Влияние активной среды на свойства резонаторов.

До сих пор мы рассматривали резонаторы без учета активной среды. Понятно, что ее наличие сказывается на характеристиках резонаторов. Рассмотрение заполненных резонаторов представляет весьма сложную задачу, поэтому ограничимся общим рассмотрением наиболее интересных для практических применений результатов такого рассмотрения.

Первый эффект воздействия активной средой на характеристики резонатора связан с неоднородностью распределения инверсной населенности, а значит, и коэффициента усиления, по активному объему. Этот эффект дополняется динамикой изменения инверсной населенности в процессе генерации. Он заключается в том, что в той части активной среды, где интенсивность излучения максимальна, инверсная населенность быстро «снимается» этим излучением. Таким образом, создаются условия превышения порога генерации для менее добротных собственных типов колебаний, имеющих максимальное значение интенсивности излучения в необедненных зонах активной среды. Это ведет к нестабильности выходных характеристик.

Аналогичная ситуация складывается с частотой генерации. Как уже говорилось, собственные типы колебаний представляют собой стоячие волны, которые характеризуются чередованием узлов и пучностей мощности вдоль оси резонатора. Инверсная населенность будет сильнее сниматься в пучностях. При этом будут создаваться условия для превышения порога генерации на таких частотах, пучности излучения которых находятся в необедненных областях активной среды.

Подобное влияние может носить динамический характер. В частности, показатель преломления для рабочей длины волны зависит от инверсной населенности ― он тем больше, чем больше инверсная населенность. Поскольку в наиболее интересном ― одномодовом ― режиме работы интенсивность максимальна на оси резонатора и спадает к краям зеркал, то инверсия населенности «выедается» сильнее в районе оси и слабее по мере удаления от оси. При этом в активной среде создается динамическая «распределенная отрицательная линза», изменяющая конфигурацию резонатора. Каким образом `1 это может сказаться на характеристиках лазера, мы рассмотрим ниже.

Наиболее сильно влияние активной среды на свойства резонаторов проявляется в виде тепловой линзы в твердотельных лазерах с ламповой накачкой. Дело в том, что КПД (коэффициент преобразования энергии накачки в энергию выходного излучения) таких лазеров не превышает единиц процентов. Остальная часть мощности накачки выделяется в активной среде в виде тепла. Из-за объемного характера нагрева активной среды излучением накачки и поверхностного ее охлаждения температура максимальна на оси активного элемента и спадает к его поверхности. Поскольку показатель преломления n увеличивается с ростом температуры, в активном элементе образуется распределенная тепловая линза, оптическая сила которой зависит от мощности излучения накачки и интенсивности охлаждения. Таким образом, в резонаторе появляется дополнительный оптический элемент, характеристики которого могут меняться в процессе работы. При этом, естественно, меняются и свойства резонатора ― его положение на диаграмме устойчивости, соотношения между потерями наиболее добротных мод, их поперечное сечение и, следовательно, эффективность использования активной среды.