вещество в направлении z, убывает неравномерно. В начале взаимодействия, корда ЧИС5Л0 фотонов поля в единице объема вещества относительно велико, происходит заметное уменьщение мощности поля. Далее по мере снижения объемной плотности фотонов изменение мощности на каждом последующем участке длины становится все меньще и меньще. В результате мощность внещнего поля убывает в направлении Z по экспоненте в соответствии с законом Бугера:

Р(г)=Р е- -

где Р (z) и -мощность электромагнитной волны в сечении z и на входе; к - показатель поглощения.

Для получения усиления необходимо, чтобы населенность уровня с большей энергией превышала населенность уровня с меньшей энергией: Ла >Ni. Такое неравенство противоречит распределению населенности, характерному для рассмотренного случая термодинамического равновесия. Поэтому усиление возможно при инверсии населеи-ностсй*. Достигнуть состояния с инверсией населенностей мож1Ю только затратив энергию. При этом показатель поглощения становится отрицательным, т. е. вещество усиливает поле:

Р(г) = Рвхе-(-) = Рвхе

Следовательно, в квантовых приборах на усиление поля тратится энергия внешнего источника. Источник энергии, создавая инверсию населенностей, совершает работу, передает энергию веществу и далее электромагнитному полю.

§ 16.3. Лазер-генератор

На рис. 16.1 изображена функциональная схема лазера-генератора. Основным элементом лазера является рабочее вещество / - среда энерюобмена. Под действием устройства накачки 4, в котором имеется . источник энергии, в веществе

\ Т

создается инверсия населен-Выход ностей, запасается энергия. аЩучения Эта энергия может быть передана ВЧ-полю в процессе его усиления. Вещество помещается внутри оптического резонатора,образованного системой двух зеркал 2 и 5. Рис. iO.l Зеркала создают цепь поло-

жительной обратной связи. Генерируемая световая волна, периодически отражаясь от зеркал, много раз прохо,дит через вещество и усиливается. Световая волна, выходящая из какой-то точки вещества, 1\южет вернуться в эту же

* Инверсия населенностей - неравновесное состояние вещества, при котором нясетенность рабочего уровня с большей энергией превышает населенность рабочего уровня с меньшей энергией.

точку в той же фазе и поддержать процесс колебагппт. Вывод излучс:г,1 в нагрузку (нагрузкой является окружающее пространство) осущес -вляют через одно или два зеркала, которые делают полупрозрачным Как и в других генераторах, в лазерах возникновение автоколеб:, НИИ начинается с шума, в данном случае со спонтанного излучешп! рабочего вещества. Наибольшее усиление получат составляющие спонтанного излучения, удовлетворяющие условиям самовозбуждения. Условия самовозбуждения выполняются на собственных частотах тех видов колебаний оптического резонатора, для которых за сче; усиления поля в веществе оказываются скомпенсированы все потер i энергии. Потери энергии колебаний связаны с поглощением в зерка лах, излучением в нагрузку и высвечиванием ее в окружающее гфо странство при распространении между зеркалами (дифракционные потери).

Особенность применяемых в оптическом диапазоне резонатороз состоит в том, что их геометрические размеры намного больше длинь: волны*, а следовательно, число возбуждаемых в них видов колсбани!: или мод** огромно. Для уменьщения числа возможных видов используют открытые резонаторы без боковых стенок. Волны, движущиеся строго вдоль оси резонатора (продольные моды), многократно распространяются в пространстве между зеркалами. Волны, движущиеся под некоторым углом к оси г (угловые или поперечные моды), покинут оптический резонатор после нескольких отражений. Таким образом, в открытом резонаторе могут существовать лишь продольные моды и те поперечные, распространение которых происходит под малым углом к оси резонатора. Поперечные моды обладают большими дифракционными потерями, и выполнение для них условий самовозбуждения менее вероятно. Поэтому излучение, возбуждаемое в лазере, направлено по оси резонатора.

После возбуждения колебаний в лазере излучение на частоте (частотах) автоколебаний быстро возрастает. При этом увеличиваются объемная плотность фотонов внутри резонатора, вероятность и числ вынужденных переходов. Рост относительного чпсла вынужденных переходов сказывается на параметрах излучения: оно становится менее случайным и более направленным, его спектр частот сузится. При большом числе квантовых переходов, происходящих в единицу времени, начинают изменяться населенности уровней, разность насе-ленностей верхнего и нижнего уровней уменьшается, про сходг1Т ограничение роста поля внутри резонатора и мощности, отдаваемой веществом полю, Предел роста устанавливается конечным числом частиц, взаимодействующих с полем (ограниченной энергоемкостью среды энергообмена), или, что более характерно для лазеров, конечной мощностью источника накачки.

Основными параметрами ла.зера являются длина волны из.тученпя, выходная мощность, к. п. д., энергия, излучаемая за вре.мя импульса

* Длины воли оптического излучения могут быть от десятых долей до единиц или ,1есятков микpo;гтpoв

** Виды коле .ний в оптических резонаторах называют .юдами.

(для импульсных лазеров). Расходимость лазерного пучка определяется плоск[!м или телесным углом при вершине конуса, внутри которого распространяется заданная часть мощности или энергии излу-че1И1я.

§ 16.4. Виды лазеров

1:з рис. 16.2 показано устройство рубинового лазера. Возбуждение и усиление световых колебаний происходит в кристалле рубина (КР). Основу кристаллической решетки рубина составляет корунд AljOg. Небольшая часть ионов алюминия замещена в нем ионами хрома, которые и являются средой энергообмена. Оптический резонатор образован двумя плоскими зеркальными поверхностями на концах руби-

Рис. 16.3

1ЮВ0Г0 стержня. Для этого кристалл тщательно обрабатывается и иа концы стержня наносится серебряное покрытие. Плотность покрытия с разных сторон различна. Обычно плотность покрытия меньше со стороны выхода излучения. Инверсия населенностей создается с по-кющью ксеноповой лампы накачки (ЛН), находящейся в непосредственной близости к кристаллу рубина внутри эллиптического отражателя О. Для улучшения использования энергии накачки лампа и кристалл рубина помещены в фокусы эллиптического зеркального цилиндра.

На рис. 16.3 представлена схема питания ЛН импульсного лазера на рубине. Конденсатор С с пoющью выпрями геля заряжается до напряжения В несколько киловольт При замыкании ключа Д зажигается ЛН и происходит быстрый разряд конденсатора. Как только в кристалле рубина создается достаточная для возбуждения колебаний инверсия населенностей, появнгся лазерное излучение. Генерирование колебаний продолжается до тех пор, пока разность населенностей рабочих уровней не уменьшится до некоторой критической величины. Длительность и.мпульса лазерного излучения составляет 10 мс. С ростом энергии импульса накачки возрастает генерируемая лазером энергия. Максимально достигнутая энергия составляет 10 Дж при к. п. д. порядка 1%. Рубиновый лазер генерирует колебания в красной видимой области спектра с длиной волны 0,69 мкм. Расходимость излучения южeт находиться в пределах 25-30 у гл. мин

Наиболее распространенным полупроводниковым лазером является лазер иа р-д-переходе из арсенида галлия (рис. 16.4). Если к элек-