1.4. 3. Принцип выделения основной поперечной моды

Для целого ряда применений требуется лазер, работающий в одномодовом режиме, т.е. генерирующий только на основной поперечной моде ТЕМ₀₀. Возможность её выделения и подавления других поперечных мод основана на том, что с увеличением порядка поперечной моды (увеличением индексов n или m) возрастают дифракционные потери и, соответственно, суммарные потери (Π_mn). Вследствие этого параметр возбуждения ₀₁= , определяющий условия возникновения моды ТЕМ₀₁ (ближайшей к основной), заметно меньше параметра ₀₀, соответствующего моде ТЕМ₀₀. Мода ТЕМ₀₁ однозначно не возбуждается, если ₀₁ < 1. Однако из-за существующей конкуренции мод (насыщение коэффициента усиления, вызываемое основной модой) мода ТЕМ₀₁ не будет возбуждаться и при ₀₁>1, если

. (1.27)

Выполнение этого условия может потребовать установки в резонаторе перед зеркалом специальной диафрагмы, обеспечивающей необходимое увеличение дифракционных потерь.

1.5. Выходная мощность лазерного излучения

Наиболее важным параметром активной среды, определяющим в значительной степени генерируемую лазером мощность, является ненасыщенный коэффициент усиления . Его величина зависит как от параметров квантового перехода, так и от динамики заселения и расселения рабочих уровней в условиях воздействия накачки. Расчет этого коэффициента, требующий учета большого числа факторов, - задача сложная и не всегда выполнимая. Поэтому при инженерном проектировании используются, как правило, либо его экспериментально полученные значения, либо упрощенные полуэмпирические соотношения. И в том и в другом случаях значения коэффициента усиления, особенно при небольших поперечных размерах активной среды, являются усредненными по сечению пучка. В связи с этим и по ряду других причин интенсивность волны J, определяемая из приведенных выше соотношений, будет также некоторой усредненной по сечению величиной. Выходная мощность лазерного излучения при таком упрощенном подходе определяется следующим образом:

P_вых = S_ср J T₂ , (1.28)

где S_ср - усредненная по длине активной среды площадь поперечного сечения пучка; J – интенсивность потока излучения, падающего на выходное зеркало, определяемая в зависимости от условий уширения по формулам (1.15), (1.15, а) либо (1.16).

Зависимость мощности излучения от коэффициента пропускания выходного зеркала T₂ имеет оптимальный характер. При его увеличении, с одной стороны, увеличивается доля выходящей из резонатора мощности, с другой - уменьшается интенсивность поля внутри резонатора. Оптимальное значение T₂, когда P_вых достигает максимального значения, определяется из условия dP_вых/dT₂=0. Результаты численных расчетов (T₂)_опт представлены на рис.1.8 в виде зависимостей Y от G_m/ при различных значениях . Величина Y здесь связана с (T₂)_опт следующим соотношением:

( T₂)_опт = 1 – exp(Y G_m), (1.29)

где G_m = 2(k₀)_maxℓ.

1.6. Зеркала оптического резонатора

В зависимости от усиления активной среды применяются зеркала с металлической отражающей поверхностью или с диэлектрическим многослойным покрытием (интерференционные зеркала).

К основным недостаткам металлических зеркал относятся: значительные потери на поглощение, достигающие 2-3 %, и неселективность отражения, затрудняющая подавление генерации на конкурирующих переходах. В связи с этим в большинстве лазеров, особенно с малым коэффициентом усиления, как правило, применяют интерференционные зеркала. Отражающая поверхность таких зеркал представляет собой последовательность чередующихся слоев из двух разнородных материалов, прозрачных для генерируемого излучения, с высоким (n_в) и низким (n_н) значениями показателя преломления. Оптическая толщина слоев равняется четверти длины волны рабочего излучения: (n_вh_в = n_нh_н = /4), где h_в, h_н –толщина соответствующих слоев.

Диэлектрические слои наносятся методом термического или катодного распыления в вакууме на массивную подложку из высокопрозрачного материала. Непосредственно на подложку наносится оптически более плотный слой. При нормальном падении излучения энергетический коэффициент отражения такого зеркала может быть рассчитан по формуле:

, (1.30)

где для четного числа слоев M ;

для нечетного числа слоев M ;

где n_с и n_п - показатели преломления окружающей среды и материала подложки.

Если число слоев велико (M > 3),

 ≈ 1– 4B. (1.30, а)