Процесс генерации

Система накачки создает в активной среде инверсную заселенность. Почти сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных направлениях. Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают короткие каскады вынужденного излучения, быстро покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь активную среду, вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генерация начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери, которые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние света в активной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.

Режимы генерации

В зависимости от конструкции, способа накачки и состава активной среды лазеры излучают либо в непрерывном, либо в импульсном режиме. Непрерывное излучение дают газовые лазеры, импульсное — твердотельные; полупроводниковые и жидкостные лазеры могут работать как в том, так и в другом режиме. Импульсный режим генерации обычно обусловлен импульсным режимом накачки (лампой-вспышкой, лазерной вспышкой). Если не приняты специальные меры, в активной среде возникает режим свободной генерации, при котором за время продолжения вспышки в активной среде успевает возникнуть целая серия импульсов. Чтобы лазер в каждом акте генерации излучал отдельный импульс, перед одним из зеркал его резонатора ставят оптический затвор, который открывается на время 10-4 — 10-10 в момент, когда активная среда уже находится в состоянии инверсной заселенности. Вся энергия, накопленная в среде (от долей джоуля до нескольких сот джоулей), излучается в виде очень короткого, длительностью до фемтосекунд (10-15 с) и соответствующей мощностью порядка гигаватт (109 Вт), т. н. гигантского импульса. Затвором для получения сверхкоротких лазерных импульсов может, например, служить кювета с раствором веществ, которые под действием светового импульса на короткое время становятся прозрачными.

Типы лазеров

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов — твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п. Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители — лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее вросту энергии излучения.

Твердотельные лазеры

Рабочим веществом этих лазеров служат кристаллы или стекла, активированные посторонними ионами. Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al2O3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr3+, на алюмо-иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы-вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.