1.3. Принципы действия лазерных систем
Работы многочисленных исследователей, связанных с различными научными дисциплинами, способствовали быстрому развитию газовых лазерных систем. В то же время деятельность в области газовых лазеров стимулировала развитие более глубоких представлений во многих смежных разделах науки. Только немногие прикладные задачи физики атомных столкновений являются столь же чувствительными к микроскопическим деталям, которые могут быть выделены и исследованы в независимых лабораторных экспериментах, а также с помощью теоретических расчетов. Лишь в немногих приложениях благодаря общепризнанным работам специалистов физики атомных столкновений достигнут такой же высокий уровень знаний.
Конструкция любого газового лазера сильно зависит от большого набора фундаментальных данных об атомных системах. Лазеры — это сложные устройства, которые в силу ряда причин могут успешно работать только при довольно специфических условиях. Это означает, что разработка газовых лазеров требует умелого варьирования параметрами, роль которых не очевидна с самого начала и которые могут быть определены только после достаточно.
глубокого проникновения в суть микроскопических процессов, протекающих в лазерной среде, а также после осмысления того, как эти микроскопические процессы воздействуют на работу лазера как целого. Таким образом, открытие и оптимизация новых газрвых лазеров по необходимости были основаны не на вдохновении или удаче, а на быстром и непрерывном развитии ранее установленных представлений. Поскольку мы имеем дело с большим числом различных типов газовых лазеров, для их развития требуется особенно много разнообразных исходных данных. В награду за это мы получаем общность и универсальность наших знаний.
1.3.1. Моделирование лазера
Разработчик лазера и физик, работающий в области атомных столкновений, наиболее тесно соприкасаются там, где речь идет о модели лазера. Конечной целью создания этой модели является полное математическое описание всех возможных макроскопических параметров и микроскопических процессов.
Такую модель можно использовать для того, чтобы на основе известных результатов находить новые лазерные системы или улучшать характеристики прежних систем. Во многих случаях модель лазера используют для количественного «описания» поведения лазера. Оказывается, что на практике при сравнении предсказаний модели с действительными характеристиками реальных лазеров необходимо установить одну или более калибровочных точек. По-видимому, при этом всегда имеет место недостаток в решающей информации, необходимой для описания микроскопических процессов. Этот недостаток часто затушевывается в процессе подгонки параметров из-за взаимной компенсации двух каких-либо неопределенных величин. Кроме того, он маскируется также сложной природой реальных макроскопических свойств лазера, как, например, неоднородностью электронного пучка, индуктивностью разрядной цепи, нарушением геометрической симметрии в конфигурации оптического резонатора, а также наличием газовых потоков и звуковых волн. Поэтому модель лазера строится главным образом на полуэмпирических данных, что обеспечивает основу для понимания того, как действует лазер. Достоинства и недостатки модели, проявляющиеся при ее использовании, позволяют выяснить, какие именно из неизвестных нам параметров следует изучить наиболее основательно.
Для полного описания микроскопических процессов нёобходимо иметь полный набор данных о всех частицах, реакциях, скоростях и
сечениях. Однако получить полное количественное описание всех важных для данной системы процессов невозможно, и в этом нет особой нужды. Таким образом, модель лазера прежде всего нужно начинать строить с общей картины наиболее существенных процессов атомных столкновений. Процессы, относительно которых мы имеем количественную информацию, можно применять с уверенностью. Остальные же процессы можно учитывать лишь с осторожностью. Использование слишком большого числа предположений приводит всякий раз к сложным расчетным моделям и к ситуации, когда в последующих применениях забывают о тех недостаточно обоснованных аргументах, которые были первоначально заложены в модель. Иногда лучше вообще не рассматривать малоизвестные процессы или включать их по возможности в рассмотрение таким очевидным образом, чтобы применяющий затем эту модель был предупрежден о сделанных предположениях и неопределенностях.
В последующих разделах данной главы мы обсудим особенности некоторых столкновительных процессов, которые играют наиболее важную роль в газовых лазерах. Эти разделы будут следовать в порядке рассмотрения следующих общих вопросов: 1) создание возбужденных состояний; 2) кинетика возбужденных состояний; 3) спектроскопия возбужденных состояний и вывод энергии из лазера. При обсуждении мы будем обращать особое внимание на то, как влияют эти процессы на эффективность преобразования вводимой энергии в энергию лазерного излучения (кпд лазера). Другие аспекты работы лазеров также имеют значительный интерес. К ним относятся масштабирование выходной энергии (или мощности) лазерного излучения, частота повторения импульсов и получение высокого оптического качества излучения (ширина линии и расходимость), интерес к которым вызван требованиями практических приложений. Мы выделили в качестве главной иллюстрации энергетическую эффективность, поскольку именно эта характеристика газового лазера в наибольшей степени определяется природой фундаментальных процессов атомных столкновений и для ее улучшения огромное значение имеет детальное изучение микроскопических процессов.
Чтобы понять происхождение кпд лазера и уметь вычислять его величину, в качестве введения полезно начать со следующего простого разложения:
которое выражает полный кпд лазера в виде произведения соответствующих множителей. Эти множители мы рассмотрим ниже.
Другое удобное выражение для кпд имеет вид
где внутренний кпд чвнутр есть произведение последних четырех множителей в предыдущем выражении, равное отношению выходной энергии лазерного излучения к полной энергии, вложенной в газовую лазерную смесь.
