Резонатор лазера. Условие лазерной генерации. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.

Активной среды и системы доставки к ней энергии еще недостаточно для возникновения лазерной генерации. Лазерная генерация, т.е. испускание монохроматического когерентного света, возникает только при наличии обратной связи, или лазерного резонатора.

В наиболее простом случае резонатор представляет собой пару зеркал, одно из которых (выходное зеркало лазера) является полупрозрачным. В качестве другого зеркала, как правило, ставят отражатель с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к 100% («глухое зеркало»), чтобы избежать генерации лазера «в две стороны» и лишней потери энергии.

Резонатор лазера обеспечивает возвращение части излучения назад в активную среду. Это условие важно для возникновения когерентного и монохроматичного излучения, поскольку возвращенные в среду фотоны будут вызывать излучение одинаковых с собой по частоте и фазе фотонов. Соответственно, вновь возникающие в активной среде кванты излучения будут когерентны с уже вышедшими за пределы резонатора.

Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью.

На рис. 5 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

Рисунок 11. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

 

Таким образом, характерные свойства лазерного излучения обеспечиваются во многом именно конструкцией и качеством лазерного резонатора.

Коэффициент отражения выходного полупрозрачного зеркала лазерного резонатора подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность лазера, либо исходя из технологической простоты изготовления. Так, в некоторых волоконных лазерах в качестве выходного зеркала может использоваться ровно сколотый торец волоконного световода.

Очевидным условием устойчивой лазерной генерации является условие равенства оптических потерь в лазерном резонаторе (включая потери на выход излучения через зеркала резонатора) и коэффициента усиления излучения в активной среде:

Условия возникновения генерации:

Где:

коэффициенты отражения полупрозрачного и глухого зеркал соответственно,

длина активной среды,

коэффициент усиления в активной среде,

«серые» потери в активной среде (т.е. потери излучения, связанные с флуктуациями плотности, дефектами лазерной среды, рассеяние излучения и прочие виды оптических потерь, обуславливающих ослабление излучения при прохождении через среду, кроме непосредственно поглощения квантов излучения атомами среды).

коэффициент усиления лазера с учётом потерь в активной среде.

Из условия возникновения генерации вытекает правило для выбора коэффициента отражения выходного зеркала.

Резонатор лазера нуждается в юстировке. Предположим, что резонатор составлен из двух параллельных, но не отъюстированных зеркал (например, расположенных под углом друг к другу). В таком резонаторе излучение, пройдя через активную среду несколько раз, выходит за пределы лазера (рис. 5). Резонаторы, в которых излучение за конечное время выходит за его пределы, называются неустойчивыми. Такие резонаторы используются в некоторых системах (например, в мощных импульсных лазерах специальной конструкции), однако, как правило, неустойчивости резонатора в практических приложениях стараются избежать.

Рис. 12. Неустойчивый резонатор с разъюстированными зеркалами и устойчивый резонатор и стационарный пучок излучения в нем.

Чтобы повысить устойчивость резонатора, в качестве зеркал используют изогнутые отражающие поверхности. При определенных значениях радиусов отражающих поверхностей данный резонатор оказывается нечувствительным к малым нарушениям юстировки, что позволяет существенно упростить работу с лазером.
Лазерная установка представляет собой сложную систему с множеством вспомогательных устройств. Укрупнённая блок – схема лазерной установки показана на рисунке.

Блок - схема ОКГ.

Блок схема ОКГ.

Рис. 13

Основные элементы лазера:

1. Активное вещество;

2. Система накачки;

3. Резонатор.

Активное вещество это: матрица – кристалл АИГ, либо Al₂O₃ – корунд, с активатором ниадимом - Nd⁺³, либо хромом Cr⁺³ для твёрдотельных лазеров. Либо колба с газами CO₂, N₂, He, для газовых лазеров.

Система накачки – это система очень мощных газоразрядных ламп, обычно ксеноновых, отражателей и системы охлаждения.

Резонатор – это два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно, между которыми помещено активное вещество. Такая система удлиняет путь луча в активном веществе и приводит к генерации лазерного излучения.

Остальные элементы являются вспомогательными:

4. Система охлаждения (обычно проточной дистиллированной водой);

5. Внешняя оптическая система;

6. Система модуляции излучения;

7. Устройство селекции типов колебании (Мод);

8. Система контроля.