А.С.Митрофанов
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ
Санкт-Петербург
1999
Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)
А.С. Митрофанов
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ
Учебное пособие
по курсу "Лазерная физика, техника и технология"
Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
по направлению "Оптотехника" и специальностям
"Лазерная техника и лазерные технологии",
"Оптико-электронные приборы и системы",
"Оптические технологии и материалы"
Санкт-Петербург
1999
Митрофанов А.С. Основные принципы работы лазеров.
Учебное пособие по курсу "Лазерная физика, техника и технология". - СПб: СПбГИТМО(ТУ), 1999. - 74 с.
Учебное пособие рекомендуется для обучения
студентов по направлению 55.19.00 "Оптотехника" и оптическим специальностям 07.23.00 "Лазерная техника и лазерные технологии (оптотехника)", 19.07.00 "Оптико-электронные приборы и системы", 19.11.00 "Оптические технологии и материалы".
В изданном автором ранее пособии [1] были
рассмотрены принципы усиления электромагнитного излучения в веществе. В данном пособии рассматриваются основные принципы генерации электромагнитного излучения, роль элементов лазера и формирование характеристик излучения: энергетических, пространственных и спектральных.
Илл. - 25, список лит. - 8 наим.
Рецензенты: д. т. н., проф. Балошин Ю.А.,
д. т. н., проф. Панков Э. Д.
Одобрено на заседании кафедры квантовой
электроники и биомедицинской оптики 22.01.1997 г., протокол № 5. Одобрено учебно-методическим объединением (УМО) по оптическому и приборостроительному образованию от 28.01.1998 г. с присвоением грифа УМО "Рекомендуется для межвузовского использования".
Международный стандартный номер ISBN 5-7577-0044-0.
© Санкт-Петербургский государственный
институт точной механики и оптики
(технический университет), 1999
© А.С. Митрофанов, 1999
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное пособие является логическим продолжением
изданного автором пособия [1], в котором рассмотрены основные принципы усиления излучения в веществе, необходимые для понимания процессов, происходящих в лазерах.
Здесь рассматриваются основные принципы работы
лазеров, роль элементов лазера и особенности формирования энергетических, пространственных и спектральных характеристик излучения.
Пособие предназначено для студентов техникумов и
ВУЗов, обеспечивающих образование по специальностям, требующим подготовки в области лазерной физики, техники и технологии.
При специальной подготовке в указанных направлениях
данное пособие следует рассматривать как начальный основополагающий курс, позволяющий на доступном физическом уровне изучить основные принципы работы и процессы, происходящие в лазерах, а также познакомиться с основной терминологией в области лазерной физики и техники.
Основные принципы работы лазеров
Рассмотрим, что требуется для превращения
квантового усилителя в квантовый генератор, то есть в устройство, самостоятельно генерирующее электромагнитное излучение. Как уже отмечалось, квантовые генераторы оптического диапазона называются лазерами.
1. Условия преобразования квантового усилителя в квантовый генератор (лазер)
Лазеры появились позднее генераторов радио-
частотного и микроволнового диапазонов. Поэтому для их описания широко применяются понятия и терминология, заимствованные из указанных смежных областей. Чтобы преобразовать усилитель в генератор, необходимо, как говорят в радиотехнике, создать цепь обратной связи, т.е. часть энергии с выхода усилителя направить на его вход (рис. 1, а). Это обеспечивается на определенных резонансных частотах, определяемых параметрами резонатора.
Если при этом сигнал, проходящий по цепи обратной
связи, совпадает по фазе с сигналом, действующим на входе усилителя, обратную связь называют положительной (условие "баланса фаз"). Для возбуждения генерации необходимо также, чтобы часть энергии, поступающая с выхода на вход, была не меньше той, которая требуется для компенсации всех потерь в рассматриваемой системе (условие "баланса амплитуд").
Смысл цепи обратной связи заключается в том, что
часть усиленного излучения поступает обратно в систему, вновь усиливается и т.д., поддерживая тем самым непрерывные колебания - генерацию. В генераторах оптического диапазона усиливается не электрический сигнал, а световой пучок. В соответствии с этим к цепи обратной связи здесь предъявляются новые требования - после ее прохождения должны сохраняться первоначальное направление распространения пучка и его структура. Аналогом схемы, показанной на рис. 1, а, который удовлетворяет этим требованиям, является оптическая система, составленная из зеркал 1, 2, 3, 4, внутри которой расположена активная (усиливающая) среда, изображенная на рис. 1, б. Эту же задачу можно решить, используя два отражателя 1, 2 (рис. 1, в). Система отражателей, обеспечивающих положительную обратную связь, получила название оптического резонатора.
Резонатор, изображенный на рис. 1, б, называется
кольцевым, а на рис. 1, в - линейным оптическим резонатором.
Отличие линейного оптического резонатора от
кольцевого состоит в том, что цепь обратной связи проходит через ту же активную среду в обратном направлении и излучение усиливается повторно. Важно отметить, что резонатор обеспечивает обратную связь только на определенных резонансных частотах.
Условие баланса фаз в лазерах выполняется
автоматически благодаря характеру усиления в активной среде за счет вынужденного излучения. Условие баланса амплитуд выполняется подбором коэффициента отражения "выходных" зеркал резонатора (зеркала 1 на рис. 1, б, в), позволяющих регулировать долю энергии, поступающей в цепь обратной связи и выходящей из генератора.
Если в генераторах радиотехнического диапазона
"затравкой" генерации являются шумовые сигналы на входе системы (флуктуационные токи и напряжения), то в лазерах такой "затравкой" служат спонтанно излученные кванты. Эти кванты, распространяясь в инверсной среде, усиливаются благодаря вынужденным переходам, причем наибольшее усиление получают те кванты, направление распространения которых ближе всего совпадает с осью резонатора. Этим, в частности, объясняется малая угловая расходимость лазерного излучения.
Таким образом, для преобразования квантового
усилителя в лазер необходимо активную среду поместить в оптический резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь.