Роль оптического резонатора в лазере.

«Основная функция оптического резонатора состоит в том, чтобы придать световым волнам, излучаемым лазером, определенную форму, определенную модовую структуру» ([4], с. 112). Модовая структура поля излучения лазера формируется в резонаторе в процессе последовательных отражений излучения от зеркал резонатора. В одних резонаторах структура поля формируется за большое число проходов от зеркала к зеркалу (многопроходные резонаторы); в других резонаторах процесс формирования поля излучения происходит всего лишь за несколько проходов.

При рассмотрении роли резонатора в лазере удобно использовать фотонные представления, поскольку они наилучшим образом учитывают специфику процесса генерации излучения в оптическом диапазоне, а именно тот факт, что оптическое излучение рождается в результате многочисленных актов высвечивания атомов или молекул, совершающих квантовые переходы из одних состояний в другие. В определенном смысле уже отдельный высвечивающийся атом (молекула) может быть сопоставлен с неким «резонатором», с некой колебательной системой. Как писал академик Л. И. Мандельштам, «мы представляем себе, что в каждой молекуле газа находится оптический резонатор с определенной частотой; свечение газа объясняется тем, что резонаторы колеблются с одинаковой частотой и газ испускает свет этой частоты» ([5], с. 257).

Очевидно, что для получения когерентного света необходимо, чтобы акты высвечивания многочисленных молекул-резонаторов были взаимно скоррелированы (согласованы), причем не только по частоте излучения, но также по направлению его распространения и по поляризации. Иными словами, необходимо, чтобы осуществлялся принцип самоуправления (саморегулирования), или, как это принято говорить в радиофизике, принцип положительной

обратной связи. Возможность такой корреляции (возможность реализации положительной обратной связи) заложена в самой природе индуцированного испускания: вторичный фотон рождается в том же самом состоянии, в каком находится первичный, инициировавший рождение вторичного фотона. Для осуществления указанной возможности на практике необходимо обеспечить избирательность заселения фотонных состояний в ходе индуцированных переходов; иначе говоря, надо каким-то образом выделить на практике определенные фотонные состояния, в которых будут накапливаться фотоны, тогда как фотоны, спонтанно родившиеся во всех прочих состояниях, должны достаточно быстро «выводиться из игры».

Избирательность заселения фотонных состояний и обеспечивает в лазере оптический резонатор. «Возможность положительной обратной связи, содержащаяся в явлении вынужденного излучения, осуществляется в квантовом генераторе с помощью резонатора» ([6], с. 315). Прежде всего резонатор выделяет в пространстве определенное направление, в котором преимущественно происходит генерация. Кроме того, резонатор осуществляет селекцию по частоте и поляризации излучения. Часто используемые в резонаторах плоскопараллельные пластинки, ориентированные под углом Брюстера к оси резонатора, как раз и обеспечивают избирательность по поляризации генерируемых фотонов. Можно сказать, что выделение определенных фотонных состояний, в которых и осуществляется преимущественно генерация излучения, — принципиальная функция оптического резонатора. Чем жестче обеспечивает резонатор избирательность заселения фотонных состояний, тем выше когерентные свойства лазерного излучения (выше направленность, монохроматичность, степень поляризации).

Рассматривая вопрос о том, каким образом резонатор обеспечивает избирательность заселения фотонных состояний, подчеркнем, что это достигается за счет избирательности потерь для разных состояний. Для выделенных состояний эти потери должны быть малы, тогда как для прочих состояний они должны быть, напротив, велики. В соответствии

с условием (2.1.10) генерация реализуется лишь в тех состояниях, для которых потери относительно низки.

Фотонные представления, несмотря на некоторую схематичность, позволяют хорошо оттенить с физической точки зрения принципиальную функцию оптического резонатора. Можно сказать, что, обеспечивая избирательность заселения фотонных состояний, резонатор в конечном счете и формирует световой пучок с соответствующими когерентными свойствами. При этом формируются энергетические, спектральные, пространственные и прочие свойства излучения, генерируемого данным лазером.

В заключение остановимся на одном достаточно тонком вопросе. Наиболее «бросающаяся в глаза» функция резонатора состоит в возвращении при помощи зеркал части излучения в активную среду; Разумеется, при этом происходит более эффективный съем инверсии; Однако насколько это принципиально? Может ли резонатор осуществлять избирательность заселения фотонных состояний, а в конечном счете формирование поля излучения, не возвращая часть излучения в активную среду?

На этот вопрос нельзя, по-видимому, дать категоричный ответ. Лазеры без зеркал, как известно, существуют. Избирательность по направлениям импульса фотонов осуществляется в таких лазерах за счет выбора соответствующей геометрии активного элемента. Известно также, что существует практически полная аналогия между структурой поперечных мод резонатора с зеркалами (где происходит возвращение излучения) и линзового волновода (где излучение распространяется в одном направлении) [7]. В то же время известно, что степень избирательности заселения фотонных состояний (а следовательно, степень когерентности излучения), реализуемая в беззеркальных лазерах, как правило, заметно ниже по сравнению с лазерами, имеющими зеркала. Что же касается аналогии между резонаторами с зеркалами и линзовым волноводом, то она нарушается, когда речь заходит не о пространственных, а о спектральных характеристиках излучения: линзовый волновод не имеет резонансных частот.

Надо подчеркнуть, что поставленный выше вопрос должен рассматриваться с учетом усиливающих свойств активной среды. Напомним, что оптимальное значение коэффициента отражения выходного зеркала резонатора зависит от величины начального коэффициента усиления. Чем больше тем меньше и тем, следовательно, менее существенны отражательные свойства зеркала. Напротив, при малых когда приближается к 100%, роль зеркала становится существенной.

Можно сказать, что наличие отражающих зеркал не является необходимым при достаточно высоких значениях коэффициента усиления активной среды. Именно поэтому могут работать в режиме сверхсветимости (т. е. без зеркал) лазеры на самоограниченных переходах, в частности лазер на парах меди (см., например, [8] гл,8.), а также водородный и азотный лазеры, генерирующие в

УФ области спектра (см. [8] гл. 9). Эти лазеры характеризуются весьма высокими коэффициентами усиления.

Указанное обстоятельство играет принципиальную роль в решении проблемы создания лазеров рентгеновского и гамма-диапазона, где отражающие зеркала попросту неизвестны. Приведем в этой связи высказывание доктора физико-математических наук Ильинского Ю. А. (из статьи «Проблема гамма-лазера», опубликованной в ж-ле «Природа», 1978, № 9, с. 49—53): «В ранних работах по гаммалазеру большое внимание уделяли резонатору, который усиливает интенсивность лазерного излучения в результате того, что, отражаясь от зеркала, оно многократно проходит через активное вещест во. Создание зеркал для жесткого гамма-излучения — это самостоятельная задача, подход к решению которой пока еще не найден. В 70-х годах стало ясно, что это не главная проблема, потому что к тому времени уже работали ультрафиолетовые лазеры без зеркал. Такие лазеры дают направленное и монохроматическое излучение при условии, что усиление в активном веществе достаточно велико. В этом случае активное тело лазера выполняется в виде стержня, длина которого обеспечивает требуемое усиление излучения при его однократном прохождении в лазере».

Что же касается лазеров, характеризующихся относительно невысокими значениями коэффициента усиления, то в них структура поля излучения формируется из шума за большое число проходов излучения по резонатору. В этом случае наличие отражающих зеркал приобретает, по-видимому, принципиальный характер.