3.4. Расходимость
Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является угловая расходимость. Под термином «угловая расходимость» принимается величина потока излучения, приходящаяся на единицу телесного угла, т. е. угловое распределение интенсивности излучения в дальней зоне.
Спектральная ширина распределения интенсивности в дальней зоне и есть угловая расходимость светового пучка. На практике применяется понятие «расходимость по уровню 0,5 интенсивности». Это спектральная ширина диапазона углов, в котором энергия излучения составляет не менее 0,5 максимального значения. Это угловой диаметр круга в дальней зоне, который охватывает половину всего потока излучения.
Для простоты рассмотрим пучок света с плоским волновым фронтом кругового сечения, имеющим постоянную интенсивность по сечению. Вследствие дифракции на выходном зеркале резонатора происходит увеличение диаметра лазерного пучка, характеризуемое углом расходимости θd (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Расходимость (обусловленная дифракци- ей) пучка лазерного излу- чения с плоским волновым фронтом, круговым попе- речным сечением и равно- мерным распределением интенсивности: D – диаметр выходного зеркала лазерного резонатора; θd – угол расходимости излучения
3.5. Выходная мощность и яркость
Наиболее существенным параметром лазерного излучения, необходимого для большинства приложений, является выходная мощность (энергия) лазера. Рассмотрим физические процессы, обеспечивающие большую выходную мощность лазерного излучения. Достижение высокой выходной мощности лазера обусловлено использованием активной среды с большим коэффициентом усиления. Мощность, генерируемая внутри резонатора, уменьшается при данной мощности накачки с увеличением потерь на пропускание зеркал.
С точки зрения приложения лазерного излучения наиболее важным параметром является яркость, определяемая интенсивностью лазерного излучения, испускаемой с единицы поверхности источника в единичный телесный угол.
Интенсивность излучения можно увеличить при фокусировке его линзой, яркость же при этом остается неизменной, что подтверждается одной из фундаментальных теорем геометрической оптики: при любых преобразованиях светового пучка оптическими системами его яркость не меняется.
Яркость лазерного излучения на несколько порядков величины боль- ше, чем яркость наиболее мощных некогерентных источников. Это обу- словлено чрезвычайно высокой направленностью лазерного пучка.
4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА
Лазерные источники могут работать в одном из следующих двух режимов: 1) в непрерывном или стационарном режиме; 2) в импульсном или нестационарном режиме. Режим работы лазера обусловлен, в первую оче- редь, режимом работы источника накачки.
4.1. Непрерывный режим работы лазера
Стационарная накачка приводит к стационарному режиму генерации, что можно рассматривать как непрерывный режим работы лазера.
Генерация лазера осуществляется при условии, когда выполняется неравенство N2 > N1.
Если энергия источника накачки постоянна и велика то будет обеспечиваться условие стационарного режима работы лазера.
Физический смысл этого процесса заключается в том, что критическое значение населенности возбужденного уровня должно быть достаточно большим, чтобы усиление компенсировало полные потери в лазере.
Если скорость накачки больше скорости спонтанного перехода, то число фотонов будет возрастать от исходного значения, определяемого спонтанным излучением, и если скорость накачки не зависит от времени, тогда число вынуждено испущенных фотонов достигнет некоторого постоянного значения. Когда скорость накачки выше критической, в резонаторе лазера увеличивается число фотонов, а не инверсия населенностей. Незначительное увеличение мощности накачки относительно порогового значения приводит к резкому увеличению числа фотонов в резонаторе.