7.3.2.  Оптический резонатор

Выделение одних фотонных состояний и подавление остальных состояний осуществляется на практике при помощи оптического резонатора – принципиально важного эле­мента лазера. В простейшем случае оптический резонатор (рис. 7.4) пред­ставляет собой пару зеркал на общей оптической оси (ось резонатора 00),  которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча. Резонатор выделяет в пространстве направление лазерной генерации и создает наиболее благоприятные условия для развития процессов вынужденного испускания именно для данного направления. Между зеркалами 1 и 3 оптического резонатора помещается активный элемент 2.

Твердотельные активные элементы имеют чаще всего форму цилиндрического тела, ось которого совпадает с оптической осью резонатора; длина цилиндра примерно на порядок больше его диаметра. По крайней мере, одно из зеркал оптического резонатора обладает некоторой прозрачностью. Через это зеркало (его на­зывают выходным зеркалом) из резонатора лазера выходит из­лучение.

Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси 00 или достаточно близком к нему, будут проходить внутри активного элемента относительно боль­шой путь, который к тому же существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Вза­имодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны инициируют в конечном счете мощную лавину вынужденно испу­щенных фотонов, которая и образует лазерный луч. Что же ка­сается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро «выйдут из игры».

Итак, оптический резонатор обеспечивает избирательность для фотонных состояний, прежде всего, по направлению движения фотонов. Он выделяет в пространстве определенное направление, вдоль которого и реализуется лазерная генерация. Оптический резонатор обеспечивает избирательность и по другим характеристикам излучения. Конечно, избирательность по энергиям фотонов обеспечена подбором активных центров с со­ответствующей им системой энергетических уровней. Однако в дей­ствительности система уровней активных центров существенно сложнее, чем показанные на рис. 7.3. Реальные активные центры могут иметь не один, а несколько рабочих переходов. Что­бы исключить лишние переходы, можно, например, использовать в резонаторе зеркала, коэффициент отражения которых изменяет­ся с частотой излучения. Такие зеркала обеспечат необходимую избирательность по энергии фотонных состояний.

Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиаль­но важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной актив­ной среде процессы вынужденного ис

пускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочи­вает, направляет в «нужное русло» и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами.

Забегая вперед, заметим, что резонатор формирует излучение не просто с высокими когерентными свойствами, но и с определен­ной структурой светового поля. Это означает, что резонатор осу­ществляет также управление лазерным излучением.