Генерация излучения

Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения, необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи.

В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются прозрачными. В общем случае оптический резонатор — это система отражающих, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться волны оптического диапазона. Лавинообразный процесс возникновения лазерного излучения («фотонной лавины») в оптическом резонаторе иллюстрируется рис. 5.28.

Таким образом, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС через оптический резонатор дает необходимые энергетические предпосылки для самогенерации излучения. Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активной среды, называется накачкой лазера. Значение энергии накачки много больше энергии лазерного излучения, т. е. лазер — не экономичный генератор. Но по своим качественным показателям лазерное излучение уникально. Первое важнейшее свойство лазерного излучения состоит в его направленности, которая связана с пространственной когерентностью: лазерное излучение распространяется в виде почти плоской волны, расходимость которой близка к минимально предельной дифракционной расходимости. Такую пространственно-когерентную волну легко сфокусировать на площадку размером около (— длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает

Рис. 5.28. Образование фотонной лавины в оптическом резонаторе:

1 — активная среда; 2 — резонаторы

импульс энергии 1 Дж в течение 1 мс, т.е. мощностью всего около 1 кВт с длиной волны = 0,69 мкм, то интенсивность излучения в фокусе может достигать значения 1 кВт/»10¹¹ Вт/см².

Лазерное излучение высокомонохроматично, так как лазер генерирует когерентные оптические колебания на частоте максимального усиления и минимальных потерь излучения в резонаторе. Таким образом, лазер преобразует энергию низкого качества в когерентное излучение, т.е. в предельно высококачественную форму энергии, или, используя термины термодинамики, можно сказать следующее: энергия накачки, имеющая высокую энтропию, преобразуется в лазерное излучение с предельно низкой энтропией.

Лазер является генератором электромагнитного излучения оптического диапазона, поэтому должен содержать, во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера, во-вторых, лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.

В зависимости от вида подводимой энергии накачки различают следующие виды накачки лазера:

1) оптическая накачка — возбуждение лазера оптическим излучением; она может быть ламповой: источник накачки— лампа, диодной: источник накачки — злучающий диод, лазерной — лазер — и т. д.;

2) электрическая накачка — накачка лазера электрической энергией (в частности, к этому виду накачки относится накачка полупроводниковых инжекционных лазеров);

3) электронная накачка — накачка лазера электронным пучком;

4) химическая накачка — накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном веществе.