1.2. СХЕМА ЛАЗЕРА

Схема лазера с оптической накачкой приведена на рис. 3. Видно, что лазер состоит из следующих основных элементов: среды, чаще называемой активным веществом, двух зеркал, называемых открытым зеркальным резонатором, источника возбуждения, источника питания и рефлектора. Активное вещество, используемое для получения индуцированного излучения, должно обладать такими уровнями энергии, переход между которыми сопровождается излучением, лежащим в требуемом диапазоне длин волн. Это вещество должно иметь определенную концентрацию активных частиц, т. е. тех частиц, которые обеспечивают накопление и выделение энергии. Понятно, что чем больше будет таких частиц, тем большее их число примет участие в накоплении и излучении энергии. Активное вещество помещено в открытый зеркальный резонатор. Принцип его работы достаточно хорошо понятен из рассмотрения рис. 4. Видно, что в ситуации а все частицы активного вещества (кроме двух) находятся в основном состоянии, т. е. на нижнем энергетическом уровне.

Рис. 3. Схема лазера с оптической накачкой

Рис. 4. Принцип работы зеркального резонатора

В ситуации внешнее электромагнитное поле переводит часть частиц в возбужденное состояние (возросло количество черных кружков), это привело к инверсной населенности верхнего энергетического уровня. В ситуации в возникло самопроизвольное спонтанное излучение от трех частиц, две излучили под углом к оси резонатора и это излучение покинет резонатор и активное вещество, не получив какого-либо усиления. Иное состояние будет иметь место для излучения, которое направлено вдоль активного вещества. Это излучение присоединит к себе еще несколько возбужденных частиц, и тогда к правому зеркалу подойдет уже усиленное излучение. Из рассмотрения ситуации видно, что часть излучения отразилась от правого зеркала и направилась в левую сторону, вовлекая в процесс излучения частицы, расположенные на своем пути. Из рассмотрения ситуации видно, что излучение отразилось от левого зеркала и направилось вправо, вовлекая в процесс излучения все оставшиеся возбужденными частицы. Последняя ситуация показывает, что все ранее возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию. На выходе из резонатора образовался мощный поток индуцированного излучения. Для вывода излучения из резонатора одно из его зеркал делается полупрозрачным.

Таким образом, можно отметить, что волна будет расти по амплитуде и перемещаться в активном веществе. Увеличение амплитуды будет продолжаться, однако усиливаться в значительной степени будет только та волна, которая перемещается перпендикулярно зеркалам.

Рис. 5. Схема энергетических уровней ионов хрома в рубине

Та же волна, которая перемещается параллельно зеркалам, не получив достаточного усиления, покинет активное вещество через его стенки. Наибольшего усиления достигнет вол-на, которая многократно Пройдет активное вещество. Отсюда видно, что условия для поперечных волн неблагоприятны, а для продольных — благоприятны. Получив значительное усиление, продольные волны покинут активное вещество, причем все они будут сосредоточены в узком пучке. Этот пучок имеет незначительное угловое расхождение.

Важным элементом схемы является источник возбуждения. Он переводит в возбужденное состояние большинство активных частиц. Поясним механизм возбуждения на примере, когда в качестве активного вещества используется синтетический рубин с примесью хрома (рис. 5). При освещении рубина белым или зеленым светом ионы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень, поглощая энергию зеленой части спектра. Из рисунка видно, что рубин имеет две полосы поглощения: в зеленой — 0,56 мкм и в синей — 0,48 мкм. Для получения усиления необходимо, чтобы в среднем не менее половины ионов, находящихся в основном состоянии, перешло на

верхний энергетический уровень. Этот уровень нестабилен, и частицы быстро совершают безызлучательный переход на промежуточный (метастабильный) уровень, который более стабилен, чем верхний. На промежуточном уровне может находиться значительное число частиц. При воздействии на кристалл слабого излучения на частоте перехода (или при самопроизвольном переходе одной из частиц с верхнего уровня на нижний) возникает индуцированное излучение, сосредоточенное в основном на волне 0,6943 мкм, и слабое — на волне 0,6929 мкм. Все частицы с промежуточного уровня совершают индуцированный переход на основной уровень синфазно и в короткий интервал времени. Это и создает когерентное излучение. Таким образом, видно, что стимулированное излучение представляет собой резонансный процесс и в силу этого более строго привязано к центру полосы частот, чем излучение спонтанное (самопроизвольное), испускаемое возбужденной частицей. Излучение этих «предпочтительных» частот, в свою очередь, возбуждает излучение на той же частоте. Относительная ширина линии излучения лазера составляет Эту ширину хорошо сравнить с шириной используемого до появления лазеров оптического стандартного источника — лампы с парами натрия. Считалось, что такой источник «монохроматического» излучения может быть признан как эталонный. Он имел относительную ширину линии

Излучение лазера имеет высокую степень пространственной когерентности, поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распространения волн. Это излучение когерентно и во времени, ибо имеется строгое фазовое соответствие между частью волны, испускаемой в один момент времени, и волной, испускаемой спустя некоторый промежуток времени. Причем, чем выше стабильность излучения по частоте, тем более отчетливо проявляется свойство когерентности волны во времени.

Рассмотренные понятия позволяют привести и еще один обобщенный показатель лазерного излучения. Им является спектральная яркость, — величина, связывающая между собой поток энергии, излучаемой лазером, телесный угол, в котором сосредоточено это излучение, а также тот участок длин волн, в котором сосредоточена эта энергия. Этот показатель используем для сравнения между собою когерентных и некогерентных источников.

Рис. 6. Спектральные яркости когерентных и некогерентных источников света

В качестве последнего возьмем Солнце. Известно, что оно излучает очень много энергии. По формуле Планка подсчитано, что полная мощность излучения Солнца (мощность излучения, собранная со всех длин волн) составляет с каждого сантиметра его поверхности — величина сама по себе довольно значительная. Но эта энергия распределена в широком спектральном диапазоне длин волн, что хорошо видно на рис. 6. Там показано, что излучение распространяется от 0,25 до и далее. Эти границы не являются строгими, лишь участок видимого излучения определен более четко, он составляет интервал от 0,38 до границы, в пределах которых человеческий глаз обнаруживает излучение. Видимый участок перекрывает диапазон частот до Какая же доля ото всей энергии приходится на полосу в Расчеты показывают, что в полосе на квадратный сантиметр Солнца имеет излучаемую мощность всего . А это очень незначительная мощность, если иметь в виду, что обычный промышленный радиопередатчик излучает до На рисунке представлены излучения двух лазеров: твердотельного с рубином в качестве активного вещества и газового (на гелий-неоновой смеси). Видно, что если

солнечному источнику энергии соответствует температура АЧТ около 6000 К, то лазерным источникам — примерно Следовательно, спектральные яркости лазерных источников значительно превышают спектральную яркость Солнца, что дает принципиальную возможность построения лазерных приборов, работающих практически без помех в условиях солнечного освещения.