Понятие и сущность лазерного устройства

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	3
1 Понятие и сущность лазерного устройства	4
1.1 История появления лазера	4
1.2 Принцип действия и классификация лазерной техники	7
2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ХОЗЯЙСТВА И ТЕХНИКИ	22
2.1 Применение лазеров в промышленности	22
2.2 Применение лазеров в медицине	24
2.3 Применение лазеров в военном деле	25
2.4 Применение лазеров в быту и науке	28
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРА	31
3.1 Определение энергетических параметров и характеристик лазера	31
3.2 Определение спектральных и корреляционных параметров лазера	34
3.3 Основные параметры главных компонентов лазера	36
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	41
4.1 Основные критерии выбора лазерной установки для резки металла	41
4.2 Основные типы и классификация лазерных устройств для резки металла	51
4.3 Выбор и обоснование типа лазерной установки для резки металла	59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	70

ВВЕДЕНИЕ

    Темой данной курсовой работы является «Применение лазеров. Определение параметров лазера». Актуальность данной темы определяется следующими факторами.
    Во-первых, лазер представляет собой высокотехнологичной оптическое устройство, имеющее достаточно простое строение и принцип действия и очень широкое потенциальное применение в различных областях науки, техники и быта. Поэтому актуально исследование, направленное на изучение принципа устройства и возможностей применения лазерной техники.
    Во-вторых, несмотря на простоту действия и общего принципа устройства лазера, в техническом плане создание лазерной техники требует применения высокоточных технологий, тщательного определения различных групп параметров лазера, подбора параметров компонентов лазера в зависимости от вида применения лазера. В связи с этим актуально исследование теоретических и практических основ определения параметров лазера.
    Таким образом, объект исследования: лазерная техника.
    Предмет исследования: особенности применения и определения параметров лазерной техники.
    Цель исследования: выявить основные особенности применения и определения параметров лазерной техники.
    Задачи исследования:
1) определить сущность и основные принципы устройства и действия лазерной техники;
2) выявить возможности применения лазерной техники в различных областях быта, хозяйства, науки и техники;
3) выявить различные группы характеристик и параметров лазера и методику их определения.
    Структура работы определяется задачами, стоящими перед исследованием.
    
    1 ПОНЯТИЕ И СУЩНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО УСТРОЙСТВА
    1.1 История появления лазера
    
     Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер так отражена фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании.
     Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой) заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой «Предмет изобретения» было написано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями» [5].
     Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом [17].
     В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под руководством Ч. Таунса).
     Впоследствии от термина «мазер» и произошел термин «лазер» в результате замены буквы «М» (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой «L» (начальная буква слова Light - свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.
     Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А. М. Прохоров сказал: «Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая - не были предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне» [2].
     Упомянутые А. М. Прохоровым шесть лет действительно были заполнены теми исследованиями, которые позволили, в конечном счете, перейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения.
     В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г. Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина, Ю. М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали: «Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн» [19].
     Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого «оптического мазера» - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого, имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.
     В том же 1960 г. американскими физиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г.
     Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.
     Так начинается новый, «лазерный» период оптики. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства.
    
    1.2 Принцип действия и классификация лазерной техники
    
    Лазер – оптический квантовый генератор, т.е. устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
    Существуют лазеры с длинами волн от ультрафиолетовых до инфракрасных, а мощность лазеров может варьироваться от нескольких долей милливатта для медицинских применений до киловатт – для лазеров, применяемых в промышленности.
    Лазер состоит из источника энергии (механизм «накачки), активной среды и системы зеркал (резонатора) (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема лазерного устройства
    
    Источником энергии может быть электрический разрядник, импульсная или дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция и т.д.
    Активной средой может быть газ (углекислый, аргон, криптон) или смесь газов (гелий-неон или ксенон хлор), жидкость (краситель), пары металла (медь, золото), твёрдые тела (кристаллы, стекло), полупроводники и др. [3].
    С практической точки зрения лазер – это источник света, который испускает узкий пучок света. Этот пучок света имеет определенную длину волны и распространяется с маленькой расходимостью.
    Внутри лазера энергия возбуждает «активную среду», которая излучает энергию в виде света. Активная среда содержит большее количество атомов в возбужденном состоянии, чем атомов с более низким уровнем энергии. Световая волна формируется, когда атом из «возбужденного» состояния, где он содержит определенное количество энергии, переходит в другое состояние с меньшим количеством энергии. Различие в энергии между двумя уровнями соответствует энергии испускаемой волны. Гигантское количество атомов излучают согласованно, в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это и есть когерентный свет.
    Излучённая активной средой световая волна с определённой энергией отражается от зеркал (резонатор) и опять возвращается в активную среду, снова возбуждая всё новые атомы. Это продолжающийся процесс, поэтому световой пучок становится сильнее и сильнее. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. Обычно используется частично прозрачное зеркало с одной из сторон, чтобы обеспечить выход требуемой части лазерного луча.
    Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонаторов.
    Для понимания сущности явления усиления света необходимо более подробно изучить элементарные акты взаимодействия электромагнитного излучения с атомной системой. Рассмотрим для простоты двухуровневую систему, т. е. атомы, обладающие двумя энергетическими уровнями Е1 и Е2 (Е2>Е1). Пусть N1— число атомов в единице объема вещества, находящихся на нижнем энергетическом уровне Е1, а N2 —- на верхнем уровне Е2. Тогда в результате взаимодействия электромагнитной волны с атомами вещества будут происходить изменения ее интенсивности, обусловленные следующими элементарными процессами.
    Вынужденное поглощение фотонов частоты V12=(E2-E1)/h=V0, которое будет происходить со скоростью, определяемой из выражения (1.1):
    
    dN1/dt = B12p(v)N1, 					(1.1)
    
    где B12 – коэффициент Эйнштейна; 
      B12p(v) – вероятность этого вынужденного перехода;
      p(v) – спектральная плотность энергии волны.
    Спонтанное излучение атомов, при котором они самопроизвольно переходят с верхнего возбужденного состояния Е2 на уровень Е1. число этих переходов в единицу времени будет равняться выражению (1.2):
    
    dN2сп/dt = A21N2, 						(1.2)
    
    где A21 — коэффициент Эйнштейна. 
    Так как эти переходы происходят в результате внутренних причин и статистически независимы, то спонтанное излучение носит тепловой характер и по отношению к внешнему электромагнитному полю будет некогерентным.
    Вынужденное, или индуцированное, излучение фотонов частоты v21=v0, при котором атомы переходят из возбужденного верхнего состояния Е2 на нижнее Е1 под действием внешнего светового поля. Скорость этого процесса будет определяться по выражению (1.3):
    
    dN2вын/dt = B21p(v)N2.					(1.3)
    
    Главной особенностью этих переходов является то, что излучаемый под действием внешнего поля квант полностью когерентен с этим полем, т. е. имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяется по тому же направлению. Таким образом, вынужденное излучение является когерентным по отношению к внешнему полю. Вероятностные коэффициенты Эйнштейна, B21 и B12 связаны между собой по формуле (1.4):
    
    B12=B21, A21=(8пhv3/c3)*B12.				(1.4)
    
    В обычных условиях сред, близких к равновесию, имеет место ослабление рассматриваемой волны по закону Бугера: I=I0e-kx, N1>N2, k<0, т.е. происходит вынужденное (положительное) поглощение. Если в среде создать условие N2>N1, то в этом случае k>0 и среда будет усиливать проходящую волну, т.е. будет наблюдаться отрицательное поглощение. Среды, у которых выполняется это условие, называются средами с инверсией заселенности или активными средами.
    Когда в условиях инверсии заселенности уровней электрон переходит на нижний уровень, испуская фотон, то последний, проходит через множество окружающих его возбужденных атомов и способен вызвать излучение фотона у какого- либо из них. Оба фотона перемещаются в одном и том же направлении и к тому же они практически когерентны. Каждый из этой пары фотонов может повторить тот же процесс, и через очень непродолжительное время благодаря своего рода цепной реакции образуется фотонная лавина, в которой все фотоны имеют одну и туже частоту, все движутся в одном направлении и все оптически когерентны. Эта лавина фотонов может быть значительно усилена с помощью одного оптического трюка. Если всю систему поместить в резонатор (между двумя не полностью отражающими зеркалами), то в высокой степени когерентный и направленный свет будет многократно проходить внутри области инверсией заселенности. Поскольку скорость света очень велика, весь процесс многократного отражения света с постоянно нарастающей интенсивностью происходит за весьма малый промежуток времени, и при соблюдении необходимых условий возникает очень интенсивный и очень кратковременный световой импульс, обладающий совершено особыми свойствами. Лазерные лучи строго монохроматичны и когерентны, имеют очень малую угловую расходимость, имеют огромную мощность излучения.
    Таким образом, для получения лазерного излучения необходимо иметь частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, резонатор и устройство, обеспечивающее получение инверсного состояния. Частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, называют активными веществами лазера. Совокупность же элементов, обеспечивающих получение инверсной заселенности, называют устройством или системой накачки.
    В настоящее время в качестве активных веществ лазеров используются твердые тела, полупроводники, жидкости, газы. В соответствии с этим различают твердотельные лазеры, т. е. лазеры, у которых в качестве активного вещества используются диэлектрические кристаллы или стекла с примесью активных частиц; жидкостные лазеры, у которых активное вещество находится в жидком состоянии; полупроводниковые лазеры и газовые лазеры, активными частицами которых могут быть атомы, ионы или молекулы собственно газов или пары металлов.
    Рабочие схемы активных веществ твердотельных лазеров подразделяются на трех- и четырехуровневые. По какой из схем работает данный активный элемент, судят по разности энергий между основным и нижним рабочими уровнями. Чем больше эта разность, тем при более высоких температурах возможна эффективная генерация. Так, например, у иона Сг3+ основное состояние характеризуется двумя подуровнями, расстояние между которыми составляет 0,38 см-1. При такой разности энергий даже при температуре жидкого гелия (~4К) заселенность верхнего подуровня только на ~13°/0 меньше нижнего, т. е. они заселены одинаково и, следовательно, рубин — активное вещество с трехуровневой схемой при любой температуре. У иона неодима же нижний лазерный уровень для излучения при =1,06 мкм расположен на 2000 см-1 выше основного. Даже при комнатной температуре на нижнем уровне ионов неодима в 1,4 -104 раз меньше, чем на основном, и активные элементы, у которых в качестве активатора используется неодим, работают по четырехуровневой схеме.
    Полупроводниковые активные вещества отличаются тем, что в них используются оптические переходы между состояниями в электронных энергетических зонах, т. е. в оптических переходах участвуют свободные носители тока (электроны и дырки). Кроме того, в полупроводниках излучательные переходы могут возникать также за счет примесных центров и экситонов. (Экситоном называется элементарное электрически нейтральное возбуждение, имеющее характер квазичастицы в полупроводниках и диэлектриках). Если энергия возбуждения меньше ширины запрещенной зоны, то при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости может образоваться пара электрон — дырка. Электрон и дырка, образующие такую пару, не могут перемещаться независимо, а находятся в связанном состоянии электрически нейтральной квазичастицы — экситона. Экситоны имеют зонный энергетический спектр, целый спин. Им приписывают квантовые числа.
    Наиболее простыми и наглядными являются переходы «зона — зона», когда переход из зоны проводимости в валентную зону происходит с излучением фотона, а обратный — с поглощением.
    Под воздействием накачки электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, и образуется пара электрон — дырка. Как и любая система, электрон и дырка стремятся занять положение, соответствующее минимальной энергии, поэтому электрон стремится занять разрешенное положение возле дна зоны проводимости, а дырка — возле потолка валентной зоны. Практически у всех полупроводников состояния у дна зоны проводимости являются метастабильными, и в этом отношении они могут считаться четырехуровневыми системами.
    Для полупроводников, легированных водородоподобными атомами (например, атомом цинка в арсениде галлия), характерны переходы «зона — примесь». Атомы примеси быстро захватывают избыточные носители из близкой к ним зоны, так что скорость рекомбинации через примесь сравнима со скоростью межзонной рекомбинации, и переход осуществляется между уровнем примеси и зоной собственно полупроводника. В случае сильного легирования уровни уширяются, энергия ионизации уменьшается и в пределе уровни полностью сливаются с собственной зоной. Ширина запрещенной зоны при этом уменьшается, а длина волны генерируемого излучения увеличивается.
    Излучательные переходы возможны и в донорноакцепторных парах, т. е. возможны переходы между водородоподобными примесями у обоих краев запрещенной зоны. Такие переходы происходят с большим квантовым выходом, но они достаточно ярко выражены только в слаболегированных полупроводниках.
    К полупроводниковым лазерам относят обычно и лазеры на твердых растворах родственных соединений, часто называемых лазерами на основе гетеропереходов. Эти растворы интересны, прежде всего, тем, что при смешивании соединений с одинаковым типом решетки можно получить непрерывный ряд твердых растворов с практически непрерывным изменением ширины запрещенной зоны, а, следовательно, и длины волны лазерного излучения.
    В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют:
    — растворы дикстонатов редкоземельных элементов (европия, тербия или неодима) в органических красителях;
    — растворы неорганических соединений редкоземельных элементов;
    — красители — сложные органические соединения, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В жидкостных лазерах с редкоземельными элементами лазерное излучение возникает на переходах с метастабильных уровней ионов этих элементов. Возбуждение активного иона в металлоорганичеокой жидкости происходит в результате внутримолекулярной передачи энергии от органической части комплекса к иону.
    В неорганические растворители в настоящее время вводят только один активный элемент — неодим. Генерация идет по четырехуровневой схеме. Излучение накачки поглощается собственными полосами поглощения иона неодима. В качестве растворителя часто используют двухкомпонентные смеси оксихлоридов селена (SеОС12) и фосфора (РОС13) с галогенидами элементов III, IV и V групп.
    Наиболее эффективными лазерными материалами на органических красителях являются кумарины, фталимиды, производные окзасола и диозола, ксантеновые, полиметиновые и оксазиновые красители. Активным веществом в них выступает краситель, а матрицей — растворитель. Спектр генерации органических красителей без селекции типов колебаний обычно составляет 5—20 нм. Введением селективных элементов можно сузить спектр лазерного излучения до 0,05—1 нм без существенного уменьшения выходной мощности и осуществлять перестройку длины волны излучения в одном и том же растворе в пределах десятков нанометров. Перестройка в более широком диапазоне возможна путем изменения концентрации и состава раствора красителя.
    В жидких лазерных средах может быть достигнута большая концентрация активных частиц, что позволяет получать, так же как и в лазерах на твердом теле, большие энергии и мощности излучения с единицы объема активного вещества. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, вследствие чего их оптические характеристики по объему изотропны и постоянны, а это способствует получению излучения с высокой степенью пространственной когерентности и направленности. В жидкостных лазерах не возникают необратимые разрушения активного вещества при больших плотностях энергии.
    К недостаткам жидких лазерных материалов следует отнести высокие значения температурных изменений коэффициента преломления, что приводит к появлению значительных оптических неоднородностей и к ухудшению генерационных характеристик. При больших плотностях лазерного излучения необходимо считаться также с нелинейными эффектами.
    Газовые активные среды лазеров существенно отличаются от описанных выше тем, что позволяют генерировать излучение в широком диапазоне длин волн (от ваккумной ультрафиолетовой области до инфракрасного, практически субмиллиметрового, диапазона) в импульсном и непрерывном режимах. Газообразность активной среды обусловливает ряд специфических особенностей газовых лазеров. Им свойственна высокая монохроматичность и направленность излучения, поскольку газы имеют существенно меньшую плотность и большую однородность.
    При малой плотности газа уширение линий люминесценции происходит только вследствие эффекта Доплера и существенно меньше, чем в конденсированных средах. Это позволяет получать высокомонохроматичное излучение.
    Малая плотность газа не позволяет получить такую концентрацию активных частиц, как у конденсированных сред, и, следовательно, удельный энергосъем у газов существенно меньше, это утверждение справедливо для отпаянных лазеров; использование газовых лазеров высокого давления, применение прокачки газа существенно повысили мощность излучения Лазеров.
    Кроме того, газовые среды возбуждаются вследствие разнообразных процессов — соударений в электрическом разряде, химических реакций, фотодиссоциации, газодинамических процессов, оптической накачки.
    В газовых лазерах в качестве активного вещества используются:
    — нейтральные атомы газов (Н, Не, О, Ne и др.), металлов (пары меди, золота, тулия, иттербия и др.);
    — ионизированные атомы аргона (Аг), ксенона (Хе), азота (N), свинца (РЬ) и др.;
    — двухатомные — СО (угарный газ), многоатомные — СО2 (углекислый газ), Н2О (вода) и молекулы других газов.
    В активных веществах на нейтральных и ионизированных атомах для получения лазерного излучения используются переходы между электронными уровнями, а в молекулярных лазерах — между электронными, электронно-колебательными, колебательными, колебательно-вращательными и чисто вращательными уровнями. Генерирование лазерного излучения происходит в большинстве случаев по многоуровневой схеме (рисунок 2).

Рисунок 2 - Четырехуровневая система накачки в Гелий-Неоновом лазере.
    
    
В лазерной технике в качестве резонаторов используются отражатели (зеркала), между которыми располагается активное вещество. В простейшем случае открытый резонатор состоит из двух плоскопараллельных зеркал. Использовать его для получения генерации в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах волн предложил А. М. Прохоров. Основная особенность оптического диапазона волн заключается в том, что длина волны электромагнитного излучения этого диапазона очень мала, так что практически всегда размеры резонаторов оказываются существенно больше длины волны. В сантиметровом диапазоне волн широко используются объемные резонаторы, размеры которых сравнимы с длиной волны. В таком резонаторе обычно возникает один, основной, тип колебаний, длина волны кр которого определяется размерами объемного резонатора и диэлектриком, заполняющим его. Колебания с большими длинами волн ( >кр) не возникают вследствие того, что не выполняются условия резонанса для них. Колебания же с  <кр в резонаторе возникают, но потери для них в генераторе существенно больше, чем для основного колебания, и они быстро затухают. Число собственных типов колебаний объемного резонатора с идеально проводящими стенками определяется выражением (1.5):
    
    ,					(1.5)
    
    где V —объем резонатора.
    Длина волны собственного типа колебаний резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда определяется из соотношения (1.6):
    
    =,					(1.6)
    
    
где m, n и q – целые числа; 
      L и D – длины сторон параллелепипеда.
    В оптическом диапазоне волн интервалы между частотами соседних типов колебаний очень малы, так что спектр собственных колебаний объемного резонатора практически непрерывный. В результате этого возможно одновременное возбуждение большого числа собственных колебаний, что не позволяет получить высокую монохроматичность излучения. Существенное разрежение спектра собственных колебаний наблюдается в открытых резонаторах, так как в них отсутствуют боковые стенки и, следовательно, стоячие волны не могут устанавливаться перпендикулярно длине резонатора.
    В открытом резонаторе потери малы только для тех волн, направление распространения которых перпендикулярно плоскостям зеркал или отклонено от него на небольшой угол. Все остальные типы колебаний имеют очень большие потери и быстро затухают. В лазерной технике часто типы колебаний обозначают ТЕМnmq и называют модами. Различают поперечные и продольные моды открытых резонаторов. Поперечные моды характеризуют распределение поля на зеркалах. Порядок поперечной моды определяется числами m = 0, 1, 2, 3... и п = 0, 1, 2, 3,..., которые показывают, сколько полуволн имеет распределение поля вдоль стороны зеркала (рис). Продольные моды характеризуют распределение поля по длине резонатора. Порядок продольной моды определяется числом q, которое практически равно числу полуволн лазерного излучения, укладывающихся на длине резонатора. 
    Так как в лазерной технике обычно длина резонатора существенно больше длины волны лазерного излучения, то числа q очень большие. Изменение числа q на единицу мало меняет частоту (по сравнению с самой частотой) излучения лазера, поэтому часто одной поперечной моде (заданным числам т и n) соответствует большое число продольных мод. Режим работы лазера, при котором излучается одна или несколько поперечных мод с m=0 или n=0 и несколько продольных мод, называется многомодовым. Если же лазер излучает волну ТЕМоо, т. е. поперечную моду, характеризующуюся числами m=0, n=0, и несколько продольных типов колебаний, то режим работы лазера называют одномодовым. Таким образом, и в одномодовом режиме лазер излучает на нескольких частотах. Режим же работы лазера, при котором излучается только один тип поперечных и только один тип продольных колебаний, называют одномодовым и одночастотным.
    Рассмотрим кратко, каким образом формируется спектр излучения лазера. Спектр излучения лазера определяется в основном шириной линии люминесценции активного вещества и собственными частотами резонатора. Лазер излучает только на тех частотах, которые являются собственными частотами резонатора, совпадают с линией люминесценции и коэффициент усиления для которых достаточен для компенсации всех потерь в резонаторе.
    Линией люминесценции называют распределение интенсивности излучения по частотам. Линия люминесценции характеризуется формой, а наиболее простой характеристикой формы линии является ее ширина 2f, т. е. разность между частотами, интенсивность поглощения (излучения) на которых в заданное число раз меньше интенсивности, соответствующей максимуму поглощения (излучения). Ширина и форма линии зависят как от внешних условий, в которых находится данная атомная система, так и от внутренних, т. е. от природы атомной системы. Одной из причин, обусловливающих конечную ширину линии, является время жизни частиц в возбужденном состоянии. Значение ширины линии в этом случае определяется из соотношения неопределенностей Гейзенберга:. Ширина линии, обусловленная только этой причиной, является наименьшей для данной атомной системы и называется естественной шириной линии излучения (поглощения). Относительная интенсивность линии в этом случае описывается кривой Лоренца (1.7):
    
    , 					(1.7)
    
    где f0 – частота, соответствующая максимуму линии излечения.
    Внешние условия могут существенно изменить как ширину, так и форму линии. Так, в газах уширение линии происходит вследствие разброса скоростей частиц, соударений их друг с другом и со стенками сосуда; в твердых телах — вследствие действия электростатических полей кристаллической решетки, взаимодействия атомов с кристаллической решеткой и других причин.
    Инверсная заселенность в активном веществе создается с помощью устройства накачки. В твердотельных лазерах устройство накачки состоит обычно из источника питания, лампы накачки и осветителя. Лампа накачки преобразует электрическую энергию постоянного или переменного тока в некогерентное оптическое излучение. С этой целью используются газонаполненные или начальные лампы. В газонаполненных лампах интенсивность и форма спектра излучения зависят как от газонаполнителя, так и от подводимой энергии. Подводимая энергия определяет температуру газоразрядной плазмы и, следовательно, непрерывную составляющую спектра излучения лампы накачки. Эта составляющая по форме напоминает огибающую спектра излучения абсолютно черного тела. Максимум излучения непрерывной составляющей определяется температурой газоразрядной плазмы, т. е. подводимой энергией.
    Газ-наполнитель определяет дискретные составляющие спектра излучения лампы накачки. Положение составляющих спектра зависит от типа газа-наполнителя. Интенсивность же спектральных линий зависит как от типа газа, так и от подводимой энергии Uc. Эффективность преобразования электрической энергии в световое излучение обычно характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) лампы накачки. Он определяется как отношение энергии, излученной лампой накачки, к электрической энергии, подводимой к ней. Если питание к лампе накачки подводится от конденсатора емкостью С, то КПД лампы накачки определяется выражением (1.8):
    
    , 						(1.8)
    
    где  - энергия оптического излучения лампы накачки; 
     - начальное напряжение на конденсаторе. 
    КПД лампы зависит от целого ряда факторов: состава и давления используемого газа, режима питания, диаметра разрядной трубки, расстояния между электродами и т.д. Наибольшим КПД обладают ксеноновые лампы. Осветитель предназначен для подвода с минимальными потерями энергии, излученной лампой накачки, к активному веществу. Высокая эффективность подвода энергии достигается с помощью различного типа отражающих и фокусирующих устройств. Форма отражателя осветителя зависит от формы активного элемента, его размеров и расположения относительно лампы накачки. В твердотельных лазерах широко применяются осветители, у которых лампа (лампы) расположена параллельно оси активного элемента, а отражатель имеет форму эллиптических цилиндров, в фокальных осях которого находятся активный элемент и лампа (лампы) накачки. Такие осветители имеют достаточно высокую эффективность. Так, осветители в виде эллиптического цилиндра с одной лампой накачки имеют эффективность около 75%. Потери в эллиптических осветителях обусловлены тем, что лампа и активный элемент имеют конечные размеры. Кроме того, значительная часть излучения лампы накачки проходит через активный элемент, не поглощаясь. Многократное отражение повышает эффективность цилиндрических осветителей и осветителей с плотным расположением активного элемента и лампы накачки. Раз.......................