2.1.5. Методы возбуждения лазеров

Генерация лазерного излучения может быть достигнута, если имеется инверсия населенности двух энергетических уровней. Для получения инверсии в лазерную среду должна быть введена энергия в соответствующей форме. Метод возбуждения выбирается в соответствии с типом лазера. Основными методами являются возбуждение очень интенсивным светом и возбуждение электрическим газовым разрядом.

Оптическая накачка. Если лазерную среду облучать интенсивным светом, то благодаря поглощению могут быть населены более высокие энергетические уровни. В качестве источников света применяются лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры. Из всего излучаемого спектра накачка выполняется только длинами волн, которые точно соответствуют разнице энергии между двумя уровнями принятой лазерной среды. Так как для стимуляции лазерного перехода используется только часть энергии возбуждения, то длина генерируемой лазерной волны всегда больше, чем длина волны возбуждения, т.е. накачки, благодаря чему луч накачки и лазерный луч могут быть разделены дисперсионной призмой (рис. 37).

Рис. 37. Схема оптической накачки лазером

Газовые разряды применяются при газообразных или парообразных лазерных активных средах. В газовом разряде нейтральный газ частично распадается на ионы и электроны. Под действием электрического поля, создаваемого разрядом, электроны ускоряются и сталкиваются с атомами и ионами. Кинетическая энергия электрона передается атому или иону и может быть использована для населения верхнего лазерного уровня.

Плотность тока в газовых разрядах очень высокая (в лазерах на ионах аргона  100А/см²). Поэтому следует использовать системы охлаждения разрядной трубки.

Для повышения эффективности создания инверсии населенности в активную среду часто добавляют газ накачки, имеющий метастабильный уровень, с которого верхний лазерный уровень может быть возбужден столкновениями второго рода. Для обеспечения этого оба уровня должны обладать примерно одинаковой энергией. За счет избирательных переходов с других уровней, которые возбуждаются газовыми разрядами, повышается населенность метастабильного уровня, на котором как бы накапливается возбуждение многих уровней.

2.1.6. Оптические резонаторы

Оптический резонатор должен иметь определенные резонансные частоты с максимальной амплитудой колебаний и обеспечивать обратную связь фотонов с лазерной средой. Чем больше продолжительность жизни фотона в лазерной среде, тем больше вероятность вынужденного испускания.

Оптический резонатор состоит из двух зеркал, расположенных параллельно. Эти зеркала могут быть с плоскими или изогнутыми поверхностями (рис. 38).

Рис. 38. Типы лазерных резонаторов

Применяются и другие типы зеркал, отличающиеся характеристиками изогнутых поверхностей. Наиболее часто применяемый тип резонатора – конфокальный резонатор, отличающийся от других минимальными дифракционными потерями. В этом резонаторе два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны r. Длина резонатора равна радиусу кривизны, т.е. L = r. Так как у вогнутых зеркал фокусное расстояние f соответствует половине радиуса кривизны, то фокусы обоих зеркал резонатора совпадают. Важным параметром резонатора является его добротность, которая определяется потерями в резонаторе, в результате рассеяния на неоднородностях среды, дифракционных потерь и частичным происхождением энергии сквозь зеркала. Добротность резонатора определяется как

. (11)

где … – круговая частота колебаний;

W – энергия запасенная в резонаторе;

W₁ – энергия, теряемая за 1 сек.

Отсюда следует, что потеря мощности в резонаторе обратно пропорциональна его добротности.

Для описания лазерного излучения в резонаторе необходимы характеристики в виде "лазерных мод" – собственных частот лазерного резонатора.

К ним относятся:

1. Продольные моды – распределение интенсивности в зависимости от длины волны.

2. Поперечные моды – геометрическое распределение интенсивности излучения в резонаторе.

Продольные моды. В резонаторе могут быть возбуждены только собственные колебания, у которых целое число полуволн точно совпадает с геометрической длиной резонатора , т.е. могут быть усилены только такие электромагнитные волны, амплитуды которых на зеркалах имеют узел (стоячие волны) (рис. 39).

Рис. 39. Условия работы оптического резонатора

Из большого количества возможных собственных частот резонатора возбуждаются только те, которые лежат в пределах контура усиления и полосы пропускания резонатора. Только для этих частот усиление превышает потери и достигается генерация лазерного излучения. Разность по частоте между продольными модами (рис. 40).

Поперечные электромагнитные моды описывают пространственное распределение интенсивности излучения в резонаторе и обозначаются – Min. Низшая мода – основная мода Моо. Для более высоких мод значения i и n отличаются от нуля. При генерации произвольной поперечной моды лазерный пучок расщепляется на i + 1 или n + 1 луча (рис. 41).

Для различных типов резонаторов, определяемых формой зеркал, поперечная мода характеризуется диаметром пучка и углом расходимости.

Рис. 40. Возникновение продольного модового спектра	Рис. 41. Распределение интенсивности излучения в различных поперечных модах

В конфокальных резонаторах указанные параметры при основной моде Моо определяются следующим образом.

Рис. 42. Характеристики основной моды в конфокальном резонаторе

При z' = 0 диаграмма луча основной моды имеет сужение, называемое перетяжкой луча с диаметром . Лучевая диаграмма основной моды в конфокальном резонаторе характеризуется диаметром пучка и радиусом кривизны поверхности постоянной фазы. С увеличением расстояния от перетяжки диаметр пучка увеличивается

d(z) = d⁰  (1 + z'²)^1/2

Угол расходимости рассчитывается /

Аналогичные характеристики определяются для всех других типов резонаторов.