Тема 1.3. Принцип действия лазера

Получить инверсию населенностей для группы атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно. Фактически, прямой переход атомов в возбужденное состояние всегда компенсируется процессами спонтанного и вынужденного излучений. Лучшее, что может быть достигнуто в такой ситуации, — это оптическая прозрачность в случае , но не усиление.

Чтобы достигнуть неравновесного состояния, необходимо использовать косвенные способы перевода атомов в возбужденное состояние. Как правило, такие способы связаны с подводом к лазерной среде энергии извне и поэтому называются накачкой, а инверсно населенное лазерное вещество — активной средой.

Однако только создания активной среды, способной усиливать свет, еще недостаточно для реализации источника (генератора) светового излучения. Чтобы превратиться в генератор излучения, усилитель должен работать в режиме положительной обратной связи, т. е. необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества. Смысл цепи обратной связи сводится к тому, что часть усиленного излучения поступает обратно в систему, вновь усиливается ит. д., поддерживая тем самым непрерывность генерации. Усилитель будет работать как генератор, если, по крайней мере, часть сигнала, выходящего из усилителя, вернется на вход, чтобы увеличить входной сигнал.

В общем случае устройствами, реализующими в лазерах положительную обратную связь, являются резонаторы. Основным назначением оптического резонатора лазера является создание условий, при которых возникающее внутри него вынужденное излучение многократно проходит через активную среду.

Простейшим оптическим резонатором, который позволяет направлять пучок света так, чтобы он эффективно усиливался, служит система из двух зеркал, полностью отражающего и частично пропускающего (рис. 1.18).

Испущенная в какой-либо точке в результате спонтанного излучения световая волна усиливается за счет вынужденного излучения при распространении ее в инверсно населенной активной среде. Дойдя до частично пропускающего зеркала, часть света пройдет сквозь него. Эта часть энергии излучается лазером вовне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от частично пропускающего зеркала, даст начало новой лавине квантов света, которая не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.

Тем не менее выполнения двух описанных условий еще недостаточно для возникновения генерации света. Должны быть учтены различные энергетические потери, в том числе и потери на лазерное излучение.

Чтобы покрыть их, необходим некоторый минимальный, или пороговый, коэффициент усиления , обеспечивающий начало и поддержание лазерной генерации. Можно определить минимальный, необходимый для работы лазера коэффициент усиления, рассмотрев увеличение интенсивности светового пучка на резонансной частоте при его двукратном отражении от зеркал резонатора.

Если полезный выход рассматривать как потери излучения, то условие стационарной генерации можно сформулировать следующим образом: усиление должно равняться сумме всех потерь в лазере.

Лазерное излучение получается мощным благодаря тому, что оно многократно проходит через инверсную среду, каждый раз получая усиление. При этом сохраняется фаза проходящего излучения, в результате чего излучение получается когерентным.

Процесс усиления тесно связан с направленностью излучения. Наибольшее число раз через активную среду пройдут лучи, распространяющиеся под очень небольшими углами к оси резонатора. Они в основном будут определять выходную мощность. Лучи, идущие под относительно большими углами к оси резонатора, при каждом отражении от зеркала будут все сильнее отклоняться от оси и выйдут через боковые поверхности активной среды (см. рис. 1.19), не получив достаточного усиления; мощность их будет незначительна.

Таким образом, для создания лазера необходимы:

1) активная среда с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

2) система зеркал (резонатор), внутри которой помещается активная среда, и с их помощью осуществляется положительная обратная связь;

3) усиление, обеспечиваемое активной средой, а значит, и число возбужденных частиц в среде, должно быть больше порогового значения, зависящего от потерь излучения в резонаторе.

Основным элементом любого лазера является активная среда, которая может тем или иным способом переводиться в состояние, характеризующееся инверсной населенностью энергетических уровней атомов, ионов или молекул, составляющих эту среду.

Способы передачи энергии от системы накачки к рабочему телу определяются активной средой, принципиальной схемой лазера, его назначением, условиями работы, носителем и т. д.

Резонатор обеспечивает положительную обратную связь, а также формирует лазерный луч с заданными пространственными и иными характеристиками.

Реальные лазеры представляют собой сложные инженерно-технические системы, требующие организации соответствующих средств контроля и управления рабочими процессами.

Вопросы к практическому занятию 1.3:

1. Как происходит усиление света в активной среде?

2. Как происходит генерация лазерного излучения?

3. Сформулируйте условие устойчивой генерации лазера.

4. Назовите способы передачи энергии от системы накачки к рабочему телу лазера?

5. С какими явлениями связан процесс стационарной генерации?

6. Из каких элементов и систем состоит лазер?

7. По каким признакам можно классифицировать лазеры?