§1.4. Принципы лазерной генерации

Для реализации генерации электромагнитных волн с использованием усилителя, как известно из радиофизики, необходимо завести выходной сигнал усилителя на его вход и образовать петлю обратной связи. В оптике такая обратная связь создается с использованием интерферометра Фабри-Перо, создающего резонатор. На рисунке 1.11. представлена принципиальная схема устройства лазера, состоящего из: 1) активной среды длиной L, 2) источника накачки, например, импульсной лампы, 3) двух зеркал с коэффициентами отражения R₁ и R₂, образующими интерферометр Фабри-Перо.

Рис. 1.11. Принципиальная оптическая схема лазера

Исходя из условия равенства входного и выходного потока фотонов в резонаторе с учетом потерь на зеркалах, равных R₁R₂, условие генерации такого лазера может быть представлено в следующем виде

(1-11)

Таким образом, для лазерной генерации необходимы три условия:

1. наличие активной среды с инверсной населенностью, 2. присутствие обратной связи, 3. превышение усиления над потерями

Лазерная генерация начнется тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем, усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно

ехр[s(N₂ –N₁)L] (1-12)

Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия

R₁R₂ exp [2s (N₂ — N₁)L] = 1 (1-13)

Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к критической. Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерной генерации.