2.13. Тепловая линза
Эффект тепловой линзы.
При поглощении излучения накачки активная среда нагревается; в результате изменяется ее показатель преломления. Пусть 
— показатель
тель преломления среды в некоторой ее точке в отсутствие излучения накачки. Если при наличии излучения температура среды в данной точке повышается на величину 
то показатель преломления становится равным
где 
— физическая характеристика среды, называемая температурным коэффициентом ее показателя преломления.
При отводе тепла через боковую поверхность активного образца происходит преимущественное охлаждение его периферийной области; поэтому температура образца достигает максимальной величины в его приосевой области и постепенно понижается в направлении от оси к периферии. Отсюда следует, что при выполнении неравенства
приосевая область активного образца оказывается согласно (2.13.1) оптически более плотной по сравнению с периферийной областью. Если же, напротив, имеет место неравенство
то приосевая область активного образца оказывается оптически менее плотной.
В оптически неоднородных средах световые лучи отклоняются в область с более высоким значением показателя преломления; поэтому при 
распространяющееся вдоль активного образца генерируемое излучение будет фокусироваться, тогда как при 
оно будет, напротив, дефокусироваться. В первом случае активный образец уподобляется собирающей, а во втором — рассеивающей линзе. В этом и заключается эффект тепловой линзы.
Кристаллы рубина и иттрий-алюминиевого граната имеют положительные температурные коэффициенты показателя преломления; тепловая линза, образующаяся в этих кристаллах, является собирающей. Для рубина 
для граната 
Эффект рассеивающей тепловой линзы наблюдается в некоторых типах стекол.
При рассмотрении тепловой линзы в активном образце твердотельного лазера можно в первом приближении не учитывать поглощения в нем генерируемого излучения, поскольку мощность этого излучения примерно на два
порядка меньше мощности излучения накачки. В данном случае имеет место ситуация, когда тепловая линза, обусловленная поглощением одного излучения (излучения накачки), воздействует на формирование поля другого излучения (излучения, генерируемого в активной среде лазера). Роль генерируемого лазером излучения в образовании тепловой линзы становится существенной тогда, когда это излучение является единственным фактором, обусловливающим нагревание среды. Примером может служить нелинейный кристалл для параметрического преобразования частоты, где в качестве накачки используется излучение от лазера.
В подобных случаях тепловая линза, обусловленная поглощением в среде некоторого излучения (лазерного пучка), воздействует на это же самое излучение. Эффект тепловой линзы выступает здесь как нелинейный эффект; его называют эффектом тепловой нелинейности или, короче, тепловой самофокусировкой. Если, например, лазерный пучок наводит в каком-либо элементе собирающую тепловую линзу, то в результате тепловой фокусировки будет возрастать плотность пучка в приосевой области элемента, а вместе с тем будет увеличиваться и поглощение излучения в этой области. В результате будет наблюдаться усиление фокусирующих свойств наведенной тепловой линзы.
