ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Структурная схема лазера

Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работо­способность лазера или служащих для управления лазерным излучением [23]. К таким до­полнительным элементам можно отнести (рис. 5.2) систему охлаждения активного элемента и систему накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство контроля пара­метров излучения и др. В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обязательным. Как будет вид­но при рассмотрении типов лазеров, температура активного вещества играет важную роль в достижении инверсии населенностей. В некоторых активных веществах инверсию можно
получить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания необходимой температуры активного вещества накачки.

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.

Таким образом, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС через оптический резонатор дает необходимые энергетические предпосылки для самогенера - ции 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 — неэкономичный 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 /2 (/лаз — длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии I Дж в течение 1 мс, т. е. мощностью всего около 1 кВт с длиной волны 7,лаз = 0,69 мкм, то интенсивность излучения в фокусе может достигать значения 1 кВт/>.лаз ® 10й Вт/см2.

Лазерное излучение высоко монохроматично, 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 низкую температуру
и высокую энтропию, преобразуется в лазерное излучение с исключительно высокой экви­валентной температурой и 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:

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

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

- электронная накачка — накачка лазера электронным пучком;

- химическая накачка — накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном ве-

Ществе.

Лазерный пучок — это не просто поток энергии, как, например, пучок света, это — поток энергии очень высокого качества, поток исключительно упорядоченного когерентного из­лучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Но за это качество мы платим высокую цену — кпд лазеров порядка 10%, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения следует затратить примерно 10 Дж энергии накачки. Но при этом плотность энергии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частно­сти, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве.

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора хорошо описывается экспонентой с положительным показателем

Е{х) = £(0) ехр [(*„ - А:п)х],

Где Е{х) — энергия излучения вдоль оси х; Е(0) — энергия излучения при х = 0; кл — линей­ный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси х), значение которого пропорционально энергии накачки, к„ — коэффициент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной среде.

Для простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид

Где 1/х0 — коэффициент поглощения излучения в активной среде; /рез — длина оптического резонатора; Яь — коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Второй член представляет собой торцевые потери излучения, отнесенные к единице длины резонатора.

При некотором значении энергии накачки, которое называется порогом генерирования лазера, кл > к„, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т. е. ге­нерацию. Таким образом, порог генерирования лазера — это энергия (или мощность), поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент лазерного уси­ления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте.

Направленность лазерного излучения определяется отношением длины волны генери­руемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость 0р оценивается следую­щим выражением-:

(5.9)

Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и распреде­лению электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения одночастот­ного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.

Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими параметрами.

В группе пространственно-временных выделяют следующие параметры:

- частота лазерного излучения — средняя частота (или средняя длина волны) спектра лазерного излучения;

- ширина линии лазерного излучения 8„ — расстояние между точками контура спек­тральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;

- расходимость лазерного излучения 0Р — плоский или телесный угол, характеризую­щий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

- время готовности лазера /гот — время, необходимое для достижения лазером эксплуа­тационных (номинальных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся, прежде всего, энергия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера. Мощ­ность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть.

Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность действует всего 1 не.

Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т. е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходя­щейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.

Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энергию излучения ха­рактеризуется кпд, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энерге­тическим параметрам относится также порог генерирования лазера.

Можно выделить три основных режима работы лазеров:

- режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазе­ры, работающие в непрерывном режиме, называются непрерывными;

- режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульсный режим) и соот­ветственно импульсные лазеры;

- режим импульсно-периодического лазерного излучения — импульсно-периодические лазеры.

В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте ге­нерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превы­шающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение дли­тельного времени.

Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 не (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн кВт).

В импульсно-периодическом режиме излучение формируется в виде периодиче­ских серий импульсов — импульсных пакетов.