5.4. Принцип работы лазера

Первый лазер был создан в 1960 году Ч. Таунсом с использованием разработок по квантовому усилению Н.Г.Басова и А.М. Прохорова, за что им в 1964 г. была вручена Нобелевская премия.

Лазеры имеют целый ряд преимуществ по сравнению с нелазерными источниками света. Излучение лазера когерентно, то есть фотоны, излучаемые лазером, идентичны по фазе, амплитуде, направлению распространения. Поэтому оно монохроматично, может иметь очень высокую интенсивность и узкую направленность.

Для создания лазера необходимо наличие трех элементов:

1. активной среды;

2. источника энергии, создающего инверсную населенность;

3. оптического резонатора.

Активной называется среда, способная усиливать проходящий через нее свет, то есть среда с инверсной населенностью.

Источник энергии может иметь различную природу: вспомогательное оптическое излучение, электрический разряд, энергия химической реакции и др.

Оптический резонатор. Оптический резонатор образуется двумя параллельными зеркалами (З₁ и З₂ на рис. 5.4) и представляет собой многолучевой интерферометр (интерферометр Фабри-Перо). Атомы активной среды могут спонтанно излучать фотоны в произвольном направлении. Часть этих фотонов распространяется параллельно оси резонатора. Эти фотоны по мере распространения могут вновь взаимодействовать с атомами активной среды. В процессе индуцированного излучения каждый фотон вызывает излучение еще одного фотона, поэтому число фотонов по мере распространения света, все время удваивается, образуя лавину, до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между излучением и поглощением.

З₁

З₁

активная среда

накачка

резонатор

h

Рис.5.4

Одно из зеркал резонатора имеет коэффициент отражения близкий к единице, второе является частично прозрачным. Наличие частично прозрачного зеркала позволяет определенной доли излучения (лазерное излучение) выходить из резонатора. Другая часть излучения вновь отражается и проходит через активную среду. Этот процесс повторяется многократно. При этом приобретаемая световым потоком в активной среде за цикл энергия должна превышать полную потерю энергии в резонаторе. Потери энергии в резонаторе складываются из энергии, поглощаемой активной средой, энергии, выходящей из резонатора (лазерного излучения) и энергии, теряемой за счет дифракционной расходимости при многократных проходах световой волны вдоль резонатора. Потерю энергии в резонаторе принято характеризовать добротностью Q, определяемую как отношение запасенной в системе энергии к потерям энергии за одно колебание. Как следует из теории колебаний, добротность определяет ширину резонансной кривой (для лазера это спектральная ширина его излучения _спек).

Для возникновения устойчивой генерации в оптическом резонаторе лазера должны образовываться стоячие волны, которые называются модами резонатора. Условие возникновения стоячих волн в резонаторе по сути является условием максимумов интерференции в многолучевом интерферометре Фабри-Перо и может быть записано в виде: =2nL=m=mc/, где m - целое число (разность хода  двух волн, возникшая между ними после n проходов резонатора длиной L, равна целому числу длин волн). Волны, не удовлетворяющие этому условию, гасятся из-за ослабляющей интерференции. Поэтому спектральное расстояние между модами равно

_спек

_мод

_спек

_мод

Рис. 5.5 Рис. 5.6

Полный спектр лазерного излучения представляет собой набор равноотстоящих друг от друга спектральных линий (рис. 5.5.), огибающей которых служит спектральная линия исходного излучателя (атома активной среды) ширины _спек. Спектральная ширина моды _мод связана с добротностью резонатора соотношением _мод=/Q. В зависимости от особенностей активной среды и конструкции резонатора параметры излучения могут быть самыми различными. В частности, если _спек < c/2L, излучение будет иметь очень узкий спектр, приближаясь к идеально монохроматическому (см. рис.5.6).