4.2 Структурная схема лазера

Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управления лазерным излучением [23]. К таким дополнительным элементам можно отнести (в соответствии с рис. 4.2) систему охлаждения активного элемента и систему накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство контроля параметров излучения и др. В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обязательным. Как будет видно при рассмотрении типов лазеров, температура активного вещества играет важную роль в достижении инверсии населенностей. В некоторых активных веществах инверсию можно получить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания необходимой температуры активного вещества накачки.

Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения, необходимо ввести поло­жительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая пере­дается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи об­ратной связи.

В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются прозрачными.

Рис. 4.2. Структурная схема лазера

В общем случае оптиче­ский резонатор – это система отражающих, преломляю­щих, фокусирующих и других оптических элементов, в про­странстве между которыми могут возбуждаться волны оп­тического диапазона.

Таким образом, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС через оптический резонатор дает необходимые энергетические предпосылки для са­могенерации излучения. Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активной среды, называется накачкой лазера. Значение энергии на­качки много больше энергии лазерного излучения, т. е. лазер – не экономичный генератор. Но по своим качест­венным показателям лазерное излучение уникально. Пер­вое важнейшее свойство лазерного излучения состоит в его направленности, которая связана с пространственной ко­герентностью: лазерное излучение распространяется в виде почти плоской волны, расходимость которой близка к ми­нимально предельной дифракционной расходимости. Та­кую пространственно-когерентную волну легко сфокусиро­вать на площадку размером около ²_лаз (_лаз - длина вол­ны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии 1 Дж в течение 1 мс, т. е. мощностью всего около 1 кВт с длиной волны _лаз = 0,69 мкм, то интенсив­ность излучения в фокусе может достигать значения 1кВт/_лаз 10¹¹ Вт/см².

Лазерное излучение высокомонохроматично, так как лазер генерирует когерентные оптические колебания на ча­стоте максимального усиления и минимальных потерь из­лучения в резонаторе. Таким образом, лазер преобразует энергию низкого качества в когерентное излучение, т.е. в предельно высококачественную форму энергии, или, ис­пользуя термины термодинамики, можно сказать следующее: энергия накачки, имеющая низкую температуру и вы­сокую энтропию, преобразуется в лазерное излучение с ис­ключительно высокой эквивалентной температурой и предельно низкой энтропией.

Лазер является генератором электромагнитного излу­чения оптического диапазона, поэтому должен содержать, во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера, во-вторых, лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.

В зависимости от вида подводимой энергии накачки раз­личают следующие виды накачки лазера:

• оптическая накачка – возбуждение лазера оптиче­ским излучением; она может быть ламповой: источник на­качки – лампа, диодной: источник накачки - излучающий диод, лазерной – лазер - и т. д.;

• электрическая накачка – накачка лазера электриче­ской энергией (в частности, к этому виду накачки относится накачка полупроводниковых инжекционных лазеров);

• электронная накачка – накачка лазера электронным пучком;

• химическая накачка – накачка, вызываемая химиче­скими реакциями в лазерном веществе.

Лазерный пучок – это не просто поток энергии, как, например, пу­чок света, это поток энергии очень высокого качества, поток исключи­тельно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого тесного угла. Но за это качество мы платим высокую цену - КПД лазеров порядка десяти про­центов, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить примерно десять джоулей энергии накачки. Но при этом плотность энер­гии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частности, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве (порядка 10¹ Дж/см³).

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора к хорошо описывается экспонентой с положительным показателем

Е(x)=Е(0) exp[(k_л - k_п)x], (4.7)

где Е(x) - энергия излучения вдоль оси x;

Е(0) - энергия излучения при x=0;

L_л - линейный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси x), значение которого пропорционально энергии накачки;

L_п - коэффи­циент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной среде.

Для простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид

L_п = , (4.8)

где - коэффициент поглощения излучения в активной среде;

_Lрез - длина оптического резонатора;

К₁ ,К₂ - коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Второй член представляет собой торцевые потери излуче­ния, отнесенные к единице длины резонатора.

При некотором значении энергии накачки, которое называется поро­гом генерирования лазера, L_л > L_п, что означает лавинообразное усиле­ние энергии лазерного излучения, т. е. генерацию. Таким образом, порог генерирования лазера – это энергия (или мощность), которая поступает на вход источника питания лазера и при которой коэффициент лазерно­го усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оп­тическом резонаторе на той же частоте.

Направленность лазерного излучения определяется отношением дли­ны волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость _р оценивается следующим выражением

_р = . (4.9)

Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличаю­щихся друг от друга по частоте и распределению электромагнитного по­ля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результа­те спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения од­ночастотного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.

Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими параметрами.

В группе пространственно-временных выделяют следующие пара­метры:

• частота лазерного излучения _Л – средняя частота (или средняя длина волны) _Л спектра лазерного излучения;

• ширина линии лазерного излучения _v – расстояние между точ­ками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствует половине интенсивности линии в максимуме;

• расходимость лазерного излучения _p – плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

• время готовности лазера t_гот – время, необходимое для достиже­ния лазером эксплуатационных (номинальных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего энер­гия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетичес­кие возможности лазера.

Мощность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, каза­лось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть.

Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность действует всего 1 нс.

Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т. е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.

Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энер­гию излучения характеризуется КПД, который равен отношению энер­гии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энергетическим параметрам относится также порог генерирования лазера.

Можно выделить три основных режима работы лазеров:

• режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазеры, работающие в непре­рывном режиме, называются непрерывными;

• режим импульсного генерирования лазерного излу­чения (импульсный режим) и соответственно импульсные лазеры;

• режим импульсно-периодического лазерного излучения – импульсно-периодические лазеры.

В непрерывном режиме работы лазера мощность лазер­ного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение длительного времени.

Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощ­ность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт).

В импульсно-периодическом режиме излучение форми­руется в виде периодических серий и импульсов – импуль­сных пакетов.