Принцип устройства лазера

Среда, в которой создана инверсная заселённость уровней, называется активной (рабочей средой или активным элементом). Она можетслужить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света и егосвойства были непрерывными, необходимоиспользовать обратную связь - частично возвратить сигнал назад в устройство для его дальнейшего усиления. Поэтому активную среду располагают между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошёл через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. Система, образованная двумя такими отражателями, представляет собой открытый резонатор (оптический илилазерный резонатор). При этом в усиливающем элементе, размещённом в открытом резонаторе, должна поддерживатьсяинверсная заселённостьуровней. Это достигается с помощью накачки - процесса, обеспечивающего непрерывность инверсии населённостей.

Начало лавинообразному процессу в резонаторе при определенных условиях может положить случайное испускание резонансного фотона (например, в результате спонтанного акта люминесценции), при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы.

Рисунок 2 - Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере. Приведен вариант с плоскопараллельными зеркалами (плоский резонатор), y одного из отражателей (I) r ₁ = 1 («глухое» зеркало), y второго (II) r ₂ < 1, его называют выходным. Между отражателями резонатора – активная (рабочая) среда (III)

На рисунке 2 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере. Через некоторое время в лазерном резонаторе после определённого переходного процесса формируется стабильный (стационарный) режим генерации. Именно генерация кoгeрeнтнoгo электромагнитного поля светового излучения и есть процесс, отличающий лазер от любых других источников света. Лазерное излучение выводится наружу через одно (иногда, оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью (т. е., с энергетическим коэффициентом отражения r < 1).

Рисунок 3 - Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны параметры t₂ и t₃, обычно называемыми временами жизни состояний 2 и 3 с энергиями E ₂ и E ₃. Уровень E ₂ – метастабильный. Переход между уровнями E ₃ и E ₂ безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E ₂ и E ₁. В кристалле рубина уровни E ₁, E ₂ и E ₃ принадлежат примесным ионам хрома

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. Первыми из лазеров на конденсированных средах стали лазеры на люминесцентных кристаллах - там обычно используется оптическая накачка. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы накачки, число возбуждённых атомов в двухуровневой схеме не может оказаться больше числа невозбуждённых из-за того, что вероятность резонансного поглощения фотона равна вероятности вынужденного излучения. В лазере на основе рубина (и поныне одного из широко используемых активных кристаллов) накачка производится через уровень 3 с энергией E ₃, расположенный выше двух других (рисунок 3). Кристаллическая решётка рубина создана атомами (ионами), образующими окисел алюминия Al ₂ O ₃ с примесью дo 0.03%ионов хрома – Cr ³⁺, поглощение энергии накачки переводит ионы хрома в возбуждённое короткоживущее состояние 3 (из которого происходит безызлучательный переход в относительно долгоживущее (метастабильное) состояние 2).Тем самым в резонаторе лазера происходит «накопление» ионов хрома на уровне с энергией E ₂ > E ₁, то есть реализуется инверсная заселённость.

После вспышки мощной лампы, расположенной в резонаторе параллельно кристаллу рубина, выращенному в форме цилиндрического стержня, многие ионы хрома переходят в состояние с энергией E ₃, а через промежуток t₃ ≈ 10^–8 с они переходят в состояние с энергией E ₂. Перенаселённость (инверсия) возбуждённого уровня E ₂ по сравнению с невозбуждённым уровнем E ₁ возникает из-за относительно большого времени жизни t ₂ уровня E ₂. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм (тёмно-вишнёвый свет), мощность излучения достигает в импульсе 10⁶ – 10⁹ Вт.

Рисунок 4 - Ход лучей в случае наклона по отношению к оси открытого резонатора: (I) и (III) – отражатели, (II) – активный элемент

Лазерный резонатор служит ещё одной цели – в нём формируется световой пучок с крайне малой расходимостью и плоским волновым фронтом. Усиливаться способны только те лучи, направление которых совпадает с горизонтальной линией – осью резонатора ОО ¢ (рисунок 4). Остальные лучи после нескольких последовательных отражений на параллельных зеркалах «сбегают» из активного элемента и резонатора. Такие лучи испытывают потери, называемые дифракционными, из-за них усиление для этих лучей оказывается недостаточным - как говорят, эти лучи не выходят в генерацию.