Функціональна схема будь-якого лазера обов'язково включає в себе три основних компоненти:
1. Активну середу (робоча речовина, робоче тіло). За цією ознакою лазери діляться на газові, рідинні, твердотільні і напівпровідникові.
2. Систему накачування (спосіб створення інверсної населеності). Розрізняють оптичні, теплові, хімічні, електроіонізаціонние і ін. Методи накачування.
3. Оптичний резонатор (пристрій, що формує виходить з лазера світловий пучок). Резонатор є системою дзеркал, призм і деяких інших деталей. У твердотільних лазерах дзеркалами зазвичай служать спеціально оброблені торці активного тіла, яке має вигляд стрижня. Оптичний резонатор фіксує напрямок, в якому відбувається генерація випромінювання, і забезпечує вибір тієї довжини хвилі, яку припускають посилити.
Розглянемо принцип отримання індукованого випромінювання на прикладі рубінового лазера (рис.3). Рубін - це кристалічна окис алюмінію Al2 O3 з домішкою тривалентних іонів хрому Cr 3+ (0,03 - 0,05%).
Робочим тілом цього лазера є кристал рубіна у вигляді стрижня циліндричної форми, зі строго паралельними ретельно відшліфованими торцями (утворюють дзеркальний резонатор). Один торець покритий товстим шаром срібла і непрозорий для світла. Товщину покриття іншого торця підбирають таким чином, щоб воно було напівпрозорим для випускається лазером випромінювання. Довжина стрижня обмежена. Використання рубіна довжиною понад 30 см не доцільно, тому що ускладнюється накачування атомів і фокусування випромінювання.
У рубіновому лазері застосовується оптичне накачування активного середовища. З цією метою використовується імпульсна ксенонова лампа, у вигляді спіралі, що обвиває рубіновий стрижень. Плазма, що виникає в лампі в результаті електричного розряду, випромінює потужний імпульс світла, що проникає в рубіновий стрижень і збуджує атоми хрому. З усього потоку світла атоми хрому поглинають фотони тільки з довжиною хвилі # 955; = 560 нм (відповідають зеленому кольору), в результаті чого переходять з енергетичного рівня 1 на рівень 3.
Час життя в збудженому стані на цьому рівні
10 -8 с. Після чого відбувається спонтанний перехід на уровень1 або, що найбільш ймовірно, безізлучательний перехід на більш низький рівень 2. Енергія безізлучательного переходу 3 → 2 перетворюється в теплову енергію кристалічної решітки рубіна. Перехід 2 → 1 заборонений правилами відбору. Це означає, що спонтанні переходи 2 → 1 малоймовірні, тобто рівень 2 є метастабільним. Час життя в збудженому стані 2 порядку 10 -3 с. Це приблизно в 100 000 разів більше, ніж в змозі 3. При достатній потужності накачування на рівні 2 буде створено стан зінверсної населеністю. Тепер кожен випадково народився при спонтанному переході 2 → 1 фотон може викликати лавину індукованих переходів 2 → 1, в результаті чого з'являться вторинні фотони, точна копія первинних. Зароджується когерентне вимушене випромінювання з довжиною хвилі відповідної переходу 2 → 1 (# 955; = 694,3 нм).
Вимушене випромінювання виникає одночасно в безлічі точок робочого тіла лазера. Оскільки первинні фотони, які ініціюють цей процес, випускаються в різних напрямках, то і вимушене випромінювання буде поширюватися в самих різних напрямках. Потоки вторинних фотонів, спрямованих під кутом до осі рубінового стрижня виходять з активного середовища через її бічну поверхню. Ті ж фотони, які будуть рухатися паралельно осі стрижня, випробують багаторазове відбиття від дзеркальних торців робочого тіла лазера. При кожному відбитті потік фотонів буде наростати. В кінцевому підсумку резонатор сформує когерентний строго спрямований пучок величезної яскравості, який вийде з лазера через напівпрозоре дзеркало.
Як і більшість твердотільних оптичних квантових генераторів, лазер на рубін працює в імпульсному режимі. Середня потужність випромінювання близько 1 Вт, коефіцієнт корисної дії до 2%.
Поряд з кристалічними, в даний час широкого поширення набули газові лазери, в яких в якості активного середовища використовується газ або суміш газів. Характерним для таких лазерів є безперервність режиму випромінювання.
У першому газовому лазері (рис.5) в якості активного середовища використовували суміш газів гелію і неону, якими в пропорції 10. 1 заповнювали кварцову газорозрядну трубку. Накачування газу проводилася за допомогою високочастотного (ВЧ) генератора, який створює між вмонтованими в трубку електродами (катод 1 і анод 5) тліючий розряд. Резонатор є два паралельних дзеркала 6 встановлених поза газорозрядної трубки перпендикулярно її оптичної осі 00. Вихідні вікна 5 розташовуються так, що перпендикуляр до їх площині складає з віссю 00 кут Брюстера. Завдяки цьому отримують високомонохроматіческое, плоскополяризоване випромінювання і, крім того, практично виключають втрати на відбиття від поверхонь вихідних вікон трубки. 2 - поглинач сторонніх газів. Процес генерації випромінювання відбувається в робочому капілярі 4 газорозрядної трубки (d = 1 ÷ 10мм). Активними центрами є атоми неону.
Генерація лазерного випромінювання відбувається при переході атомів неону з збудженого стану 3 на один з нижчих рівнів 2 (рис.6). Для цього необхідно збільшити населеність рівня 3 і зменшити її на рівні 2. Гелій відіграє допоміжну роль - сприяє створенню інверсної заселеності робочих рівнів атомів неону. Накачування здійснюється в два етапи (рис.6). Електричний розряд збуджує атоми гелію (Не), переводячи їх на метастабільний рівень 3 *. Оскільки перший збуджений рівень 3 * гелію практично збігається з рівнем 3 неону, то при непружних зіткненнях збуджені атоми гелію передають свою енергію атомам неону, а самі повертаються в початковий стан. В результаті цього атоми неону з основного стану переходять на рівень 3. Оскільки атомів гелію більше і їх рівень 3 * метастабільний, то на рівні 3 неону вдається створити стан инверсной населеності.
Розвантаження рівня 2 здійснюється шляхом підбору діаметра газорозрядної трубки. Його підбирають таким, щоб зіткнення атомів неону зі стінками трубки стимулювало їх перехід зі стану 2 в основний стан 1. Так забезпечується стаціонарна інверсна населеність робочих рівнів 2 і 3 неону.
Верхні рівні неону (2, 3) володіють складною структурою, вони складаються з безлічі підрівнів. Існує близько 30 дозволених правилами відбору переходів з підрівнів 3 на підрівні 2. Тому гелій-неонові лазери можуть працювати на багатьох довжинах хвиль в області видимого і інфрачервоного випромінювання. Вибір довжини хвилі здійснюється за допомогою резонатора. Резонатор створює умови для самозбудження і підтримки генерації тільки однієї вибраної довжини хвилі. Так, наприклад, перший гелій-неоновий лазер випромінював довжину хвилі 1,153 нм. Приблизно через два роки була відкрита генерація в області видимого світла на довжині хвилі 632,8 нм. Потужність випромінювання, що випускається гелій-неоновим лазером, близько 10 мВт, коефіцієнт корисної дії близько 0,1%.