7. Мощность и размеры лазера

Выше уже отмечалось, что генерация в Л. начинается тогда, когда мощность излучения активного вещества превосходит потери энергии в системе. Кроме полезных потерь, связанных с выводом мощности из Л. наружу, т. е. с излучением Л., существуют и пара­зитные потери, связанные с поглощением света не только в зеркалах, но и в рабочем веществе (рассеяние и т. д.). Но раз мощность излу­чения превосходит мощность потерь, то казалось бы, что световая лавина в Л. должна расти до бесконечности. Однако опыт говорит, что это не так. Не существует Л., как и др. приборов, с бесконечно большой мощностью. Рассмотрим причины, ограничивающие све­товую мощность Л.

Полезные потери в Л., как правило, пропорциональны световой энергии W, запасенной в резонаторе (рис. 24). Полупрозрачное зер­кало пропустит тем больше света, чем больше его падает на зеркало. Число вынужденных квантовых переходов, а значит и излучаемая мощность, растет с ростом интенсивности «вынуждающего» света, т. е. тоже пропорциональна световой энергии W, запасенной в ре­зонаторе. Но при дальнейшем увеличении этой энергии рост мощ­ности вынужденного излучения замедляется и стремится к нек-рому постоянному значению. Причина этого явления заключается в сле­дующем: пока энергия запасенного в резонаторе света W мала, скорость накачки превосходит скорость вынужденных переходов. А так как излучаемая мощность Р_Изл тем больше, чем больше ско­рость этих переходов, то, в конечном итоге, она тем больше, чем больше энергия света, накопленного в резонаторе Л. Но при очень болыпой энергии света W скорость вынужденных переходов начнет превосходить скорость накачки. Тогда все будет определяться только накачкой, т. к. свет, запасенный между зеркалами Л., будет

моментально «сбрасывать» возбужденные атомы на нижний уровень,

и, естественно, он может сбросить только те атомы, к-рые поставляет накачка, т. к. больше взять их неоткуда. Поэтому предельное зна­чение, к к-рому стремится мощность вынужденного излучения Рдред? определяется только мощностью накачки (см. также Насыщения эффект).

Установившаяся мощность Л. определяется равенством излу­чаемой мощности РизЛ и мощности потерь Р_Пот- Если в рассматри­ваемом типе Л. все потери практически связаны только с выводом света из Л., то выходная мощность Л. определится как точка Р° пересечения двух кривых Р_Изл ^и ^пот (рис. 24). Если же в Л. есть и другие (паразитные) потери, то необходимо иметь дополнительные сведения о соотношении полезных «потерь», связанных с отводом света из Л., и паразитных потерь.

необходимость выполнения Рлпт- В самом начале гене-

пред рО''

Рис. 24.

мощности

Зависимость потерь Р_пот и мощности излучения и₃л лазера Р_изл от световой

энергии W, запасенной

Q ^ р между его зеркалами. '^гпот -*^г из л

О

Можно доказать, что среднее значение мощности, излучаемой Л. в точке Р°, стабильно. Пусть в результате к.-л. случайности уве­личилась запасенная энергия W до величины W", а вместе с ней и мощность генерируемого света. В этом случае мощность потерь превысит мощность вынужденного излучения, что ведет к умень­шению генерируемой мощности, пока она не станет равной Р°. Если запасенная энергия W, а вместе с ней и генерируемая мощность слу­чайно уменьшились, то Л. попадает в рабочую точку W, где потери меньше излучаемой мощности, и мощность, генерируемая Л., нач­нет возрастать вплоть до точки Р°. Т. о., при любых отклонениях средней мощности от равновесного значения Р° Л. стремится вер­нуться к этому равновесному (стационарному) значению.

С вопросом о стационарной мощности излучения тесно связана проблема получения большой мощности излучения путем увеличе­ния длины Л. Т. к. количество энергии, запасенной в активной среде, пропорционально длине Л., то может показаться, что длину актив­ного вещества Л. можно беспредельно увеличивать, получая при этом сколько угодно большую мощность Р° и энергию светового потока. На деле это не так. Любая среда, используемая для Л., частично поглощает или рассеивает излучаемую энергию. При малых световых потоках эти потери в активной среде малы по сравнению с излучаемой ею энергией. В этом и состоит условие возбуждения генерации. Мощность потерь, как правило, растет пропорционально мощности усиливаемого светового потока. Мощность же излучения при большом световом потоке, как уже отмечалось ранее, стремится к постоянному значению, определяемому энергией W, запасенной в активном веществе в результате накачки (не нужно путать энер­гию, запасенную в активном веществе, со световой энергией, запа­сенной в резонаторе). Поэтому всегда существует такая предельная длина Л., после прохождения к-рой энергия светового потока ста­новится столь большой, что потери в Л. сравниваются с энергией, к-рую может излучить активное вещество. Дальнейшее увеличение

длины Л. бесполезно, т. к. дополнительная энергия, приобретенная

световым потоком за счет излучения нового участка активного вещества, полностью теряется из-за поглощения или рассеяния этим же участком вещества. Значение предельной длины /.пред усилителя различно для разных материалов. Для хороших кристаллов рубина ^пред ⁼ 50—60 см. С улучшением качества Л. Ь_пред возрастает.