатора, т.н. TEM₀₀ -мода, имеет однородное, затухающее к краям пространственное распределение интенсивности в поперечном сечении. Высшие моды, TEM_mn , где m, n >0 - индексы моды, имеют поперечное сечение в виде системы светлых пятен, разделенных темными узловыми линиями (Рис. 5).

Рис.5. Поперечная структура некоторых мод низших порядков.