Тема: кольцевой резонатор

[filin]

Как известно чем длиннее резонатор лазера тем выше его добротность, больше частот(мод) он может излучать, соответственно выше КПД и мощьность лазера.

В бытность обучения в аспирантуре попалась статейка про лазер с кольцевым резонатором типа треугольного лазерного гироскопа, тольно в одной из сторон которого стоял магнитооптический затвор.

Этот затвор пускает свет лишь в одном направлении причем в отличии от всяких 1/4 или 1/2 пластинок не чувствителен к длинне волны (частоте) излучения.

Получается свет в таком резонаторе может идти только по кругу в строго определённом направлении и эффективная длинна такого резонатора стремится к бесконечности, то есть в генерации учавствуют все квантовые уровни возбуждённых атомов!

Кто нибудь видет что нибуть подобное в жизни?

[Gall]

Видел в работе, хотел собрать, пока руки не дошли. Сложно все-таки.

Длинный резонатор - не всегда хорошо. Большая длина мало повышает КПД и мощность лазера, скорее дело в том, что в большой резонатор можно поставить длинное рабочее тело. Это палка о двух концах: чем длиннее резонатор, тем больше его мод попадает в полосу усиления. Как следствие, многие длинные лазеры имеют плохой многомодовый луч.

Главное преимущество кольцевого резонатора - отсутствие эффекта "пространственного выжигания дырок" в пучностях волн. Этот эффект может приводить к появлению второй моды генерации, поскольку усиление на основной моде падает из-за "разрядки" рабочего тела. На КПД лазера это влияет мало, но очень хорошо сказывается на качестве луча - длинная когерентность и одномодовость почти гарантированы.

Кольцевой резонатор применяют в высококачественных лазерах для нужд метрологии, голографии и т.п. Чаще всего это либо перестраиваемые лазеры на красителях, либо твердотельные (как с ламповой, так и с лазерной полупроводниковой накачкой). Газовые и полупроводниковые - никогда. Очень часто кольцевой резонатор работает в схемах генератор-усилитель в роли задающего генератора.

Конструкция резонатора: обычно 4 зеркала, луч идет "восьмеркой" и имеет две перетяжки, одну в рабочем теле, вторую где-нибудь еще. "Восьмерка" длинная, дает дополнительную фильтрацию. Кроме четырех зеркал на пути луча стоит фарадеевский ротатор и полуволновая пластинка. При прохождении луча в одну сторону поляризация остается неизменной, а в другую - вращается на 90 градусов. За счет поляризации при отражениях луча это дает селекцию - выживает то направление, которое не вращается.

Есть более простая схема, основанная на отражении луча в полупрозрачном зеркале: луч одного направления продолжает движение, а второго - отражается на 180 градусов и присоединяется к первому. Она менее удачна, в ней "обратный" луч всегда существует, хоть и слабый, в отличие от схемы с фарадеевским ротатором.

Подробное описание схемы, ее расчет есть в учебнике Звелто "Принципы лазеров".

Практические применения: фирма Coherent выпускает лазер "Verdi" по такой схеме. Вот его устройство:

(из "Sam's Laser FAQ")

Лазер в голографической установке покойного С. П. Воробьева - тоже кольцевой. Он с усилителем, причем через усилитель луч проходит дважды с отражением от ВРМБ-зеркала. Устройство этого лазера я изучил, как мог, когда был у Сергея Петровича в гостях - с тех пор и хочу его скопировать. Речь вот об этой штуке:
http://holography.ru/les13rus.htm
http://holography.ru/les15rus.htm
http://holoforum.org/oldforum/viewtopic.php?f=22&t=7040

[filin]

Нет это не то, там нет не каких 1/4 и 1/2 пластин, т.к. эти оптические элементы чувствительны к длинне волны. В резонаторе только могнитооптические ячейки, которые крутят плоскость поляризации на 45 градусов по ампер виткам и поляризаторы, которые пропускает свет в повернутом за этот угол излучение, в обратном направлении излучение не проходит т.к. поворачивается таккже на 45 но на входной поляризатор приходит уже под углом 90 и задерживаются.
Магнитооптические оптические вентили крутят ось поляризации на 45, как её вравнить, чтобы подать на активный элемент?

Чтобы плоскость поляризации снова была в плоскости резонатора можно её довернуть ещё одной Фарадеевской ячейкой только замагниченой в противоположном направлении.
(но это дополнительный оптический элемент)

В той статье это как то зеркалами делали и форма резонатора была не в одной плоскости, а 3D.
Только я углы не помню какие...

Излучение такого лазера наоборот становится  не монохроматичным, а в более широком оптическом спектре. Если по этому принципу делать He-Ne лазер то он светил бы во всём доплеровском уширении, (т.е. полоса была бы в несколько ГГц) и мощность его была на порядок выше, по крайней мере по сравнению с короткими резонаторами.
Или я ошибаюсь?

[Gall]

Нет это не то, там нет не каких 1/4 и 1/2 пластин, т.к. эти оптические элементы чувствительны к длинне волны. В резонаторе только могнитооптические ячейки, которые крутят плоскость поляризации на 45 градусов по ампер виткам и поляризаторы, которые пропускает свет в повернутом за этот угол излучение, в обратном направлении излучение не проходит т.к. поворачивается таккже на 45 но на входной поляризатор приходит уже под углом 90 и задерживаются.
Магнитооптические оптические вентили крутят ось поляризации на 45, как её вравнить, чтобы подать на активный элемент?

Оптический диод в лазерах устроен так. Это фарадеевский ротатор, поворачивающий плоскость поляризации на скольо-нибудь, вслед за ним стоит полуволновая пластинка, поворачивающая плоскость поляризации обратно. Да, все это чувствительно к длине волны, но вообще-то в лазере длина волны очень постоянна.

Отдельных поляризаторов обычно не ставят. Достаточно поляризации при отражении от зеркал. Для уверенного получения односторонней генерации достаточно поворота поляризации в фарадеевском ротаторе всего на 7-10 градусов. В современных лазерах обычно даже нет обмотки, стоит просто неодимовый магнит.

Чтобы плоскость поляризации снова была в плоскости резонатора можно её довернуть ещё одной Фарадеевской ячейкой только замагниченой в противоположном направлении.
(но это дополнительный оптический элемент)

Нет, НЕЛЬЗЯ. Суть одностороннего пропускания в том, что вращение в одну сторону делает фарадеевская ячейка, а вращение обратно - полуволновая пластинка. У полуволновой пластинки направление вращения зависит от направления прохождения света, а у фарадеевского ротатора - не зависит. Именно поэтому их эффекты в одну сторону вычитаются, а в другую - складываются.

Если поставить два фарадеевских ротатора (или две полуволновых пластинки), одностороннего пропускания не получится. Свет будет одинаково хорошо идти в обе стороны.

В той статье это как то зеркалами делали и форма резонатора была не в одной плоскости, а 3D.
Только я углы не помню какие...

Можно посчитать углы. Эта картинка есть в Звелто тоже - объемный кристалл, он же рабочее тело, он же фарадеевский ротатор, а сложные отражения и двупреломление в самом рабочем теле заменяют полуволновую пластинку. Такую схему часто делают монолитом. Ее не имеет смысла делать разборной - слишком сложно из-за косых углов (каждую плоскость кристалла придется делать под углом Брюстера, и все под разными углами из-за 3d). Расчет ее такой: при отсутствии магнитного поля в силу двупреломления плоскость поляризации при прохождении по кольцу должна слегка поворачиваться, а величину поля подбираем так, чтобы эффект Фарадея скомпенсировал этот поворот.

Излучение такого лазера наоборот становится  не монохроматичным, а в более широком оптическом спектре. Если по этому принципу делать He-Ne лазер то он светил бы во всём доплеровском уширении, (т.е. полоса была бы в несколько ГГц) и мощность его была на порядок выше, по крайней мере по сравнению с короткими резонаторами.
Или я ошибаюсь?

Ровно наоборот. Излучение такого лазера стремится к одномодовости в силу того, что первая возникшая мода генерации затягивает на себя все рабочее тело. Повышение КПД лазера за счет увеличения числа мод проще достигнуть за счет увеличения усиления - повысить концентрацию ионов в кристалле. Обычно это себя не оправдывает: высокая цифра "формального" КПД лазера еще не означает мощный луч на выходе, слишком многомодовый луч будет очень сильно расходиться, и потери на "плохие" моды превысят выигрыш от общего высокого КПД. (Наглядный пример - синие лазеры Nichia от проекторов, не поддающиеся фокусировке в тонкий луч вовсе).

Если в кольцевом резонаторе нет эталона, частота генерации будет достаточно случайной, а ширина полосы будет связана с длиной кольца резонатора (длиннее - Уже). Обычно ставят эталон, как в Coherent Verdi. Генерация сразу на нескольких модах, как в длинных резонаторах Фабри-Перо, практически исключена.

Однокристальные лазеры с трехмерным резонатором разрабатывались в первую очередь для ВОЛС, где от монохроматичности и одномодовости луча напрямую зависит величина потерь в световодах. Одномодовый световод при условии хорошего лазера дает затухание меньше 2 дБ на 100 км длины.

[filin]

Чтобы плоскость поляризации снова была в плоскости резонатора можно её довернуть ещё одной Фарадеевской ячейкой только замагниченой в противоположном направлении.
(но это дополнительный оптический элемент)

Нет, НЕЛЬЗЯ. Суть одностороннего пропускания в том, что вращение в одну сторону делает фарадеевская ячейка, а вращение обратно - полуволновая пластинка. У полуволновой пластинки направление вращения зависит от направления прохождения света, а у фарадеевского ротатора - не зависит. Именно поэтому их эффекты в одну сторону вычитаются, а в другую - складываются.

Если поставить два фарадеевских ротатора (или две полуволновых пластинки), одностороннего пропускания не получится. Свет будет одинаково хорошо идти в обе стороны.

Если поставить только две 1/2 пластинки или две магнитооптических ячейки, то да, что туда что обранто эффекта 0!
Но если между нагнитооптическими ячейками поставить поляризатор, то свет будет проходить только в одну сторону, фактически это будет два оптических ветниля соеденённых последовательно! Угол поворота фарадеевской ячейки не зависит от длинны волны, а зависит от постоянной верде, длинны и величины магнитного поля поля.(*постоянная верде зависит от длинны волны, но не сильно)
Если повернуть первым на 45 потом поставить поляризатор, потом обратно на 45, то плоскость будет прежней. Излучение в обратную сторону не пойдёт потому что, проходя через ротатор оно повернётся на 45 в другую сторону и поляризатор его задержит.

Можно использовать треугольный резонатор, только с двумя поляризаторами и двумя магнитооптическими ячейками между ними... Если учесть что поле не равномерно по диаметру ячейки, то с двумя ротаторами даже лучше, при условии что они будут одинаковы.

Юстировать его тоже проще, снял поле отюстировал, потом опять поставил магниты и не какой интерференции...

Нельзя ли сам активный элемент использовать как ротатор?

[Gall]

Если поставить только две 1/2 пластинки или две магнитооптических ячейки, то да, что туда что обранто эффекта 0!
Но если между нагнитооптическими ячейками поставить поляризатор, то свет будет проходить только в одну сторону, фактически это будет два оптических ветниля соеденённых последовательно! Угол поворота фарадеевской ячейки не зависит от длинны волны, а зависит от постоянной верде, длинны и величины магнитного поля поля.(*постоянная верде зависит от длинны волны, но не сильно)

Достаточно одной магнитооптической ячейки и одной полуволновой пластинки. С двумя одинаковыми ячейками сделать можно, но только если ячейки с соленоидами. С постоянными магнитами не получится - нельзя настраивать поле, не удастся сделать ячейки одинаковыми. Сейчас чаще всего используют ячейки с постоянными магнитами - их проще делать, можно использовать кубик оптически активного вещества, приклеенный к магнитам, причем короткий. (С соленоидом маленькую длину сделать не получится). В вышеупомянутом Verdi длина активной среды ротатора - всего несколько миллиметров. Но в такой схеме не регулируется поле, поворот поляризации получается на малопредсказуемую величину, и обратный поворот ПРИХОДИТСЯ делать настраиваемой полуволновой пластинкой.

Как уже говорилось, зависимость от длины волны не играет роли. Даже у широкополосных лазеров ширина полосы генерации достаточно мала, чтобы считать длину волны "известной" и спокойно применять полу- и четвертьволновые пластинки.

Поляризаторы в таких вещах не используют. Поляроиды не выдерживают энергий резонатора лазера (не говоря уж о потерях), а поляризаторы, основанные двупреломлении, затрудняют юстировку резонатора (и тоже дают потери на основной моде). Всякая поляризация в реальных лазерах делается за счет отражений от зеркал и окон Брюстера, может быть за очень-очень редким исключением. Мне ни разу не встречалась схема с поляризаторами, зато сплошь и рядом встречаются волновые пластинки.

Можно использовать треугольный резонатор, только с двумя поляризаторами и двумя магнитооптическими ячейками между ними... Если учесть что поле не равномерно по диаметру ячейки, то с двумя ротаторами даже лучше, при условии что они будут одинаковы.

Треугольник обычно не любят. Отражать пучок, прошедший через ячейку, от зеркал нельзя - перед зеркалом поляризация должна быть "правильной". Две одинаковых ячейки нет смысла ставить, а две разных не получится в силу поляризации. Прибавляем к этому габариты схемы - становится совсем неинтересно. Именно поэтому луч обычно и гоняют "восьмеркой" или прямоугольником - есть две длинных стороны, удобных для размещения рабочего тела и ротатора, и есть две коротких или диагональных, никому не мешающих и не увеличивающих габариты установки. Плюс к этому величины углов отражения удобные - близки к 45 или к нормали, что позволяет использовать серийные диэлектрические зеркала. А еще у таких схем (особенно у восьмерки) гораздо выше устойчивость резонатора, поскольку длина пути одинакова по всем точкам зеркала - устойчивее формируются перетяжки. У треугольника трудно подобрать кривизну зеркал - надо формировать три перетяжки. И про вероятность пробоя в перетяжке тоже помним.

Юстировать его тоже проще, снял поле отюстировал, потом опять поставил магниты и не какой интерференции...

Юстировка простого ротатора с полуволновой пластинкой, скорее всего, самая простая из существующих. Крутим пластинку и подгоняем поляризацию - все. С поляроидом было бы столь же просто, если бы поляроид можно было использовать. Со всякого рода призмами Глана, Николя и иже с ними получается смещение пучка и затруднение юстировки, поскольку после подкручивания поляризаторов надо снова перестраивать зеркала.

Нельзя ли сам активный элемент использовать как ротатор?

Можно. Именно это и делается в упомянутой Вами схеме с трехмерным движением луча. Но я не уверен, что это возможно при ламповой накачке, разрядные лампы не любят магнитных полей. При лазерной накачке так делают сплошь и рядом. У Nd:YAG довольно большая постоянная Верде. У Nd:YVO₄ - не знаю, но скорее всего тоже. А если сделать рабочее тело с оптической осью, перпендикулярной лучу, то оно еще и полуволновую пластинку заменить может.

[filin]

Если использовать как ротатор активное вещество, то можно упростить поставив два стержня, и закрутив излучение в разные стороны, а окна брюстера на концах активных элементов поставить повернув плоскость поляризации на 45.
Поляроид имеет большие потери он не нужен, достаточно окон брюстера.
1/2, 1/4 и.т.д. тоже не нужны.

Главное максимальная мощность и К.П.Д. Естественно светодиодная 808нм накачка. Лампа будет сильно греть активное вещество в непрерывном режиме.

А в такой кольцевой (восьмёрочный) резонатор, можно ввести не линейный элемент, чтобы 532нм зелень получать, а не использованное ИК излучение опять по кругу?
И зеркало на выходе хитрое, чтобы зелень пропускало, а ИК 1064нм отражало?
Решётку дифракционную например?

[Gall]

Если использовать как ротатор активное вещество, то можно упростить поставив два стержня, и закрутив излучение в разные стороны, а окна брюстера на концах активных элементов поставить повернув плоскость поляризации на 45.
Поляроид имеет большие потери он не нужен, достаточно окон брюстера.
1/2, 1/4 и.т.д. тоже не нужны.

Можно было бы сделать, но очень неудобно. Для нормальной работы лазера в каждом стержне должна быть перетяжка. Перетяжек обычно ровно две, то есть стержни должны быть равноудалены друг от друга с каждой стороны. Это значит, что между ними с каждой стороны обязательно будут зеркала. Вот тут и возникает проблема с поляризацией - не можем же мы сделать резонатор в виде треугольника Пенроуза.

Не понимаю, почему Вы так против полуволновых пластинок? Их рабочий диапазон длин волн шире, чем у зеркал и просветляющих покрытий оптических элементов того же лазера.

Главное максимальная мощность и К.П.Д. Естественно светодиодная 808нм накачка. Лампа будет сильно греть активное вещество в непрерывном режиме.

Тогда нельзя использовать стержни. Это очень неудачная с точки зрения КПД форма для лазерной накачки.

А в такой кольцевой (восьмёрочный) резонатор, можно ввести не линейный элемент, чтобы 532нм зелень получать, а не использованное ИК излучение опять по кругу?

Простите, Вы видели схему "Coherent Verdi" в моем первом ответе? Она именно так и устроена.

И зеркало на выходе хитрое, чтобы зелень пропускало, а ИК 1064нм отражало?
Решётку дифракционную например?

Обычное диэлектрическое зеркало, AR532+HR1064, совершенно стандартная вещь. В каждой зеленой указке стоит. Можно на три длины волны сразу - HR808+HR1064+AR532, чтобы излучение накачки тоже посылать обратно в кристалл.

[filin]

Даже если сделать кольцевой резонатор в виде треугольника Пенроуза, у него поляризация крутанётся на 90 градусов, а нужно на 45. По этому если делать подобный резонатор то он будет похож на неправильный Тетраэдр
 у которого углы между грянями в ребре которого будет активный кристал-ротатор, будут находиться под углом 45 градусов. В правильном это перпендикулярные рёбра которые не соприкасаются.

Вобщем получится типа восьмёрки, только не в одной плоскости.
1/2 1/4 пластинки не будут работать на других длиннах волн (532нм и.т.д. гармониках) при генерации гармоник упадёт КПД и мощность.

[Gall]

1/2 1/4 пластинки не будут работать на других длиннах волн (532нм и.т.д. гармониках) при генерации гармоник упадёт КПД и мощность.

Им и не надо работать на других длинах волн. Гармоники не отражаются от зеркал резонатора и не должны существовать в его кольце вообще. Излучение 532 нанометра после SHG должно проходить насквозь через первое же зеркало и полностью выводиться из резонатора.

[Gall]

Добрался до работы, книжка "Принципы лазеров" тут на столе. Теперь могу подкреплять свои слова формулами, если надо.

[filin]

1/2 1/4 пластинки не будут работать на других длиннах волн (532нм и.т.д. гармониках) при генерации гармоник упадёт КПД и мощность.

Им и не надо работать на других длинах волн. Гармоники не отражаются от зеркал резонатора и не должны существовать в его кольце вообще. Излучение 532 нанометра после SHG должно проходить насквозь через первое же зеркало и полностью выводиться из резонатора.

Должны не означает что полностью выводится, вот то что болтается нужно и вывести следующим разом, потом нелинейный кристал даем ещё кучу всяких гармоник. Если выводить нужную, то остальные поболтавшись в резонаторе преобразуются в нужную и тоже выйдут.

В первый раз слышу чтобы зеркало не отразало, ели диэлектрическое такое плохое, нужно поставить обычное серебренное.

Наверно подобная конструкция лазера больше подходит для больших лазеров, в карманных выиграшь дельтапси...

В газовом или газодинамическом лазере можно магнитным полем плоскость поляризации повернуть ? или в СО2 постоянная верде = 0?

[Gall]

Должны не означает что полностью выводится, вот то что болтается нужно и вывести следующим разом

Такого не может быть. "Случайно" не отразившаяся от первого зеркала волна 532 не сделает даже полного круга по резонатору без катастрофической расфокусировки. Эта волна ведь не абы какая, а связана с 1064 определенным соотношением (гл. 12.4 Звелто, уравнения 12.4.49).

потом нелинейный кристал даем ещё кучу всяких гармоник. Если выводить нужную, то остальные поболтавшись в резонаторе преобразуются в нужную и тоже выйдут.

Не дает. См. там же.

В первый раз слышу чтобы зеркало не отразало, ели диэлектрическое такое плохое, нужно поставить обычное серебренное.

Диэлектрическое зеркало настраивается на строго определенную длину волны и строго определенный угол отражения. Для двух-трех длин волн можно сделать их отражение или пропускание в произвольном сочетании. Например, нет никаких проблем сделать зеркало, которое на 532 нм дает >99.999% пропускания, на 1064 нм >99.5% отражения и 0.5% пропускания, на 808 нм >99.999% отражения. Все диэлектрические зеркала имеют свойства фильтров, причем достаточно узкополосных. Например, зеркала для гелий-неонового лазера (100% отражения) на красном полупроводниковом лазере начинают пропускать около 0.3% света и отражать 99.7%. Еще раз подчеркиваю - у них почти НЕТ поглощения, весь свет либо отражается, либо проходит. На "своей" длине волны отражается 100%. На "чужих" длинах волн начинается значительное пропускание. Зеркала для DPSS-лазеров настраивают так, чтобы на второй гармонике их пропускание было полным.

Серебряные зеркала имеют огромные потери и непригодны для лазеров вообще, ни в каком виде. У них неизбежные потери больше, чем у гелий-неонового лазера пропускание в OC-зеркале. Лазер с серебряными зеркалами, скорее всего, вообще генерировать не будет.

В газовом или газодинамическом лазере можно магнитным полем плоскость поляризации повернуть ? или в СО2 постоянная верде = 0?

В газе магнитное поле вызывает совсем другие эффекты - расщепление и сдвиг уровней. Небольшими постоянными магнитами подстраивают длину волны гелий-неоновых лазеров. На многих хороших лазерах на трубке есть такие магниты. Эффект Фарадея там тоже присутствует, но слишком слаб - сравним разве что с влиянием гравитации Земли на распространение света.

Еще хочу подчеркнуть, что нельзя бороться за КПД лазера "всеми силами" - улавливать всякие не туда отразившиеся лучи и т.д. Если мы преуспеем в таком повышении КПД, мы получим не лазер, а лампочку - свет на выходе будет состоять в основном из грязи и не будет когерентным. Суть хорошей работы лазера, наоборот, в том, чтобы как можно раньше ОТБРОСИТЬ любое "неправильное" излучение, не дать ему побегать в резонаторе и отожрать на себя часть энергии рабочего тела. Чем жестче мы будем фильтровать излучение внутри резонатора, тем большую часть энергии луча сможем потом ИСПОЛЬЗОВАТЬ. Совершенно нет смысла делать лазер с 90%-м КПД, если его луч будет в основном состоять из высших гармоник - мы все равно их все растеряем, как только попробуем луч куда-то применить. Чем уже полоса излучения лазера, чем выше когерентность, чем больше у него TEM00 - тем больше будет КПД того процесса, для которого мы этот луч используем.

[filin]

Не-Ne лазер с обычными зеркалами начнёт светить на 1,15 или 3,39 мкм т.к. у золотых и серебрянных зеркал в ик области приличный коэффициент отражения.
Не кто не видел зелёного 543нм He-Ne лазера?

В книжке Орацио Звелто Принципы Лазеров (Мир 1990) всего 8 глав.

Не главное, если в газе постоянная верде = 0
можно ввести дополнительные ротаторы и поляризаторы.
Если сделать Например СO2 Лазер, а потом нелинейной оптикой по пытаться заставить его светить в видемом диапазоне, то при класическом подходе КПД такого лазера будет дельтапси, а вот если все гармоники будут болтаться внутри кольцевого резонатора, а выводится будут только в нужном диаппазоне, то можно получить высокий КПД. красный СO2 лазер на 16 гармонике... с киловатной мощёй...
или я ошибаюсь?

[Gall]

У меня Звелто 2008 года, 4-е издание. Могу в принципе посмотреть, как оно в старом было.

Вклад в КПД лазера от побочных мод невелик. В основном КПД - это, конечно, просто разность энергий между переходом возбуждения и лазерным переходом (многочастичные процессы накачки нереальны). Еще свой вклад вносит плохое использование краев рабочего тела на TEM00, потери в накачке и т.д. В лазерах с большим усилением (азот, насыщенные красители) довольно велики потери на излучение вбок. То, что теряется на пространственном выжигании дырок, в основном уходит на неодномодовость по продольной моде, а края рабочего тела - на высшие пространственные моды. То есть - это не потери энергии, а потери качества луча.

В кольцевом резонаторе потерь на пространственное выжигание дырок, считаем, нет - генерация на одной продольной моде, чистенькая. Потери на края тела, наоборот, усугубляются - высшие пространственные моды мы глушим очень эффективно. Эта проблема решается за счет КОРОТКОГО рабочего тела (тонкий диск и т.п.), тогда луч во всем рабочем теле будет иметь примерно одинаковую толщину, и можно сделать накачиваемую область рабочего тела ровно по размерам луча. Особенно при продольной лазерной накачке. (Обратите внимание на Coherent Verdi и на лазеры на красителях с плоской струей - там именно так). В сумме КПД получается примерно таким же (в реальности может быть чуть-чуть ниже из-за суммарных потерь в большом количестве оптических деталей), но сам луч - чище.

Когда речь идет об очень большой КОНЦЕНТРАЦИИ энергии (для термоядерного синтеза и т.п.), нам очень важно сфокусировать луч в маленькое пятно. При этом почти наверняка все, что выше TEM00, полетит мимо. Продольные моды не так сильно влияют, но дисперсия линз тоже ненулевая, и монохроматический луч фокусировать просто проще. То же самое - если нам нужен просто чистый луч, если мы пропускаем его через пространственные фильтры, все "левые" моды пойдут чисто в потери, даже если на выходе лазера они были. Поэтому можно считать, что качество луча и КПД - почти одно и то же. Чем лучше луч, тем меньше мы его растеряем при работе.

Гармоники выше 2-3 очень трудно генерировать, лучше так не делать. Тем более гармоники CO₂ - 10.6 мкм поглощается почти во всем довольно сильно, даже в воздухе (резонирует с углекислым газом воздуха). Проще работать с 1064 нм. Типичная схема тут такая: относительно маломощный генератор с кольцевым резонатором дает несколько десятков милливатт (или около 50 мДж - если в импульсе) "затравочного" луча, который потом в один-два прохода усиливается усилителями. КПД при усилении получается очень высок - тут нет никаких стоячих волн, усилители "высасываются" полностью. И луч очень хороший, он определяется качеством генератора и фильтра после генератора (тут фильтровать нежалко, ну потеряем 10 мВт из 50 - ну и черт с ними). Если надо совсем хороший, поставим ВРМБ и сделаем два прохода, фазовые сдвиги компенсируются. Примерно так и делают. Еще в импульсных лазерах в задающем генераторе очень помогает ПАССИВНЫЙ (просветляющийся краситель) модулятор добротности - эффективно отфильтровывает TEM00 в силу того, что центр просветляется раньше, чем край. В непрерывном лазере с той же целью можно поставить ирисовую диафрагму. Все это, разумеется, до усилителя, там мощность терять еще нежалко. (И лучше тут безжалостно отсеять всю грязь, иначе она пойдет в усилитель и отожрет мощность уже у него).

Лазер Воробьева, на который я ссылался, в таком режиме дает импульс 523 нм до нескольких Дж (хз до скольки, его больше 1 Дж не включают, берегут) в TEM00 с длиной когерентности свыше 10 метров. Длительность импульса около 10-20 нс. Мощность ограничена, насколько я понял, в основном пробоями в воздухе.