Лазер, как автоколебательная система
Лазер относится к классу приборов, называемых автоколебательными системами, под которыми понимают устройства, способные преобразовывать электрическую энергию источников постоянного тока или напряжения в энергию электромагнитных колебаний при отсутствии внешнего переменного возбуждения. Такие устройства широко применяют в классической электронике и радиотехнике. Автогенератор имеет в своем составе нелинейный элемент, усиливающий электрические колебания за счет энергии источника постоянного тока, линейный элемент, обладающий резонансными свойствами, и цепь обратной связи (рис.9).
Активным элементом, усиливающим электрические колебания, может быть транзистор, клистрон, туннельный диод…
В электронных генераторах синусоидальных колебаний в цепи обратной связи необходимо использовать резонансный контур с высокой добротностью, например, кварцевый резонатор. При этом цепь обратной связи необходимо построить таким образом, чтобы усилитель работал в линейном режиме, а сигнал обратной связи поступал на вход усилителя в определенной фазе по отношению к выходному сигналу, для того, чтобы реализовались условия положительной обратной связи.
Рис.9. Блок-схема электронного генератора.
Часть сигнала Рос, возникающего на выходе активного элемента (Рвых), направляют на его вход. При включении источника питания происходит переходный процесс самовозбуждения системы. Слабый сигнал шума, всегда присутствующий на выходе электронного усилителя, подается на его вход в нужной фазе и усиливается. При самовозбуждении генератора амплитуда выходного сигнала сильно возрастает. В принципе возрастание амплитуды должно происходить неограниченно. Однако, рано или поздно наступает насыщение усиления активного элемента, вследствие нелинейности его усиления, и генератор выходит на установившийся режим колебаний.
Очевидно, что в установившемся режиме выполняется баланс энергии потребляемой генератором от источника питания Рист и энергии всех потерь, включая выходную мощность, передаваемую в нагрузку. При переходе к относительным величинам - коэффициенту усиления активного элемента Кус = Ра,вых /Ра,вх , (равному отношению интенсивностей выходного и входного сигнала активного элемента) и коэффициенту потерь энергии генерируемых колебаний Кпот условие баланса энергии формулируется в виде равенства: Kус = Kпот.
Глядя на рис. 8 и 9 нетрудно заметить, что лазер – типичный автогенератор, хотя принцип действия оптического усиливающего свет элемента, находящегося в резонаторе, существенно отличаются от работы транзистора.
Расчеты характеристик генераторов электрических колебаний радио- и СВЧ диапазонов, основанные на решении линейных дифференциальных уравнений и компьютерном моделировании, обычно не представляет принципиальных трудностей. Поэтому такие задачи относят к области техники. Принципиальных проблем, интересных с физической точки зрения здесь не возникает и такого рода системы хорошо изучены.
Иное дело лазеры. Здесь пока отсутствует полное понимание многообразных и слабо изученных нестационарных физических процессов взаимодействия излучения, обладающего огромной спектральной плотностью мощности, с веществом. Поэтому исследования лазеров и, в особенности динамики лазеров, представляют интерес не только для практического применения в лазерных технологиях, но и в научном отношении.
Впрочем, лазеры, работающие в разных режимах генерации, необходимые для многочисленных применений, строят чисто эмпирически практически без теорий, на основе многолетнего опыта и технологий, накопленных в лазерной технике за 50 лет ее существования.