Пособие по физике лазеров

 
 
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский  
научно-исследовательский институт экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г. А. Кириллов, Н. Г. Захаров 
 
 
 
 
Пособие по физике лазеров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2016 

 
УДК 535:621.373.826 
ББК 32.86 
        К43 
 
 
К43 
Кириллов, Г. А., Захаров, Н. Г.  
Пособие по физике лазеров / Г. А. Кириллов, Н. Г. Захаров. – Саров: 
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2016. – 236 с.; ил. 
 
 
ISBN 978-5-9515-0315-2 
 
 
В пособии изложены основные фундаментальные понятия лазерной физики, описаны принципы работы лазеров и некоторых оптических устройств, приведена классификация и характеристики некоторых лазерных 
систем. Некоторые разделы дополнены историческими справками и сведениями о достижениях ведущих институтов мира, в том числе РФЯЦВНИИЭФ. Описание современного состояния и направления развития лазерных систем с указанием ссылок на оригинальные публикации призвано 
восполнить пробел в учебной литературе и облегчить доступ к информации 
по сложным вопросам конструирования перспективных лазеров. 
Пособие может быть полезно при подготовке студентов, обучающихся 
по специальности «физика лазеров». Издание также рассчитано на инженеров, молодых научных сотрудников и аспирантов, занимающихся разработкой и эксплуатацией лазерных систем. Простота и доступность изложения 
делают пособие удобной настольной книгой. В то же время приведенные  
в пособии соотношения позволяют проводить оценочные расчеты реальных 
лазерных систем. 
 
 
 
УДК 535:621.373.826 
ББК 32.86 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0315-2                                     ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2016 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие ………………………………………………………………… 
7 
Введение …………………………………………………….………………. 
8 
1. Внутриатомные и молекулярные энергетические уровни ..….….… 
10 
2. Энергетические уровни в твердотельных материалах …………….. 
22 
2.1. Энергетические уровни примесных атомов в диэлектриках ……... 
22 
2.2. Энергетические зоны в полупроводниках …………………………. 
23 
3. Тепловое излучение ……………………………………………...……… 
30 
4. Поглощение света. Усиление излучения за счет индуцированных 
переходов. Сечение перехода ………………………………...…………… 
 
38 
5. Спектральное уширение линий поглощения и излучения ………... 
40 
5.1. Виды уширения ……………………………………………………… 
40 
5.2. Радиационное уширение ……………………………………………. 
41 
5.3. Столкновительное (ударное) уширение …………………………… 
41 
5.4. Доплеровское уширение ……………………………………………. 
42 
5.5. Уширение, связанное с неоднородностью кристаллической  
решетки ………………………………………………………………….... 
 
44 
5.6. Спектральное сечение индуцированных переходов ………………. 
44 
5.7. Насыщение усиления ………………………………………………... 
45 
5.8. Провал Лэмба ………………………………………………………... 
46 
6. Создание термодинамически неравновесной среды ………………... 
48 
6.1. Понятие инверсии населенности …………………………………… 
48 
6.2. Механизмы релаксации ……………………………………………... 
49 
6.3. Схемы создания термодинамически неравновесной среды ………. 
50 
6.3.1. Двухуровневая схема получения генерации ………………….. 
51 
6.3.2. Трехуровневая схема получения генерации ……………….…. 
51 
6.3.3. Четырехуровневая схема получения генерации ….…………... 
54 
6.3.4. Квазитрехуровневая и квазичетырехуровневая схемы  
генерации ……………………………….…………………………….. 
 
55 
7. Устройство оптического квантового генератора …………………… 
56 
8. Методы накачки …………………………………………………....…… 
57 
8.1. Оптическая накачка …………………………………………………. 
57 
8.1.1. Некогерентная оптическая накачка …………………………… 
57 
8.1.2. Когерентная оптическая накачка ……………………………… 
60 
8.2. Накачка электронным пучком ………………………………………. 
61 
8.3. Химическая накачка …………………………………………………. 
62 
8.3.1. HF (DF) лазеры .………………………………………………… 
62 
8.3.2. Йодно-кислородные лазеры ……….………...………………… 
63 
8.3.3. Фотодиссоционные лазеры ……………………………………. 
63 
8.4. Накачка полупроводниковых лазеров …..………………………….. 
64 

9. Оптические резонаторы ………………………………...………………. 
69 
9.1. Открытый резонатор ………………………………………………… 
69 
9.2. Плоский резонатор Фабри – Перо ………………………………….. 
70 
9.3. Потери в резонаторе. Добротность резонатора ……………………. 
73 
9.4. Оптимальный коэффициент полезных потерь …………………….. 
74 
9.5. Типы резонаторов. Параметр устойчивости ……………………….. 
76 
9.6. Пучки Эрмита – Гаусса ……………………………………………… 
79 
9.7. Кольцевой резонатор ………………………………………………… 
84 
9.8. Методы селекции поперечных мод ………………………………… 
85 
9.9. Методы селекции продольных мод ………………………………… 
88 
9.9.1. Селекция продольных мод с помощью эталона  
Фабри – Перо ………………………………………………………….. 
 
89 
9.9.2. Селекция продольных мод с помощью призмы ……………… 
90 
9.9.3. Селекция продольных мод с помощью дифракционной  
решетки ………………………………………………………………… 
 
91 
9.9.4. Селекция продольных мод с помощью интерференционнополяризационного фильтра …………………………………………... 
 
92 
9.10. Неустойчивые резонаторы ………………………………………… 
94 
9.11. Активные резонаторы ……………………………………………… 
96 
10. Оптический квантовый генератор …………………………………... 
100 
10.1. Режим свободной генерации ……………………………………… 
100 
10.1.1. Кинетические уравнения ……………………………………. 
100 
10.1.1.1. Четырехуровневый лазер ……………………………. 
101 
10.1.1.2. Трехуровневый лазер ………………………………… 
103 
10.1.1.3. Одномерный случай ………………………………….. 
104 
10.1.2. Стационарный режим работы ………………………………. 
105 
10.1.2.1. Четырехуровневый лазер ……………………………. 
105 
10.1.2.2. Трехуровневый лазер ………………………………… 
107 
10.1.2.3. Насыщение усиления в ОКГ ………………………… 
108 
10.2. Нестационарный режим генерации ОКГ …………………………. 
110 
10.2.1. Релаксационные колебания в одномодовых лазерах ……... 
110 
10.2.2. Режим модуляции добротности …………………………..... 
113 
10.2.3. Режим синхронизации мод …………………………………. 
117 
10.2.3.1. Методы синхронизации мод ………………………… 
121 
10.2.4. Режим разгрузки резонатора ……………………………….. 
124 
11. Квантовые усилители …………………………………………………. 
126 
11.1. Непрерывный режим усиления ……………………………………. 
126 
11.2. Импульсный режим усиления ……………………………………... 
128 
12. Методы модуляции добротности резонатора ………………………. 
131 
12.1. Механические устройства …………………………………………. 
131 
12.2. Электрооптические модуляторы ………………………………….. 
132 
12.3. Акустооптические модуляторы ………………………………….... 
135 
 
 

12.4. Пассивные модуляторы на основе насыщающихся  
поглотителей………………………………………………………………. 
 
138 
13. Типы лазеров …………………………………………………………… 
139 
13.1. Твердотельные лазеры ……………………………………………... 
139 
13.1.1. Лазеры на основе активных сред, легированных  
ионами Nd3+ ………………………………………………………….. 
 
142 
13.1.2. Лазеры на основе активных сред, легированных  
ионами Er3+ …………………………………………………………... 
 
146 
13.1.3. Лазеры на основе кристаллов, легированных  
ионами Tm3+ …………………………………………………………. 
 
148 
13.1.4. Лазеры на основе кристаллов, легированных  
ионами Ho3+ ……………..…………………………………………… 
 
151 
13.1.5. Лазеры на основе TiSa ……………………………………… 
154 
13.1.6. Лазеры на кристаллах соединений A2B6, легированных  
ионами переходных металлов ……………………………………… 
 
154 
13.2. Волоконные лазеры ………………………………………………… 
155 
13.3. Полупроводниковые лазеры ………………………………………. 
159 
13.3.1. Активная среда полупроводниковых лазеров …………….. 
160 
13.3.2. Продольная конфигурация резонаторов  
полупроводниковых полосковых лазеров…………………………. 
 
161 
13.3.3. Поперечная структура мод полупроводниковых  
полосковых лазеров …………………………………………………. 
 
163 
13.3.4. Поверхностно-излучающие полупроводниковые  
лазеры………………………………………………………………… 
 
164 
13.3.5. Полупроводниковые квантово-каскадные лазеры .……… 
166 
13.4. Газовые лазеры ……………………………………………………... 
167 
13.4.1. Фотодиссоционные лазеры …………………………………. 
167 
13.4.2. Химические HF и DF лазеры ………………………….……. 
175 
13.4.3. Газодинамические лазеры ………………………………….. 
177 
13.4.4. Йодно-кислородные лазеры ………………………………… 
179 
13.4.5. Молекулярные газовые лазеры …………………………….. 
181 
14. Свойства лазерного излучения ………………………………………. 
184 
14.1. Затягивание частоты и предел монохроматичности ……………... 
184 
14.2. Когерентность лазерного излучения ……………………………… 
185 
14.3. Расходимость лазерного излучения ……………………………….. 
186 
14.4. Качество пучка лазерного излучения ……………………………... 
188 
15. Анизотропные среды …..………………………………………………. 
191 
16. Рассеяние света …………………………………………………………. 
195 
16.1. Рассеяние Рэлея …………………………………………………….. 
195 
16.2. Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна ………………………….. 
197 
16.3. Комбинационное рассеяние света ………………………………… 
198 
17. Нелинейное преобразование частоты ……………………………….. 
201 
17.1. Генерация второй гармоники …………………………………….... 
201 

17.2. Параметрическая генерация ……………………………………….. 
204 
18. Мощные лазерные установки ………………………………………… 
208 
18.1. Лазерные установки кило- и мегаджоульного уровня …………… 
208 
18.1.1. Основы инерциального термоядерного синтеза ……………. 
209 
18.1.2. Лазерные установки для исследований по ЛТС …………….. 
211 
18.2. Сверхмощные лазерные системы с ультракороткой  
длительностью импульса излучения ..…………………………………... 
 
215 
18.2.1. Применение сверхмощных лазерных систем  
с ультракороткой длительностью импульса излучения ...………….. 
 
216 
18.2.1.1. «Быстрый поджиг» термоядерной реакции .…………. 
216 
18.2.1.2. Получение высокоэнергетичных пучков  
заряженных частиц ..…………………………………………….. 
 
216 
18.2.1.3. Получение γ-излучения ………………………………... 
218 
18.2.1.4. Нелинейная квантовая электродинамика …………….. 
218 
18.2.1.5. Генерация высших гармоник ………………………….. 
219 
18.2.2. Принцип построения сверхмощных лазерных систем  
с ультракороткой длительностью импульса излучения ……………. 
 
220 
18.2.3. Современное состояние и тенденции развития  
сверхмощных лазерных установок …………………………………... 
 
224 
Список литературы …………………………...…………………………… 
227 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Идея создания данного учебного пособия по основам квантовой электроники, физики и техники лазеров принадлежит Геннадию Алексеевичу Кириллову. Им же подготовлена рукопись книги, которая была отредактирована и дополнена кандидатом физико-математических наук Захаровым Никитой Геннадьевичем. 
Геннадий Алексеевич Кириллов – крупный специалист в области лазерной 
физики и инерциального термоядерного синтеза, доктор физико-математических 
наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии СССР, лауреат Международной премии «Медаль им. Э. Теллера», с 1982 по 
2003 гг. – начальник лазерного подразделения ВНИИЭФ (ныне – Институт  
лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ). 
Геннадий Алексеевич Кириллов и Самуил Борисович Кормер – одни из основателей лазерного направления в широкомасштабной научной деятельности 
ВНИИЭФ. Под их руководством и с участием ведущих отраслевых и академических НИИ проведены исследования по созданию взрывных фотодиссоционных 
лазеров с рекордными параметрами излучения, разработан ряд лазерных устройств, применяемых в комплексах специальной техники. Г. А. Кириллов активно 
участвовал в разработках лазеров для исследований в области лазерного термоядерного синтеза. Под его руководством были созданы лазерные установки УФЛ-3, 
«Искра-4», «Искра-5» мощностью 0,5; 10 и 100 ТВт соответственно, на которых 
проведены важные эксперименты по физике горячей плотной плазмы.  
Г. А. Кириллов воспитал десятки учеников, среди которых много кандидатов и докторов наук, лауреатов Государственной премии СССР и РФ; он руководил кафедрой «Квантовая электроника» в Саровском физико-техническом институте.  
Г. А. Кириллов ушел из жизни 22 сентября 2013 года. Над этой книгой он 
активно работал вплоть до последних дней.  
Издание будет незаменимым помощником для студентов старших курсов, 
инженеров, аспирантов, молодых научных сотрудников, решивших связать свою 
работу с квантовой электроникой – одним из интереснейших и бурно развивающихся направлений современной науки, которому Г. А. Кириллов посвятил 
свою яркую научную карьеру.  
 
Генеральный конструктор по лазерным системам, 
заместитель директора РФЯЦ-ВНИИЭФ  
по лазерно-физическому направлению, 
директор ИЛФИ РФЯЦ-ВНИИЭФ, 
член-корреспондент РАН, 
доктор физико-математических наук 
 
 
 
 
 
С. Г. Гаранин 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Одним из удивительных открытий XX века по своему изяществу и значимости для будущего является изобретение и создание лазеров – оптических 
квантовых генераторов (ОКГ). ОКГ – это принципиально новые источники оптического излучения, работающие на основе явления вынужденных или индуцированных переходов. Существование индуцированного излучения было постулировано Эйнштейном в 1917 г., задолго до появления квантовой электроники. Первые теоретические соображения о возможности использования вынужденного излучения высказал В. А. Фабрикант в 1940 г. в СССР. В принципе, 
создание ОКГ было возможно уже в те годы. Практически же осуществить усилительное устройство, использующее индуцированное излучение, удалось  
в 1954 г. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову в СССР и Дж. Веберу, Дж. Гордону, 
Х. Цайгеру и Ч. Таунсу в США. Усиление и генерация происходили на частоте 
2400 МГц (радиодиапазон), а рабочим веществом служил аммиак. Первый оптический квантовый генератор был создан в 1960 г. Т. Мейманом. Он получил генерацию на рубине с длиной волны излучения ~694 нм. К настоящему времени 
генерация получена на самых различных веществах (газ, жидкость, твердое тело) в диапазоне от близкого ультрафиолета до дальней области инфракрасной 
(ИК) части спектра. Существенную роль играют лазеры, перестраиваемые в широком диапазоне длин волн.  
В основе работы лазеров (мазеров) как квантовых генераторов лежат следующие фундаментальные идеи: 
– понятие вынужденного (индуцированного) излучения и его обоснование 
на примере закона Планка: распределение излучения по спектру для теплового 
излучателя при определенной температуре (А. Эйнштейн, 1910 г.); 
– усиление света (электромагнитных волн) и создание термодинамически 
неравновесной среды (В. А. Фабрикант, 1941 г., патент 1951 г.); 
– применение для создания положительной обратной связи объемного резонатора для мазеров и открытого резонатора типа Фабри – Перо для лазеров 
(Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, 1954 г.). 
Значение лазеров в настоящее время трудно переоценить. Они используются в области оптической связи, включая Интернет, военном деле, медицине, 
научных исследованиях, в технологических приложениях (для резки и сварки 
металлов, обработки твердых материалов, таких как алмаз), для измерения углов, расстояний, скоростей и т. д. Достаточно быстро идет усовершенствование 
основных параметров излучения лазеров, а также их массогабаритных характеристик. Изобретаются и разрабатываются новые типы лазеров. Перспективы 
применения лазеров настолько широки, что трудно назвать область науки или 
техники, где лазеры не будут использоваться. По словам одного из создателей 
первых ОКГ Т. Меймана, после окончательного решения некоторых техниче

ских вопросов их применение будет ограничено, в сущности, лишь воображением и изобретательностью инженеров.  
В данном пособии изложены основные понятия лазерной физики, описаны 
принципы работы лазеров и некоторых оптических устройств, приведена классификация и даны характеристики некоторых лазерных систем.  
Пособие предназначено для подготовки студентов по специальности «физика лазеров». Также оно рассчитано на инженеров, молодых научных сотрудников и аспирантов, занимающихся разработкой и эксплуатацией лазерных систем. Простота и доступность изложения делают пособие удобной настольной 
книгой. В то же время приведенные в пособии соотношения позволяют проводить оценочные расчеты реальных лазерных систем. Описание современного 
состояния и направления развития лазерных систем с указанием ссылок на оригинальные публикации (см. разд. 13 и 18) призвано восполнить пробел в учебной литературе и облегчить доступ к информации по сложным вопросам конструирования перспективных лазеров. 
Авторы выражают благодарность директору ИЛФИ ФГУП «РФЯЦВНИИЭФ» С. Г. Гаранину за помощь на всех стадиях выпуска учебного пособия, а также признательны коллегам Н. Н. Рукавишникову, Д. В. Святошенко, 
Г. Г. Кочемасову и С. В. Бондаренко за их замечания, предложения и уточнения. 

1. ВНУТРИАТОМНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ 
 
Лазеры по существу являются генераторами светового излучения. Диапазон длин волн, на которых в лазерах осуществляется генерация светового излучения, простирается от ∼100 нм (лазеры ультрафиолетового диапазона) до 
∼104 нм (лазеры инфракрасного диапазона). Разрабатываются лазеры рентгеновского диапазона с длинами волн ~20 нм. В отличие от тепловых источников света (лампа накаливания, раскаленный кусок металла, электрическая дуга), имеющих сплошной спектр излучения, лазеры имеют узкий спектр излучения с относительной шириной 
5
10−
∆ν ν ≈
. При выполнении определенных требований 
к активной среде и устойчивости параметров резонатора можно достичь значения 
15
10−
∆ν ν ≈
. Такие лазеры применяются в качестве стандартов частоты.  
Спектр излучения лазера и энергия излучаемого кванта определяются,  
в первую очередь, внутриатомными и молекулярными энергетическими уровнями и переходами между ними. Впервые обобщить имеющиеся экспериментальные данные по спектрам излучения атома водорода и получить эмпирические 
закономерности удалось Бальмеру в 1885 г. Вид соотношения Бальмера [1]: 
 
2
2
1
1
1
λ
2
R
m


=
−




,                                           (1.1) 
 
где m = 3, 4, 5, 6. 
Далее были установлены серия Лаймана 
 
2
1
1
1
R
m


=
−


λ


                                             (1.2) 
 
для m > 1 и Пашена 
2
2
1
1
1
3
R
m


=
−


λ


                                             (1.3) 
для m > 3. 
Все линии спектра атома водорода можно разделить на ряд серий, объединенных общей формулой 
 
2
2
1
1
1
R
n
m


=
−


λ


,                                            (1.4) 
 
где n = 1, 2, 3, 4 при m > n, R = 1,09768⋅105 см –1 – универсальная постоянная Ридберга (установлена в 1890 г.). Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что спектр излучения атома водорода дискретный. Излучение