Далее: 1.4.  Устройство гелий - Вверх: 1.  Краткая теория Назад: 1.2.  Усиление электромагнитного излучения

1.3.  Принцип действия лазера

Для создания оптического квантового генератора (ОКГ) или лазера необходимо выполнение трех условий.

1. Наличие вещества, в атомах которого есть метастабильные уровни ( $\tau>10^{-8}\,c$);
2. Создание инверсной заселенности метастабильных уровней -- накачка. Эти два условия достаточны для работы квантового усилителя (ОКУ). Для работы любого генератора необходимо еще третье условие:
3. Создание положительной обратной связи.

Обратная связь в оптическом квантовом генераторе осуществляется при помощи открытого оптического резонатора, представляющего собой систему зеркал. В твердотельных лазерах это посеребренные торцы активного элемента. В газовом лазере трубка помещается между зеркалами. Это могут быть два плоско-параллельных зеркала (интерферометр Фабри-Перо). Для настройки (юстировки) лазера удобнее чтобы одно из зеркал было сферическим или использовать систему двух сферических конфокальных зеркал.

В оптическом, как и в любом другом резонаторе, условия стационарного состояния выполняются только для тех волн, для которых на оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число полуволн. Указанное условие выполняется не только для осевого пучка, но и для ряда приосевых пучков, которые дают в плоскости перпендикулярной оси пучка, сложное распределение амплитуд, зависящее от направления распространения и соответственно от дифракционных потерь. Такие колебания получили название поперечных мод резонатора.

Условия резонанса для каждого выбранного направления могут выполняться для ряда частот, удовлетворяющих следующему условию:

$$\nu_n={nc\over 2\ell_p}\,,$$

где $n$ - число полуволн, укладывающихся на пути $\ell_p$.

Таким образом внутри одной поперечной моды может существовать ряд колебаний, которые получили название продольных мод. В вакууме отличие частот между соседними продольными модами:

$$\Delta \nu_p=\nu_{n+1}-\nu_n={c\over 2\ell_p}\,.$$

Если пространство между зеркалами заполнено средой, то:

$$\Delta \nu_p={\nu_{\text{\it г}p}\over 2\ell_p}\,,$$

где $\nu_{\text{\it г}p}$ - групповая скорость в данной среде.

В любом оптическом резонаторе, в особенности состоящем из плоских зеркал или плоского и сферического, поперечные моды по мере отклонения от оси резонатора испытывают все возрастающие потери за счет дифракции. Вследствие этого условия генерации возникают только для приосевых мод, что обеспечивает высокую направленность лазерного луча.

Путем настройки и с помощью специальных диафрагм можно получить генерацию на одной основной моде - одномодовый режим. В этом случае распределение амплитуд поля в поперечном сечении меняется по закону Гаусса (гауссовский пучок).

В ряде случаев путем внесения в резонатор селективных фильтров удается получить генерацию только одной продольной моды. Такой режим работы лазера называется одночастотным. В этом случае реализуется максимальная монохроматичность излучения лазера.

Одним из основных источников потерь мощности при работе газового лазера является неидеальная отражающая способность зеркал резонатора.

Далее: 1.4.  Устройство гелий - Вверх: 1.  Краткая теория Назад: 1.2.  Усиление электромагнитного излучения