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.
