Цвет лазерного излучения и материал активной среды. Что такое диапазоны X, K, Ka, Laser, что такое POP

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

• Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
• Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
• Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
• Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
• Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

• длина волны или область спектра излучения;
• оптическая плотность при определенной длине волны;
• максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
• тип лазерной системы;
• режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
• возможности отражения - зеркального и диффузного;
• поле зрения;
• наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
• комфорт;
• наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
• влияние на цветовое зрение;
• ударопрочность;
• возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Лазер - это генератор оптических волн, использующий энергию индуцированно излучающих атомов или молекул в средах с инверсной заселенностью уровней энергии, обладающие свойством усиливать свет конкретных длин волн. Чтобы многократно усилить свет применяют оптический резонатор, который состоит из 2 зеркал. За счет различных способов накачки в активном элементе создается активная среда.

Рисунок 1 - Схема устройства лазера

За счет перечисленных условий в лазере генерируется спектр, который показан на рисунке 2 (число мод лазера регулируется длиной резонатора):

Рисунок 2 - Спектр продольных мод лазера

Лазеры обладают высокой степенью монохроматичности, высокой степенью направленности и поляризованности излучения при значительной его интенсивности и яркости, высокой степенью временной и пространственной когерентности, могут перестраиваться по длинам волн, могут излучать световые импульсы рекордно короткой длительности, в отличие от тепловых источников света .

В течение всего времени развития лазерных технологий был создан большой перечень лазеров и лазерных систем, удовлетворяющих своими характеристиками потребности лазерной технологии, в том числе биотехнологии. В силу того, что сложность устройства биологических систем, существенное разнообразие в характере их взаимодействия со светом определяют необходимость использования многих видов лазерных установок в фотобиологии, а также стимулируют разработку новых лазерных средств, в том числе и средства доставки лазерного излучения к объекту исследования или воздействия.

Как и обычный свет, лазерное излучение, отражается, поглощается, переизлучается и рассеивается биологической средой. Все из перечисленных процессов несут информацию о микро и макроструктуре объекта, движении и форме отдельных его частей.

Монохроматичность представляет собой высокую спектральную плотность мощности лазерного излучения, или существенную временную когерентность излучения, обеспечивает: проведение спектрального анализа с разрешением, на несколько порядков превышающим разрешение традиционных спектрометров; высокую степень селективности возбуждения определённого сорта молекул в их смеси, что существенно для биотехнологий; реализацию интерферометрических и голографических способов диагностирования биообъектов.

В силу того, что лазерные лучи практически параллельны, то с увеличением расстояния световой пучок незначительно увеличивается в диаметре. Перечисленные свойства лазерного луча позволяет избирательно воздействовать на разные участки биологической ткани, создавая в малом пятне большую плотность энергии или мощности.

Лазерные установки делятся на следующие группы:

1) Лазеры с высокой мощностью на неодиме, оксиде углерода, углекислом газе, аргоне, рубине, парах металлов и др.;

2) Лазеры, с низкоэнергетическим излучением (гелий-кадмиевые, гелий-неоновые, на азоте, на красителях и др.), которые не оказывают ярко выраженного теплового воздействия на ткани организма.

В настоящее время существуют лазерные системы, генерирующие излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Биологические эффекты, вызванные лазерным излучением зависят от длины волны и дозы светового излучения.

В офтальмологии зачастую используют: эксимерный лазер (с длиной волны 193 нм); аргоновый (488 нм и 514 нм); криптоновый (568 нм и 647 нм); гелий-неоновый лазер (630 нм); диодный (810 нм); ND:YAG-лазер с удвоением частоты (532 нм), а также генерирующий на длине волны 1,06 мкм; 10-углекислотный лазер (10,6 мкм). Область применения лазерного излучения в офтальмологии определяет длина волны .

Свои названия лазерные установки получают в соответствии с активной средой, и более развернутая классификация содержит твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные лазеры и другие. Перечень твердотельных лазеров включает в себя: неодимовый, рубиновый, александритовый, эрбиевый, гольмиевый; к газовым относятся: аргоновый, эксимерный, на парах меди; к жидкостным: лазеры, которые работают на растворах красителей и другие.

Революцию совершили появившиеся полупроводниковые лазеры по причине их экономичности за счет высокого КПД (до 60 - 80% в отличие от 10-30% при традиционных), малогабаритности и надежности. В то же время продолжают широко использоваться и другие виды лазеров.

Одним из важнейших свойств, для использования лазеров, является их особенность позволяющая формировать спекл-картину при отражении когерентного излучения от поверхности объекта. Свет, рассеянный поверхностью, состоит из хаотически расположенных светлых и тёмных пятен - спеклов. Спекл-картина формируется на основе сложной интерференции вторичных волн от незначительных рассеивающих центров, которые расположены на поверхности исследуемого объекта. Ввиду того, что исследуемые биологические объекты в подавляющем количестве имеют шероховатую поверхность и оптическую неоднородность, они всегда формируют спекл-картину и тем самым вносят искажения в конечные результаты исследования. В свою очередь, спекл-поле содержит информацию о свойствах исследуемой поверхности и приповерхностного слоя, что может быть использовано в диагностических целях.

В офтальмохирургии лазеры применяются в следующих направлениях:

В хирургии катаракты: для разрушения катарактального скопления на хрусталике и дисцизии задней капсулы хрусталика при ее помутнении в послеоперационном периоде;

В хирургии глаукомы: при выполнении лазерной гониопунктуры, трабекулопластики, эксимерлазерного удаления глубоких слоев склерального лоскута, при проведении процедуры непроникающей глубокой склерэктомии;

В офтальмоонкохирургии: для удаления некоторых видов опухолей, расположенных внутри глаза.

Важнейшими свойствами, присущими лазерному излучению являются: монохроматичность, когерентность, направленность, поляризация.

Когерентность (от латинского cohaerens находящийся в связи, связанный) - согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации; свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Когерентными колебания будут называться, если разность их фаз остается постоянной на протяжении временного отрезка и при суммировании колебаний получается колебание той же частоты. Простейший пример двух когерентных колебаний --два синусоидальных колебания одинаковой частоты .

Когерентность волны подразумевает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, другими словами разность фаз между двумя точками не связана со временем. Отсутствие когерентности означает, что разность фаз между двумя точками не постоянна, следовательно меняется с течением временем. Данная ситуация возникает, в том случае, если волна будет сгенерирована не единым источником излучения, а группой одинаковых, но независимых друг от друга излучателей.

Зачастую простые источники излучают некогерентные колебания, в свою очередь лазеры - когерентное. В силу данного свойства лазерное излучение максимально фокусируется, оно имеет способность к интерференции, менее подвержено расходимости, иимеет возможность получения большей плотности энергии пятна.

Монохроматичность (греч. monos - один, единственный + chroma - цвет, краска) - излучение одной определенной частоты или длины волны. Излучение условно можно принимать за монохроматическое, если оно относится к диапазону спектра 3-5 нм. Если в системе существует только один разрешённый электронный переход из возбуждённого в основное состояние, то создается монохроматическое излучение.

Поляризация - симметричность в распределении направления вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне касаемо направления ее распространения. Волна будет называться поляризованной, в том случае, если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Неполяризованной - если изменения происходят хаотично. В продольной волне возникновени поляризации не возможно, так как возмущения в данном типе волн всегда совпадают с направлением распространения. Лазерное излучение является высокополяризованным светом (от 75 до 100 %).

Направленность (одно из наиболее важных свойств лазерного излучения) - способность излучения выходить из лазера в виде светового луча с очень низкой расходимостью. Данная черта является простейшим следствием из того, что активная среда размещена в резонаторе (например плоскопараллельный резонатор). В таком резонаторе поддерживаются только электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оси резонатора или в непосредственной близости к ней.

Главными характеристиками лазерного излучения: длина волны, частота, энергетические параметры. Данные характеристики являются биотропными, то есть определяют действие излучения на биообъекты.

Длина волны (л ) представляет собой наименьшее расстояние между двумя соседними колеблющимися точками одной волны. Зачастую в медицине длину волны указывают в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм). В зависимости от длины волны изменяется коэффициент отражения, глубина проникновения в ткани организма, поглощение и биологическое действие лазерного излучения.

Частота характеризует число колебаний, совершаемых за единицу времени, и является величиной обратной длине волны. Как правило, выражается в герцах (Гц). С возрастанием частоты увеличивается энергия кванта света. Различают: собственную частоту излучения (для отдельно взятого генератора лазерных колебаний неизменна); частоту модуляции (в медицинских лазерных установках может изменяться от 1 до 1000 Гц). Также высокую важность несут энергетические параметры лазерного облучения.

Принято выделять три основные физические характеристики дозирования: мощность излучения, энергия (доза) и плотность дозы.

Мощность излучения (потокизлучения, поток лучистой энергии, Р ) -представляет собой полную энергию, которая переносится светом в единицу времени сквозь данную поверхность; средняя мощность электромагнитного излучения, которая переносится через какую-либо поверхность. Как правило, измеряется в Вт или кратных величинах.

Энергетическая экспозиция (доза излучения, H ) - это энергетическая облученность лазером за определенный промежуток времени; мощность электромагнитной волны, которая излучается за единицу времени. Измеряется в [Дж] или [Вт * с]. Способность совершать работу является физическим смыслом энергии. Это характерно в том случае, когда работа вносит изменения в ткани фотонами. Биологический эффект светового облучения характеризует энергия. При этом возникает тот же биологический эффект (например загар), как и в случае с солнечным светом, можно достигнуть при невысокой мощности и длительности экспозиции или высокой мощности и небольшой экспозиции. Полученные эффекты будут идентичны, при одинаковой дозе .

Плотность дозы «D» - энергия, полученная на единицу площади воздействия. Единица измерения в СИ - [Дж/м 2 ]. Также используется представление в единицах Дж/см 2 , в силу того, что площади, на которые происходит воздействие, обычно исчисляются квадратными сантиметрами.

Колебательная система лазера содержит активную среду, поэтому спектр лазерного излучения должен определяться как спектральными свойствами среды, так и частотными свойствами резонатора. Рассмотрим образование спектра излучения в случаях неоднородного иоднородногоуширенияспектральнойлиниисреды.

Спектр излучения при неоднородном уширении спектральной; линии. Рассмотрим случай, когда форма спектральной линии среды в основном определяется эффектом Доплера, а взаимодействием частиц среды можно пренебречь. Доплеровское уширение спектральной линии является неоднородным (см. § 12.2 ).

На рис. 15.10, а изображена частотная характеристика резонатора, а на рис. 15.10,б показан контур спектральной линии среды. Обычно ширина спектральной линии при доплеровском уширении∆ ν=∆ νД много больше интервала∆ νq между частотами соседних мод резонатора. Величина∆ νq , определяемая формулой(15.2) , например, при длине резонатораL =0,5 м составит 300 МГц, тогда как ширина спектральной линии вследствие эффекта Доплера∆ νД в соответствие с формулой(12.31) может быть около 1 ГГц. В этом примере в пределах ширины спектральной линии среды∆ ν≈∆ νД ; размещаются три продольных моды. При большей длине резонатора число мод в пределах ширины линии возрастает, так как уменьшаетсяинтервалчастот∆ νq соседнихмод.

Доплеровское уширение является неоднородным, т. е. спонтанное излучение в выбранном интервале частот, меньшем ∆ νД , создается определенной группой частиц, а не всеми

частицами среды. Предположим, что естественная ширина спектральной линии частицы значительно меньше разности частот соседних мод (например, естественная ширина линии

неона близка к 16 МГц). Тогда частицы, возбуждающие своим спонтанным излучением некоторуюмоду, не будут вызывать возбуждения других мод.

Для определения спектра излучения лазера воспользуемся частотной зависимостью показателя поглощения æ , в законе Бугера(12.50) . Этот показатель пропорционален разности населенностей верхнего и нижнего уровней перехода. В среде без инверсной населенностиæ >0 и характеризует поглощение энергии электромагнитного поля. При наличии инверсииæ <0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления активной средыæ а (æ а =|æ |).

Частотная зависимость показателя усиления æ a (ν) в соответствие с формулой(12.44) совпадает с формой спектральной линии среды, когда населенности уровней постоянны или изменяются незначительно в результате вынужденных переходов. Такое совпадение будет наблюдаться, если создана инверсия населенностей, а условия самовозбуждения лазера еще не выполнены (например, отсутствуют зеркала резонатора). На рис. 15.10,в пунктиром показана такая начальная частотная зависимость. При доплеровском уширении спектральной линии зависимость выражается гауссовой функцией и имеет ширину∆ νД как показано на рис. 15.10,б .

Предположим, что выполнены условия самовозбуждения. Тогда спонтанное излучение одной частицы будет вызывать вынужденные переходы других частиц, если частота спонтанного излучения последних лежит примерно в пределах естественной ширины спектральной линии возбуждающей частицы. Вследствие инверсии населенностей будут преобладать вынужденные переходы сверху вниз, т. е. населенность верхнего уровня должна уменьшаться, нижнего - увеличиваться, а показатель усиления æ а - убывать.

Поле в резонаторе максимально на резонансных частотах мод. На этих частотах будет наблюдаться наибольшее изменение населенностей уровней перехода. Поэтому на кривой æ а (ν) появятся провалы в окрестности резонансных частот (см. рис. 15.10,в ).

После выполнения условия самовозбуждения глубина провала на резонансных частотах увеличивается, пока не наступит режим; стационарных колебаний, при котором показатель усиления станет равным показателю потерь α в соответствие с условием (15.13) . Ширина каждого провала приблизительно равна естественной ширине линии частиц, если мощность, генерируемая на рассматриваемой частоте, мала. Чем больше мощность, а следовательно, и объемная плотность энергии поля, влияющая на число вынужденных переходов, тем шире провал. При малой мощности показатель усиления в пределах одного провала не зависит от показателя усиления в пределах другого провала, так как провалы не перекрываются вследствие сделанного вначале предположения о том, что естественная ширина линии меньше расстояния между резонансными частотами. Колебания на этих частотах можно считать независимыми. На рис. 15.10,г показано, что спектр излучения лазера содержит три линии излучения, соответствующие трем продольным модам резонатора. Мощность излучения каждой моды зависит от разности между исходным и стационарным значениями показателя усиления,

как в формуле (15.21) , т. е. определяется глубиной соответствующих провалов на рис. 15.10,в . Ширину каждой линии излучения δν определим в конце параграфа, а сейчас обсудим влияние мощности накачки на число генерируемых мод при заданных потерях.

Если мощность накачки настолько мала, что максимальное значение показателя усиления среды (кривая 1 на рис. 15.11 ,б ) не достигает порогового значения, равного α, то не возбуждается ни одна из мод, определяемых частотной характеристикой резонатора (рис, 15.11,а ). Кривая 2 соответствует большей мощности накачки, обеспечивающей превышение над пороговым значением для центральной частоты спектральной линии среды ν0 . Этому случаю соответствует один провал на рис. 15.11,в и генерация одной продольной моды (рис. 15.11,г ). Дальнейшее увеличение мощности накачки обеспечит выполнение условий самовозбуждения для других мод (кривая3). Соответственно провалы в кривой показателя и спектр излучения будут изображаться, как на рис. 15.10,в иг.

Спектр излучения при однородномуширении спектральнойлинии. Однородное уширение спектральной линии наблюдается в случае, когда основной причиной уширения является столкновение | (или взаимодействие) частиц среды (§ 12.2) .

Предположим, как и в случае неоднородного уширения, что в пределы спектральной линии среды попадает несколько собственных частот резонатора. На рис. 15.12,а показана частотная характеристика резонатора с указанием частоты и ширины резонансных кривых каждой моды∆ νp . Кривая 1 на рис. 15.12,б изображает частотную зависимость показателя усиления среды с инверсией населенности перед самовозбуждением лазера.

Спектральная линия каждой частицы и всей среды при однородном уширении совпадают, поэтому спонтанноеизлучениелюбойчастицы может вызвать вынужденные

переходы остальных частиц. Следовательно, при вынужденных переходах в указанной среде с инверсией населенности частотная зависимость æ а при генерации (кривая2) останется по форме такой же, как до генерации (кривая 1), но расположится ниже ее. Провалы, наблюдавшиеся при неоднородном уширении линии (см. рис. 15.11,в ), здесь отсутствуют, так как теперь в создании мощности излучения лазера участвуютвсечастицысреды.

На рис. 15.12,б условия самовозбужденияæ а >α выполнены для трех мод с частотами νq-1 , νq =ν0 и νq+1 . Однако на центральной частоте спектральной линии ν0 показатель усиления за одно прохождение излучения через активную среду максимален. В результате большего числа прохождений основной вклад в мощность излучения будет давать мода с центральной частотой.

Таким образом, в лазерах с однородным уширением спектральной линии среды возможно получение одночастотного режима с большой мощностью (рис. 15.12,в ), так как в отличие от случая неоднородного уширения для получения этого режима не требуется снижения мощности накачки.

Монохроматичность излучения лазера . Генерация колебаний в любых квантовых приборах начинается со спонтанного излучения, частотная зависимость интенсивности которого характеризуется спектральной линией среды. Однако в оптическом диапазоне ширина спектральной линии среды значительно больше ширины резонансных кривых∆ νp пассивного (без активной среды) резонатора вследствие большой добротностиQ последнего. Значение∆ νP =ν0 /Q , где ν0 - резонансная частота. При наличии в резонаторе активной среды происходит компенсация потерь (регенеративный эффект), что эквивалентно увеличению добротности и уменьшению ширины резонансной кривой∆ νp до величиныδ ν.

В случае генерации одной моды с частотой ν0 ширина линии лазерного излучения может быть оценена по формуле

где Р - мощность излучения. Рост мощности излучения соответствует большей

компенсации потерь, росту добротности и уменьшению ширины линии излучения. Если ∆ νp =l МГц, ν0 =5·1014 Гц,Р =1 мВт, то δ νтеор ≈ 10-2 Гц, а отношениеδ νтеор /ν 0 ≈2·10-17 . Таким образом, теоретическое значение ширины линии излучения оказывается чрезвычайно

малым, на много порядков меньше ширины резонансных кривых ∆ νp . Однако в реальных условиях из-за акустических воздействий и колебаний температуры наблюдается нестабильность размеров резонатора, приводящая к нестабильности собственных частот резонатора и, следовательно, частот линий лазерного излучения. Поэтому реальная (техническая) ширина линии излучения, учитывающая эту нестабильность, может достигать δ ν=104 –105 Гц.

Степень монохроматичности излучения лазера можно оценивать по ширине линии лазерного излучения и по ширине огибающей спектра лазерного излучения, содержащего несколько линий излучения (см. рис. 15.10,г ). Пусть∆ ν=104 Гц, ν0 =5·1014 Гц, а ширина огибающей спектраδ o.c .=300 МГц. Тогда степень монохроматичности по одной линии составит δ ν/ν0 ≈ 2·10-11 , а по огибающей δ ν/ν0 ≈ 6·10-7 . Достоинством лазеров является высокая монохроматичность излучения, особенно по одной линии излучения, или в одночастотном режиме работы

§ 15.4. Когерентность, монохроматичность и направленность лазерного излучения

В применении к оптическим колебаниям когерентность характеризует связь (корреляцию) между фазами световых колебаний. Различают временную и пространственную когерентность, с которыми в лазерах связаны монохроматичности и направленности излучения.

В общем случае, когда исследуется корреляция полей излучения вдвух точках пространства соответственновмоментывремени, смещенные на некоторуювеличину τ, используется понятие функции взаимнойкогерентности

где r 1 иr 2 - радиус-вектор первой и второй точки;Е 1 (r 1 ,t+ τ ) иE* 2 (r 2 , t) - комплексное и комплексно-сопряженное значения напряженности поля в этих точках. Нормированная функция взаимной когерентности характеризует степень когерентности:

где I (r 1 ) и I (r 2 )-интенсивность излучения в выбранных точках. Модульγ 12 (τ ) изменяется от нуля до единицы. Приγ 12 τ =0 когерентность отсутствует, в случае |γ 12 (τ )|=l имеется полная когерентность

Временная когерентность и монохроматичность излучения. Временной когерентностью называют корреляцию между значениями поля в одной точке пространства в моменты времени, отличающиеся на некоторую величину τ . В этом случае радиус-векторы r 1 и r 2 в определении функции взаимной когерентности Г 12 (r 1 , r 2 , τ ) и функции γ 12 (τ ) оказываются равными, функция взаимной когерентности превращается в функцию автокорреляции, а нормированная функция - в функцию γ 11 (τ ), характеризующую степень временнойкогерентности.

Ранее отмечалось, что при спонтанных переходах атом излучает цуги колебаний, которые не связаны друг с другом (рис. 15.13 ). Корреляция колебаний в одной точке пространства будет наблюдаться только в интервале времени, меньшем длительности цуга. Этот интервал называютвременем когерентности, и его принимают равным времени жизни по спонтанным переходам т. Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называютдлиной когерентности £ . Приτ ≈ 10-8 с£ =c τ =300 см. Длина когерентности может быть выражена и черезширинуспектральнойлинии∆ ν. Так как∆ ν≈ 1/τ , то£ ≈ c /∆ ν.

Временная когерентность и монохроматичность связаны между собой. Количественно монохроматичность определяется степенью монохроматичности ∆ ν/ ν0 (см.§ 15.3 ). Чем выше степень временной когерентности, т. е. чем больше время когерентности, тем меньше частотный спектр∆ ν, занимаемый излучением, и лучше монохроматичность. В пределе при полной временнойкогерентности(τ →∞ ) излучениесталобы полностьюмонохроматичным(∆ ν→0).

Рассмотрим временную когерентность лазерного излучения. Предположим, что некоторая частица активной среды излучила квант, который представим в виде цуга колебаний (см. рис. 15.13). При взаимодействии цуга с другой частицей появится новый цуг, фаза колебаний которого из-за природы вынужденных переходов совпадает с фазой колебаний исходного цуга. Этот процесс многократно повторяется, при этом корреляция фазы сохраняется. Результирующее колебание можно рассматривать как цуг с длительностью значительно большей длительностиτ исходного цуга. Таким образом, происходит увеличение времени когерентности, т. е. улучшаетсявременная когерентностьимонохроматичностьизлучения.

В связи с этим рассмотрением становится очевидным, что оптический резонатор повышает временную когерентность лазерного излучения, так как он обеспечивает многократное прохождение цугов через активную среду. Последнее эквивалентно увеличению времени жизни излучателей, повышению временной когерентности и уменьшению ширины линии

Пространственная когерентность и направленность излучения, Пространственной когерентностью называют корреляцию между значениями поля в двух точках пространства в один и тот же момент времени. В этом случае в формулы для функции взаимной когерентности Г 12 (r 1 ,r 2 , τ ) и нормированной функции когерентности γ 12 (τ ) следует подставлять τ =0. Функция γ 12 (0) характеризуетстепеньпространственнойкогерентности.

Излучение точечного источника всегда пространственно-когерентно. Степень пространственной когерентности протяженного источника зависит от его размеров и от расстояния между ним и точками наблюдения. Из оптики известно, что чем больше размер источника, тем меньше угол, в пределах которого излучение можно считать пространственно-когерентным. Световая волна, обладающая наилучшей пространственной когерентностью, должна иметь плоскийфронт.

В лазерах излучение имеет высокую направленность (плоский фронт), определяемую свойствами оптического резонатора. Условие самовозбуждения выполняется только для определенного направления в резонаторе для оптической оси или направлений, близких к нему. В результате очень большого числа отражений от зеркал излучение проходит большой путь, что эквивалентно увеличению расстояния между источником и точкой наблюдения. Этот путь соответствует длине когерентности и может составлять десятки километров у газовых лазеров. Высокая направленность излучения лазеров определяет и высокую пространственную когерентность. Существенно, что эффект увеличения расстояния в лазере сопровождается увеличением мощности излучения из-за его усиления в активной среде, тогда как в обычных источниках улучшение пространственной когерентности связано с потерей интенсивности света.

Высокая степень временной когерентности излучения определяет применение лазеров в системах передачи информации, измерения расстояний и угловых скоростей, в квантовых стандартах частоты. Высокая степень пространственной когерентности (направленности) позволяет эффективно передавать световую энергию и фокусировать световой поток в пятно очень малого размера, сравнимого с длиной волны. Это позволяет получить громадные значения плотности энергии, напряженности поля и светового давления, необходимые для научных исследований и различных технических применений.

Внимание! Меры предосторожности :

Не направляйте лазерное излучение в глаза! Прямое попадание в глаза лазерного излучения опасно для зрения!

С разрешения руководителя работ включите лазер и установите экран и решётку так, чтобы дифракционная картина была наиболее чёткой.

Изменяя расстояние L , посмотрите, как это влияет на положение максимумов. Опишите и зарисуйте то, что Вы наблюдали.

Установите дифракционную решётку на определённом расстоянии L от щели и измерьте расстояния l 1 и l 2 (см. рис. 9.3) для максимумов первого порядка. Вычислите длину волны излучения лазера. Оцените абсолютную и относительную погрешности измерения, запишите результат для длины волны лазера.

Задание 2. Определение длин волн некоторых цветов спектра

В этом задании источником света является лампа накаливания, дающая непрерывный спектр.

Измерения в задании 2 проводятся в соответствии с инструкцией на рабочем месте. Результаты измерений заносятся в табл. 9.1. Следует определить расстояния l 1 и l 2 для каждого цвета четыре раза: при двух значениях k и двух разных расстояниях L .

Таблица 9.1

Анализ и обработка результатов измерений

1. Опишите в отчёте наблюдаемый спектр, дайте объяснение тому, что максимумы имеют столь существенную ширину.

2. Заполните полностью табл. 9.1. Значение постоянной d получите на рабочем месте. Опишите в отчёте наблюдаемую Вами картину. Составьте таблицы обработки для каждого цвета и запишите конечный результат по общим правилам.

3. Сравните полученные Вами значения длин волн каждого цвета с приведёнными в табл.. П. …

Контрольные вопросы

1. Дайте определение: дифракции волн, принципа Гейгенса-Френеля, когерентности волн. Письменный ответ на этот вопрос необходимо включить в отчет.

2. Назовите составные части лабораторной установки и их назначение.

3. Какие величины измеряются в данной работе непосредственно? Какие вычисляются?

4. В чём заключается явление дифракции света? При каких условиях она наблюдается?

5. Что представляет собой дифракционная решётка и каковы её основные параметры?

6. Выведите формулу дифракционной решётки (9.3).

7. Дайте определение длины волны. Как она связана с частотой света?

8. В каком интервале длин волн лежит видимый свет?

9. Выведите и запишите расчётные формулы для определения длин волн видимого света с помощью дифракционной решетки.

10.Как зависит угол отклонения дифракционного максимума от длины волны и периода решётки?

11. В каком порядке от центрального максимума располагаются цвета дифракционных максимумов? Объясните наблюдаемый порядок цветов.

12.В чём отличие лазерного излучения от естественного света?

Работа № 10. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы : исследовать прохождение света через поляроиды, проверить закон Малюса, оценить качество поляроидов, исследовать поляризацию света, прошедшего сквозь несколько стеклянных пластин.

Оборудование : оптическая скамья, источник света, поляризатор в оправе, анализатор, совмещённый с фотоэлементом, набор стеклянных пластин, источник питания, микроамперметр.

Краткая теория

Из теории Максвелла следует, что световая волна является поперечной . Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колебания векторов и перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 10.1). Плоская монохроматическая волна, распространяющаяся в вакууме вдоль оси x , описывается уравнениями:

;	(10.1)
,	(10.2)

где и – текущие значения напряжённостей электрического и магнитного полей; и – амплитуды колебаний, w – частота колебаний, – начальная фаза колебаний.

При взаимодействии света с веществом переменное электрической поле воздействует на отрицательно заряженные электроны атомов и молекул этого вещества, в то время как действие со стороны магнитного поля на заряженные частицы незначительно. Поэтому в процессах распространения света главную роль играет вектор , и дальнейшем мы будем говорить только о нём.

Поляризация света наблюдается при прохождении света через анизотропные вещества. Основное свойство таких веществ заключается в том, что они могут пропускать только те световые волны, в которых векторы колеблются лишь в строго определённой плоскости, которую называют плоскостью колебаний . Плоскость, в которой локализовано магнитное поле, называется плоскостью поляризации . На рис. 10.1 плоскость колебаний вертикальна, а плоскость поляризации – горизонтальна.

Для получения и исследования поляризованного света чаще всего применяют поляроиды . Они изготавливаются из очень мелких кристаллов турмалина или геропатита (сернокислого йод-хинина), нанесённых на прозрачную плёнку или стекло. Однако есть и другие способы получения плоско-поляризованного света из естественного, например, при отражении от диэлектрика под определённым углом, зависящим от показателя преломления диэлектрика. Подробней этот способ будет рассмотрен ниже.

Проведём мысленно следующий опыт. Возьмем два поляроида и источник света (рис. 10.3). Первый поляроид называется поляризатором , т.к. он поляризует свет. Его плоскостью колебаний является плоскость ППс . После прохождения через поляризатор вектор будет колебаться только в этой плоскости. Вращая поляризатор вокруг направления светового пучка, мы не заметим никаких изменений в интенсивности прошедшего через него света. Подумайте почему? Анализ света на поляризацию делают с помощью второго поляроида, через который пропускают исследуемый свет. В этом случае второй поляроид называется анализатором , его плоскостью поляризации является плоскость ААс . Вращая анализатор, мы заметим, что интенсивность прошедшего сквозь него света будет максимальной, если плоскости ППс и ААс совпадают, и минимальной, если эти плоскости перпендикулярны. Если же эти плоскости составляют некоторый угол a (см. рис. 10.3), то интенсивность света за анализатором будет принимать промежуточное значение.

Найдем зависимость между углом a и интенсивностью I света, прошедшего сквозь оба поляроида. Обозначим амплитуду электрического вектора луча, прошедшего через поляризатор, буквой Е 0 . Плоскость колебаний анализатора ААс повёрнута относительно плоскости колебаний поляризатора ППс на угол a (см. рис. 10.4). Разложим вектор на составляющие: параллельную плоскости колебаний анализатора êê и перпендикулярную к ней ^ . Параллельная составляющая êê пройдёт через анализатор, а перпендикулярная ^ – нет.

Из рис. 10.4 следует, что амплитуда световой волны за анализатором

где S – площадь, по которой распределяется энергия; t – время. Поскольку энергия света – это совокупная энергия электрического и магнитного полей, то её величина пропорциональна квадратам напряжённостей этих полей:

Полученное равенство носит название закона Малюса : интенсивность света, прошедшего через анализатор, равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор, умноженной на квадрат косинуса угла между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.

Заметим, что свет, прошедший через поляризатор, станет не только плоско поляризованным, но и уменьшит свою интенсивность в два раза. Если интенсивность естественного света считать одинаковой во всех направлениях, перпендикулярных вектору скорости , то интенсивность света за поляризатором

где I max и I min – наибольшая и наименьшая интенсивности света за анализатором, соответствующие напряжённостям Е max и Е min на рис. 10.2, в.

Явление поляризации можно также наблюдать при отражении или преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. При этом в отражённом луче будут преобладать колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 10.5 они обозначены точками). Опытным путем было показано, что степень поляризации в отражённом луче зависит от величины угла падения, причём с возрастанием угла падения доля поляризованного света растёт, и при определённом его значении отражённый свет оказывается полностью поляризованным. Брюстер установил, что величина этого угла полной поляризации зависит от относительного показателя преломления и определяется соотношением:

Соотношение носит название закона Брюстера, а угол a Б называют углом Брюстера. При дальнейшем увеличении угла падения степень поляризации света снова уменьшается. Таким образом, при угле падения, равном углу Брюстера, отражённый свет линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Используя (10.9) и закон преломления, можно показать, что при падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи составляют 90°. Проверьте это!.

При падении света под углом Брюстера преломлённый луч также поляризуется. В преломлённом луче будут преобладать колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 10.5 они обозначены стрелками). Поляризация преломлённых лучей при этом угле падения будет максимальной, но далеко не полной. Если же подвергнуть преломлённые лучи второму, третьему и т.д. преломлению, то степень поляризации возрастёт. Поэтому для поляризации света можно использовать 8–10 пластинок (так называемая стопа Столетова). Прошедший через них свет окажется практически полностью поляризованным. Таким образом, эта стопа может служить поляризатором или анализатором. В нашей установке наборы из 2–12 пластин используются в качестве поляризатора.

Описание установки

Для исследования поляризации используется укреплённая на оптической скамье установка, схема которой приведена на рис. 10.6.

Цифрами на схеме обозначены: 1– лампа , 2 – съёмный поляризатор , 3 – поворотный столик , 4 – набор стеклянных пластин , надеваемых на штыри поворотного столика, 5 – анализатор , 6 – фотоэлемент , 7 – измеритель интенсивности света (ИИС), преобразующий энергию света в электрический сигнал; его показания пропорциональны световому потоку, падающему на фотоэлемент. Поворотный столик 3может вращаться вокруг вертикальной оси, тем самым можно изменять угол падения света на стеклянную пластину 4. Для измерения этого угла падения имеется специальная шкала. Положение столика фиксируется винтом. Анализатор 5может вращаться вокруг горизонтальной оси, стрелкой на нём указано положение плоскости поляризации. У анализатора имеется шкала 8, по которой определяется положение его плоскости поляризации (ААс ). На съёмном поляризаторе 2 также имеется вертикальная стрелка, которая показывает положение его плоскости поляризации ППс. Фотоэлемент, совмещенный с анализатором, также может вращаться вокруг вертикальной оси. Тем самым можно проводить измерения интенсивности света, отражённого от набора пластин 4.

Выполнение работы

Задание 1. Проверка закона Малюса

1. Установите съёмный поляризатор 2 (набор пластин 4 уберите).

2. Включите лампу. Поверните фотоэлемент-анализатор 6 так, чтобы на него попадал свет от лампы. Добейтесь симметричного расположения элементов установки относительно луча света.

3. Установите положение плоскости ААс по шкале 8 на 0°. Запишите показания измерителя 7 в табл. 10.1. Это будет интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор в относительных единицах. Повторите измерения, изменяя угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора от 0° до 360° через 10°, и также запишите их в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Задание 2. Исследование поляризации преломлённого света

1. Установите съёмную пластину с двумя стеклами (N = 2).

2. Установите угол падения света на пластину 56° (это угол Брюстера для стекла с показателем преломления n = 1,5).

3. Установите фотоэлемент для регистрации интенсивности прошедшего через пластины света согласно рис. 10.7 (максимальное значение показаний ИИС подтверждает хорошее попадание света на фотоэлемент).

4. Обратите внимание, что преломлённый свет поляризован в плоскости падения, поэтому максимальное значение интенсивности будет при положении ААс 90° по шкале 8 (вопросы 12, 13, 14). Измерьте интенсивность прошедшего через пластины света при двух положениях ААс : при 90° и при 0°. Запишите результаты измерений в табл. 10.2.

5. Аналогичные измерения проведите для N = 4, 7, 12 пластин. Запишите результаты измерений в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Похожая информация.

1.1. Виды спектров.

На первый взгляд лазерный пучок кажется очень простым по своей структуре. Это практически одночастотное излучение, имеющее спектрально чистый цвет: He-Ne лазер имеет излучение красного цвета (633 нм), кадмиевый лазер излучает синий цвет (440 нм, аргоновый лазер излучает несколько линий в сине-зеленой области спектра (488 нм, 514 нм и др.), полупроводниковый лазер - красное излучение (650 нм) и т.д. На самом деле спектр излучения лазера имеет довольно сложную структуру и определяется двумя параметрами - спектром излучения рабочего вещества (для He-Ne лазера, например, это красная спектральная линия излучения неона, возбужденного электрическим разрядом) и резонансными явлениями в оптическом резонаторе лазера.

Для сравнения, на рисунках справа приведены спектры излучения солнца (A) и обычной лампочки накаливания (B) (верхний рис.), спектр ртутной лампы (рис. справа) и сильно увеличенный спектр генерации He-Ne лазера (рис. внизу).

Спектр лампы накаливания, как и солнечный спектр, относится к непрерывным спектрам, которые полностью заполняет видимый спектральный диапазон электромагнитного излучения (400-700 нм). Спектр ртутной лампы относится к линейчатым спектрам, который так же заполняет весь видимый диапазон, но состоит из отдельных спектральных компонент различной интенсивности. Кстати, до появления лазеров монохроматическое излучение получали, выделяя отдельные спектральные компоненты излучения ртутной лампы.

1.2. Спектр излучения в He-Ne лазере.

Спектр излучения лазера является монохроматическим, т. е. имеет очень узкую спектральную ширину, но, как видно из рисунка, он так же имеет сложную структуру .

Процесс формирования лазерного спектра рассмотрим на основе хорошо изученного He-Ne лазера. Исторически это был первый лазер непрерывного действия, работающий в видимом диапазоне спектра. Он был создан А. Джаваном в 1960 г.

На рис. справа показаны энергетические уровни возбужденной смеси гелия и неона . Возбужденный атом гелия или неона - это атом, у которого один или несколько электронов внешней оболочки при столкновениях с электронами и ионами газового разряда переходят на более высокие энергетические уровни и в дальнейшем могут перейти на более низкий энергетический уровень или вернуться обратно, на нейтральный уровень, с испусканием светового кванта - фотона.

Возбуждение атомов производится электрическим током, проходящим через газовую смесь. Для He-Ne лазера это слаботоковый, тлеющий разряд (типичные токи разряда - 20-50 мА). Картина энергетических уровней и механизм излучения достаточно сложны даже для такого "классического" лазера, которым является He-Ne лазер, поэтому мы ограничимся рассмотрением только основных деталей этого процесса. Атомы гелия, возбужденные до уровня 2S при столкновениях с атомами неона передают им накопленную энергию, возбуждая их до уровня 5S (поэтому гелия в газовой смеси больше, чем неона). С уровня 5S электроны могут перейти на ряд более низких энергетических уровней. Нас интересует только переход 5S - 3P (оба уровня в действительности расщеплены на ряд подуровней из-за квантовой природы механизмов возбуждения и излучения). Длина волны излучения фотонов при этом переходе - 633 нм.

Отметим еще один важный факт, принципиально важный для получения когерентного излучения. При правильно подобранных пропорции гелия и неона, давлении смеси газов в трубке и величине разрядного тока электроны накапливаются на уровне 5S и их количество превышает количество электронов, находящихся на нижнем уровне 3P. Это явление называется инверсной заселенностью уровня. Однако, это пока еще не лазерное излучение. Это одна из спектральных линий в спектре излучения неона. Ширина спектральной линии зависит от нескольких причин, главные из которых: - конечная ширина энергетических уровней (5S и 3P), участвующих в излучении и определяемая квантовым принципом неопределенности, связанным со временем пребывания атомов неона в возбужденном состоянии, - уширение линии связанное с постоянным движением возбужденных частиц в разряде под воздействием электрического поля (так называемый эффект Доплера). С учетом этих факторов ширина линии (специалисты называют ее контуром рабочего перехода) равна примерно двум десятитысячным ангстрема. Для таких узких линий в расчетах удобнее использовать ее ширину в частотной области. Воспользуемся формулой перехода:

dn 1 =dl c/l 2 (1)

где dn 1 - ширина спектральной линии в частотной области, Гц, dl - ширина спектральной линии (0,000002 нм), l - длина волны спектральной линии (633нм), c - скорость света. Подставив все значения (в одной системе измерения), получим ширину линии 1,5 ГГц. Конечно, такую узкую линию можно считать вполне монохроматической по сравнению со всем спектром излучения неона, но назвать это когерентным излучением еще нельзя. Для получения когерентного излучения в лазере используется оптический резонатор (интерферометр).

1.3. Оптический резонатор лазера.

Оптический резонатор представляет собой два зеркала, находящихся на оптической оси и обращенных отражающими поверхностями друг к другу, рис. справа. Зеркала могут быть плоскими или сферическими. Плоские зеркала очень трудно юстировать и генерация лазерного излучения может быть нестабильной. Резонатор со сферическими зеркалами (конфокальный резонатор) гораздо стабильнее, но пучок лазера может быть неоднородным по сечению из-за сложного, многомодового состава излучения. На практике чаще всего используют полуконфокальный резонатор с задним сферическим и передним плоским зеркалом. Такой резонатор относительно стабилен и дает однородный (одномодовый) пучок.

Главным свойством любого резонатора является образование в нем стоячих электромагнитных волн. В случае He-Ne лазера стоячие волны образуются для излучения спектральной линии неона с длиной волны 633 нм. Этому способствует максимальный коэффициент отражения зеркал, подобранный как раз для этой длины волны. В лазерных резонаторах используются диэлектрические зеркала с многослойным напылением, позволяющим получить коэффициент отражения 99% и выше. Как известно, условие образования стоячих волн заключается в том, что расстояние между зеркалами должно быть равно целому числу полуволн:

nl =2L (2)

где n - целое число или порядок интерференции, l - длина волны излучения внутри интерферометра, L - расстояние между зеркалами.

Из условия резонанса (2) можно получить расстояние между резонансными частотами dn 2:

dn 2 =c/2L (3)

Для полутораметрового резонатора газового лазера (He-Ne лазер ЛГН-220) эта величина составляет примерно 100 МГц. Только излучение с таким частотным периодом может многократно отражаться от зеркал резонатора и усиливаться по мере прохождения через инверсную среду - возбужденную электрическим разрядом смесь гелия и неона. Причем, что чрезвычайно важно, при прохождении этого излучения вдоль резонатора, его фазовая структура не изменяется, что приводит к когерентным свойствам усиленного излучения. Этому способствует инверсная заселенность уровня 5S, о которой говорилось выше. Электрон с верхнего уровня переходит на нижний синхронно с фотоном, инициирующим этот переход, поэтому фазовые параметры волн, соответствующих обоим фотонам одинаковы. Такая генерация когерентного излучения происходит по всему пути излучения внутри резонатора. Кроме того, резонансные явления приводят к гораздо большему сужению линии излучения, в результате чего наибольшее усиление получается в центре резонансного пика.
Через определенное число проходов интенсивность когерентного излучения становится настолько высокой, что превышает естественные потери в резонаторе (рассеяние в активной среде, потери на зеркалах, дифракционный потери и т.д.) и часть его выходит за пределы резонатора. Для этого выходное, плоское зеркало сделано с немного меньшим коэффициентом отражения (99,6-99,7%). В результате спектр генерации лазера имеет вид, показанный на третьем рис. сверху. Число спектральных компонент обычно не превышает десяти.

Просуммируем еще раз все факторы, определяющие частотные характеристики излучения лазера. Прежде всего, рабочий переход характеризуется естественной шириной контура. В реальных условиях за счет различных факторов контур уширяется. В пределах уширенной линии размещаются резонансные линии интерферометра, число которых определяется шириной контура перехода и расстоянием между соседними пиками. Наконец, в центре пиков располагаются чрезвычайно узкие спектральные линии излучения лазера, которые и определяют спектр выходного излучения лазера.

1.4. Когерентность лазерного излучения.

Уточним, какую длину когерентности обеспечивает излучение He-Ne лазера. Воспользуемся формулой, предложенной в работе :

по мере прохождения через инверсную среду - возбужденную электрическим разрядом смесь гелия и неона. Причем, что чрезвычайно важно, при прохождении этого излучения вдоль резонатора, его фазовая структура не изменяется, что приводит к когерентным свойствам усиленного излучения. Этому способствует инверсная заселенность уровня 5S, о которой говорилось выше. Электрон с верхнего уровня переходит на нижний синхронно с фотоном, инициирующим этот переход, поэтому фазовые параметры волн, соответствующих обоим фотонам одинаковы. Такая генерация когерентного излучения происходит по всему пути излучения внутри резонатора. Кроме того, резонансные явления приводят к гораздо большему сужению линии излучения, в результате чего наибольшее усиление получается в центре резонансного пика.

dt =dn -1 (4)

где dt - время когерентности, представляющее собой верхний предел временного интервала, на котором амплитуда и фаза монохроматической волны являются постоянными. Перейдем к привычной для нас длине когерентности l, с помощью которой легко оценивать глубину записываемой на голограмме сцены:

l=c/dn (5)

Подставляя данные в формулу (5), в т.ч., полную ширину спектра dn 1 = 1,5 ГГц, получим длину когерентности 20 см. Это довольно близко к реальной длине когерентности He-Ne лазера, имеющего неизбежных потери излучения в резонаторе. Измерения длины когерентности с помощью интерферометра Майкельсона дают величину 15-17 см (на уровне 50%-го уменьшения амплитуды интерференционной картины). Интересно оценить длину когерентности отдельной спектральной компоненты, выделенной резонатором лазера. Ширина резонансного пика интерферометра dn 3 (см. третий сверху рис.) определяется его добротностью и равна примерно 0,5 МГц. Но, как говорилось выше, резонансные явления приводят к еще большему сужению лазерной спектральной линии dn 4 , формирующейся вблизи центра резонансного пика интерферометра (третий сверху рис.). Теоретический расчет дает ширину линии восемь тысячных герца! Однако эта величина не имеет большого практического смысла, так как для длительного существования такой узкой спектральной компоненты необходимы значения механической стабильности резонатора, теплового дрейфа и других параметров, которые абсолютно невозможны в реальных условиях эксплуатации лазера. Поэтому мы ограничимся шириной резонансного пика интерферометра. Для ширины спектра 0,5 МГц длина когерентности, рассчитанная по формуле (5) равна 600 м. Это тоже очень неплохо. Остается только выделить одну спектральную компоненту, оценить ее мощность и удержать ее на одном месте. Если же она за время экспонирования голограммы "пройдется" по всему рабочему контуру (по причине, например, температурной нестабильности резонатора), мы опять получим те же 20 см когерентности.

1.5. Спектр генерации ионного лазера.

Расскажем коротко о спектре генерации другого газового лазера - аргонового. Этот лазер, как и криптоновый, относится к ионным лазерам, т.е. в процессе генерации когерентного излучения участвуют уже не атомы аргона, а их ионы, т. е. атомы, один или несколько электронов внешней оболочки которого оторваны под воздействием мощного дугового разряда, который проходит через активное вещество. Ток разряда достигает нескольких десятков ампер, электрическая мощность блока питания - несколько десятков киловатт. Необходимо обязательное интенсивное водяное охлаждение активного элемента, иначе произойдет его тепловое разрушение. Естественно, в таких жестких условиях картина возбуждения атомов аргона еще более сложная. Возникает генерация сразу нескольких лазерных спектральных линиях, ширина рабочего контура каждой из них существенно больше ширины контура линии He-Ne лазера и составляет несколько гигагерц. Соответственно, длина когерентности лазера уменьшается до нескольких сантиметров. Для записи голограмм большого формата необходима частотная селекция спектра генерации, о чем пойдет речь во второй части этой статьи.

1.6. Спектр генерации полупроводникового лазера.

Перейдем к рассмотрению спектра генерации полупроводникового лазера, представляющего большой интерес для процесса обучения голографии и для начинающих голографистов. Исторически первыми были разработаны инжекционные полупроводниковые лазеры на основе арсенида галия, рис. справа.

Так как его конструкция достаточно проста, рассмотрим принцип работы полупроводникового лазера на его примере. Активным веществом, в котором происходит генерация излучения, является монокристалл арсенида галия, имеющий форму параллепипеда со сторонами длиной несколько сотен микрон. Две боковые грани делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. За счет большого показателя преломления (n = 3,6), на границе кристалл-воздух получается достаточно большой коэффициент отражения (около 35%), что достаточно для получения генерации когерентного излучения без дополнительного напыления отражающих зеркал. Две другие грани кристалла скошены под некоторым углом; через них индуцированное излучение не выходит. Генерация когерентного излучения происходит в p-n переходе, который создается путем диффузии акцепторных примесей (Zn, Cd и др.) в область кристалла, легированную донорными примесями (Te, Se и др.). Толщина активной области в перпендикулярном к p-n переходу направлении составляет около 1 мкм. К сожалению, в такой конструкции полупроводникового лазера пороговая плотность тока накачки оказывается достаточно большой (около 100 тыс. ампер на 1 кв.см.). Поэтому этот лазер мгновенно разрушается при работе в непрерывном режиме при комнатной температуре и требует сильного охлаждения. Лазер стабильно работает при температуре жидкого азота (77 K) или гелия (4,2K).

Современные полупроводниковые лазеры делают на базе двойных гетеропереходов, рис. справа. В такой структуре пороговую плотность тока удалось уменьшить на два порядка, до 1000 А/см. кв. При такой плотности тока возможна стабильная работа полупроводникового лазера и при комнатной температуре. Первые образцы лазеров работали в инфракрасном диапазоне (850 нм). При дальнейшем совершенствовании технологии формирования полупроводниковых слоев, появились лазеры как с увеличенной длиной волны (1.3 - 1,6 мкм) для оптоволоконных линий связи, так и с генерацией излучения в видимой области (650 нм). Уже существуют лазеры, излучающие в синей области спектра. Большим преимуществом полупроводниковых лазеров является их высокий КПД (соотношение энергии излучения к электрической энергии накачки), которое доходит до 70%. Для газовых лазеров, как для атомарных, так и ионных, КПД не превышает 0,1%.

В связи со спецификой процесса генерации излучения в полупроводниковом лазере, ширина спектра излучения гораздо больше ширины спектра He-Ne лазера, рис. справа.

Ширина рабочего контура составляет около 4 нм. Число спектральных гармоник может достигать нескольких десятков. Это накладывает серьезное ограничение на длину когерентности лазера. Если воспользоваться формулами (1), (5), теоретическая длина когерентности составит всего 0,1 мм. Однако, как показали прямые измерения длины когерентности на интерферометре Майкельсона и запись отражающих голограмм, реальная длина когерентности полупроводниковых лазеров доходит до 4-5 см. Это говорит о том, что реальный спектр генерации полупроводникового лазера не так богат гармониками и имеет не такую большую ширину контура рабочего перехода, как предсказывает теория. Однако, справедливости ради, стоит заметить, что степень когерентности излучения полупроводниковых лазеров сильно меняется как от образца к образцу, так и от режима его работы (величина тока накачки, условия охлаждения и т.д.