Эффективность и техническое совершенство энергетических систем и квантовых приборов принято оценивать значениями выходной энер­гии, мощности, к. п .д. и квантовой эффективности. Если твердотель­ные лазеры оценивать по к. п. д., не учитывая их уникальные физиче­ские свойства, то они покажутся малоэффективными системами (к.п.д. лучшего рубинового или неодимового лазера не превышает 1,5%). Образно говоря, огромная река входной энергии оптической накачки превращается в хилый ручеек индуцированного излучения. Для предварительной оценки энергетических характеристик проекти­руемых твердотельных лазеров можно использовать методику расчета мощности лазеров, работающих в режиме свободной генерации при температуре 300 К с усреднением значений мощности по отдельным пикам спектра излучения. Энергия импульса индуцированного излу­чения с длительностью импульса τи для лазера, имеющего активное вещество объемом V = Sl, равна Eвых == РвыхV τи

Для оценки выходной энергии, излучаемой лазером, желательно, чтобы она была выражена через известные или измеряемые эксперимен­тально параметры. Например, количество ионов хрома, перешедших на уровень Е2 с частотой перехода v32 при энергии оптической накач­ки Eh квантовой эффективности (квантовом выходе люминесценции) ηэ равно:

Число полезно излученных фотонов в рабочем переходе при N2 ~ N/2 равно (Енηэ/hV32 — Nо/2), выходная энергия

Учитывая значение пороговой энергии оптической накачки т. е. минимальной энергии накачки, необходимой для воз­буждения аксиального типа колебаний индуцированного излучения на длине волны, распространяющейся в строго продольном направлении по оси резонатора. окончательно получим

Результаты расчетов по этой формуле согласуются с эксперимен­тальными данными, полученными для целого ряда разработанных лазер­ных головок. Данная формула удобна для оценки выходной энергии твердотельных импульсных лазеров. Отношение Ен/Еo измеряется для любых систем оптической накачки в относительных величинах, пре­вышающих пороговую энергию. Мощность генерации четырех- или трехуровневого лазера Рвых можно получить с помощью такой зависимости:

(1.6) где hvг — энергия кванта индуцированного излучения генератора, Дж; hvн — энергия кванта излучения накачки, Дж; l — длина кристалла активного вещества, см; βдис — коэффициент внутренних (диссипативных) потерь в активной среде; число порогов, т. е. коэффициент превышения энергии накачки Ен над пороговой энергией накачки Ео; ηэ — квантовая эффективность; mp — коэффициент, учи­тывающий радиационные шумы; b — коэффициент преобразования электрической энергии в лучистую (к. п. д. лампы накачки—светоот­дача импульсных ламп); ηo— параметр, характеризующий долю света, падающего с отражателя на поверхность кристалла (к. п. д. оптической отражательной системы лазера); ηl — коэффициент использования излу­чения лампы накачки, поглощенной кристаллом.

Максимальный коэффициент усиления для перехода Е2 → Е1 при условии накопления квантовых частиц на уровне Е2 активного вещества

(1.7)

где B21 — коэффициент Эйнштейна; δ— отношение потерь (τл + βдис) к максимальному усилению Gmax.

Рассчитаем мощность рубинового лазера, имеющего следующие параметры: hvг== 2,8 • 10-12 эрг; hvн = 4 • 10-12 эрг; ηэ= 0,5; No = 1,62•1019 см-3; βдис = 0.06 см-1; X == 3; τλ = 0,1 см -1; b = 0,5; ηо = 0,5; Ео == 600 Дж; тр == 0,9; l = 6,6 см; d == 0,65 см.