Color de radiación láser y material medio activo. ¿Qué son X, K, Ka, bandas láser, qué es POP?

Los láseres se están convirtiendo en herramientas de investigación cada vez más importantes en medicina, física, química, geología, biología e ingeniería. Si se usan incorrectamente, pueden causar ceguera y lesiones (incluidas quemaduras y descargas eléctricas) a los operadores y demás personal, incluidos los transeúntes en el laboratorio, así como daños importantes a la propiedad. Los usuarios de estos dispositivos deben comprender y aplicar completamente las precauciones de seguridad necesarias al manipularlos.

¿Qué es un láser?

La palabra "láser" (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) es una abreviatura que significa "amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación". La frecuencia de la radiación generada por el láser está dentro o cerca de la parte visible. espectro electromagnético. La energía se amplifica a una intensidad extremadamente alta mediante un proceso llamado emisión inducida por láser.

El término "radiación" a menudo se malinterpreta porque también se utiliza para describir B en este contexto significa la transferencia de energía. La energía se transfiere de un lugar a otro mediante conducción, convección y radiación.

Hay muchos varios tipos láseres que operan en diferentes ambientes. Como medio de trabajo se utilizan gases (por ejemplo, argón o una mezcla de helio y neón), cristales duros(por ejemplo, rubí) o tintes líquidos. Cuando se suministra energía al medio de trabajo, éste se excita y libera energía en forma de partículas de luz (fotones).

Un par de espejos en cada extremo de un tubo sellado reflejan o transmiten luz en una corriente concentrada llamada rayo láser. Cada entorno operativo produce un haz de longitud de onda y color únicos.

El color de la luz láser normalmente se expresa mediante la longitud de onda. No es ionizante e incluye partes del espectro ultravioleta (100-400 nm), visible (400-700 nm) e infrarrojo (700 nm - 1 mm).

Espectro electromagnético

Cada onda electromagnética tiene una frecuencia y longitud únicas asociadas con este parámetro. Así como la luz roja tiene su propia frecuencia y longitud de onda, todos los demás colores (naranja, amarillo, verde y azul) tienen frecuencias y longitudes de onda únicas. Los humanos somos capaces de percibir estas ondas electromagnéticas, pero no podemos ver el resto del espectro.

La radiación ultravioleta también tiene la frecuencia más alta. Los infrarrojos, la radiación de microondas y las ondas de radio ocupan bajas frecuencias espectro La luz visible se encuentra en un rango muy estrecho entre ambos.

impacto en los humanos

El láser produce un haz de luz intenso y dirigido. Si se dirige, refleja o enfoca hacia un objeto, el haz será parcialmente absorbido, elevando la temperatura de la superficie y el interior del objeto, lo que puede provocar que el material cambie o se deforme. Estas cualidades, que se utilizan en la cirugía láser y en el procesamiento de materiales, pueden ser peligrosas para el tejido humano.

Además de la radiación que tiene un efecto térmico sobre los tejidos, la radiación láser que produce un efecto fotoquímico es peligrosa. Su condición es una parte suficientemente corta, es decir, ultravioleta o azul del espectro. Los dispositivos modernos producen radiación láser, cuyo impacto en los humanos se minimiza. Los láseres de baja potencia no tienen suficiente energía para causar daño y no representan ningún peligro.

El tejido humano es sensible a la energía y, en determinadas circunstancias, la radiación electromagnética, incluida la radiación láser, puede provocar daños en los ojos y la piel. Se han realizado estudios sobre los niveles umbral de radiación traumática.

Peligro para los ojos

El ojo humano es más susceptible a sufrir lesiones que la piel. La córnea (la superficie frontal exterior transparente del ojo), a diferencia de la dermis, no tiene una capa exterior de células muertas que la proteja de las influencias ambientales. El láser es absorbido por la córnea del ojo, lo que puede dañarlo. La lesión se acompaña de hinchazón del epitelio y erosión y, en caso de lesiones graves, opacidad de la cámara anterior.

El cristalino del ojo también puede ser susceptible de sufrir lesiones cuando se expone a diversas radiaciones láser: infrarrojas y ultravioleta.

Sin embargo, el mayor peligro es el impacto del láser sobre la retina en la parte visible del espectro óptico, desde 400 nm (violeta) hasta 1400 nm (infrarrojo cercano). Dentro de esta región del espectro, los haces colimados se enfocan en áreas muy pequeñas de la retina. El impacto más desfavorable se produce cuando el ojo mira a lo lejos y es alcanzado por un rayo directo o reflejado. En este caso, su concentración en la retina alcanza 100.000 veces.

Así, un haz visible con una potencia de 10 mW/cm 2 incide en la retina con una potencia de 1000 W/cm 2. Esto es más que suficiente para causar daño. Si el ojo no mira a lo lejos, o si el haz se refleja de forma difusa, superficie del espejo, provoca muchas más lesiones poderosa radiación. Exposición al láser No hay efecto de enfoque en la piel, por lo que es mucho menos susceptible a sufrir lesiones con estas longitudes de onda.

Rayos X

Algunos sistemas de alto voltaje con voltajes superiores a 15 kV pueden generar Rayos X potencia significativa: radiación láser, cuyas fuentes son potentes con bombeo electrónico, así como sistemas de plasma y fuentes de iones. Estos dispositivos deben probarse para garantizar un blindaje adecuado, entre otras cosas.

Clasificación

Dependiendo de la potencia o energía del haz y de la longitud de onda de la radiación, los láseres se dividen en varias clases. La clasificación se basa en el potencial del dispositivo de causar lesiones inmediatas a los ojos, la piel o fuego cuando se expone directamente al haz o cuando se refleja en superficies reflectantes difusas. Todos los láseres comerciales deben identificarse mediante marcas que se les aplican. Si el dispositivo fuera de fabricación casera o no estuviera marcado, se deberá obtener asesoramiento sobre su clasificación y etiquetado adecuados. Los láseres se distinguen por su potencia, longitud de onda y duración de exposición.

Dispositivos seguros

Los dispositivos de primera clase generan radiación láser de baja intensidad. no puede alcanzar nivel peligroso, por lo que las fuentes están exentas de la mayoría de los controles u otras formas de vigilancia. Ejemplo: impresoras láser y reproductores de CD.

Dispositivos condicionalmente seguros

Los láseres de segunda clase emiten en la parte visible del espectro. Esta es la radiación láser, cuyas fuentes causan en los humanos. reacción normal demasiado rechazo luz brillante (reflejo de parpadeo). Cuando se expone al rayo, el ojo humano parpadea en 0,25 s, lo que proporciona suficiente protección. Sin embargo, la radiación láser en el rango visible puede dañar el ojo con una exposición constante. Ejemplos: punteros láser, láseres geodésicos.

Los láseres de clase 2a son dispositivos proposito especial con una potencia de salida inferior a 1 mW. Estos dispositivos sólo causan daños cuando se exponen directamente durante más de 1000 segundos en una jornada laboral de 8 horas. Ejemplo: lectores de códigos de barras.

Láseres peligrosos

La clase 3a incluye dispositivos que no causan lesiones durante una exposición breve a un ojo desprotegido. Puede representar un peligro al utilizar ópticas de enfoque como telescopios, microscopios o binoculares. Ejemplos: láser de helio-neón de 1 a 5 mW, algunos punteros láser y niveles de construcción.

El rayo láser de Clase 3b puede causar lesiones por exposición directa o imagen de espejo. Ejemplo: Láser de helio-neón de 5 a 500 mW, muchos láseres terapéuticos y de investigación.

La clase 4 incluye dispositivos con niveles de potencia superiores a 500 mW. Son peligrosos para los ojos, la piel y también suponen un riesgo de incendio. El impacto del haz, su espejo o reflejos difusos puede causar lesiones en los ojos y la piel. Se deben tomar todas las medidas de seguridad. Ejemplo: Láseres Nd:YAG, displays, cirugía, corte de metales.

Radiación láser: protección

Cada laboratorio debe proporcionar protección adecuada a las personas que trabajan con láseres. Las ventanas de las habitaciones a través de las cuales la radiación de un dispositivo de Clase 2, 3 o 4 puede pasar y causar daños en áreas no controladas deben estar cubiertas o protegidas de otro modo mientras dicho dispositivo esté en funcionamiento. Para garantizar la máxima protección ocular, se recomienda lo siguiente.

• El paquete debe estar encerrado en una carcasa protectora no reflectante y no inflamable para minimizar el riesgo de exposición accidental o incendio. Para alinear el haz, utilice pantallas fluorescentes o miras secundarias; Evite el contacto directo con los ojos.
• Utilice la potencia más baja para el procedimiento de alineación del haz. Si es posible, utilice dispositivos de clase baja para los procedimientos de alineación preliminar. Evite la presencia de objetos reflectantes innecesarios en el área de operación del láser.
• Limitar el paso del haz en la zona de peligro en horas no laborables utilizando barreras y otras barreras. No utilice las paredes de la habitación para alinear el haz de láseres Clase 3b y 4.
• Utilice herramientas no reflectantes. Algunos equipos que no reflejan la luz visible se reflejan en la región invisible del espectro.
• No use joyas reflectantes. Las joyas de metal también aumentan el riesgo de descarga eléctrica.

Gafas de protección

Cuando se trabaja con láseres de clase 4 con apertura zona peligrosa o donde exista riesgo de reflexión, se deben utilizar gafas de seguridad. Su tipo depende del tipo de radiación. Las gafas deben seleccionarse para proteger contra los reflejos, especialmente los reflejos difusos, y para brindar protección a un nivel en el que el reflejo protector natural pueda prevenir lesiones oculares. Dichos dispositivos ópticos mantendrán cierta visibilidad del haz, evitarán quemaduras en la piel y reducirán la posibilidad de otros accidentes.

Factores a considerar al elegir gafas de seguridad:

• longitud de onda o región del espectro de radiación;
• densidad óptica a una determinada longitud de onda;
• iluminación máxima (W/cm2) o potencia del haz (W);
• tipo de sistema láser;
• modo de potencia: radiación láser pulsada o modo continuo;
• posibilidades de reflexión: especular y difusa;
• línea de visión;
• la presencia de lentes correctivos o de tamaño suficiente para permitir el uso de anteojos para corregir la visión;
• comodidad;
• la presencia de orificios de ventilación para evitar el empañamiento;
• influencia en la visión del color;
• Resistencia al impacto;
• capacidad para realizar las tareas necesarias.

Debido a que las gafas de seguridad son susceptibles a daños y desgaste, el programa de seguridad del laboratorio debe incluir inspecciones periódicas de estas características de seguridad.

Un láser es un generador de ondas ópticas que utiliza la energía de átomos o moléculas de emisión inducida en medios con una población inversa de niveles de energía, que tienen la propiedad de amplificar la luz de longitudes de onda específicas. Para amplificar la luz muchas veces se utiliza un resonador óptico, que consta de 2 espejos. Mediante diversos métodos de bombeo se crea un medio activo en el elemento activo.

Figura 1 - Diagrama del dispositivo láser

Debido a las condiciones anteriores, se genera un espectro en el láser, que se muestra en la Figura 2 (el número de modos del láser está controlado por la longitud del resonador):

Figura 2 - Espectro de modos láser longitudinales

Los láseres tienen alto grado monocromaticidad, un alto grado de direccionalidad y polarización de la radiación con una intensidad y brillo significativos, un alto grado de coherencia temporal y espacial, se puede reorganizar en longitudes de onda y puede emitir pulsos de luz de duración récord, a diferencia de las fuentes de luz térmica.

A lo largo del desarrollo de las tecnologías láser se ha creado una gran lista de láseres y sistemas láser que satisfacen las necesidades con sus características. tecnología láser, incluida la biotecnología. Debido al hecho de que la complejidad del diseño de los sistemas biológicos y la importante diversidad en la naturaleza de su interacción con la luz determinan la necesidad de utilizar muchos tipos de sistemas láser en fotobiología y también estimulan el desarrollo de nuevos dispositivos láser, incluido el suministro. sistemas radiación láser al objeto de investigación o influencia.

Al igual que la luz ordinaria, la radiación láser es reflejada, absorbida, reemitida y dispersada por el entorno biológico. Todo los procesos enumerados llevar información sobre la micro y macro estructura de un objeto, el movimiento y la forma de sus partes individuales.

La monocromaticidad es un alto densidad espectral El poder de la radiación láser, o una coherencia temporal significativa de la radiación, proporciona: análisis espectral con una resolución varios órdenes de magnitud superior a la de los espectrómetros tradicionales; un alto grado de selectividad para la excitación de un determinado tipo de moléculas en su mezcla, lo cual es esencial para la biotecnología; Implementación de métodos interferométricos y holográficos para el diagnóstico de objetos biológicos.

Debido a que los rayos láser son prácticamente paralelos, al aumentar la distancia el haz de luz aumenta ligeramente de diámetro. Propiedades listadas Un rayo láser le permite influir selectivamente en diferentes áreas del tejido biológico, creando una gran densidad de energía o potencia en un lugar pequeño.

Las instalaciones láser se dividen en los siguientes grupos:

1) Láseres de alta potencia sobre neodimio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, argón, rubí, vapores metálicos, etc.;

2) Láseres con radiación de baja energía (helio-cadmio, helio-neón, nitrógeno, colorantes, etc.), que no tienen un efecto térmico pronunciado sobre los tejidos corporales.

Actualmente existen sistemas láser que generan radiación en las regiones ultravioleta, visible e infrarroja del espectro. Los efectos biológicos provocados por la radiación láser dependen de la longitud de onda y la dosis de radiación luminosa.

En oftalmología se suele utilizar: láser excimer (con una longitud de onda de 193 nm); argón (488 nm y 514 nm); criptón (568 nm y 647 nm); láser de helio-neón (630 nm); diodo (810 nm); Láser ND:YAG con duplicación de frecuencia (532 nm), que también genera a una longitud de onda de 1,06 μm; Láser de 10 dióxido de carbono (10,6 µm). El alcance de la radiación láser en oftalmología está determinado por la longitud de onda.

Las instalaciones láser reciben sus nombres de acuerdo con el medio activo, y una clasificación más detallada incluye láseres de estado sólido, gas, semiconductores, líquidos y otros. La lista de láseres de estado sólido incluye: neodimio, rubí, alejandrita, erbio, holmio; los gases incluyen: argón, excímero, vapor de cobre; a los líquidos: láseres que operan sobre soluciones colorantes y otros.

La revolución la hicieron los láseres semiconductores emergentes debido a su alta eficiencia (hasta un 60 - 80% frente al 10-30% de los tradicionales), su pequeño tamaño y su fiabilidad. Al mismo tiempo, se siguen utilizando ampliamente otros tipos de láseres.

Una de las propiedades más importantes del uso de láseres es su capacidad para formar un patrón de motas cuando se refleja radiación coherente desde la superficie de un objeto. La luz dispersada por la superficie consiste en puntos claros y oscuros ubicados caóticamente: motas. El patrón de moteado se forma a partir de la compleja interferencia de ondas secundarias de pequeños centros de dispersión que se encuentran en la superficie del objeto en estudio. Debido al hecho de que la gran mayoría de los objetos biológicos estudiados tienen una superficie rugosa y heterogeneidad óptica, siempre forman un patrón de manchas y, por lo tanto, introducen distorsiones en los resultados finales del estudio. A su vez, el campo moteado contiene información sobre las propiedades de la superficie en estudio y la capa cercana a la superficie, que puede usarse con fines de diagnóstico.

En cirugía oftálmica, los láseres se utilizan en las siguientes áreas:

En cirugía de cataratas: para destruir la acumulación de cataratas en el cristalino y la disección de la cápsula posterior del cristalino cuando se vuelve turbia en el postoperatorio;

En cirugía de glaucoma: al realizar goniopuntura con láser, trabeculoplastia, eliminación con láser excimer de capas profundas del colgajo escleral, al realizar un procedimiento de esclerectomía profunda no penetrante;

En oncocirugía oftálmica: para extirpar cierto tipo de tumores ubicados en el interior del ojo.

Las propiedades más importantes inherentes a la radiación láser son: monocromaticidad, coherencia, direccionalidad, polarización.

Coherencia (del latín cohaerens, conectado, conectado) es la ocurrencia coordinada en el tiempo de varios procesos ondulatorios oscilatorios de la misma frecuencia y polarización; Propiedad de dos o más procesos ondulatorios oscilatorios que determina su capacidad, cuando se suman, de potenciarse o debilitarse mutuamente. Las oscilaciones se llamarán coherentes si la diferencia en sus fases permanece constante durante todo el intervalo de tiempo y al sumar las oscilaciones se obtiene una oscilación de la misma frecuencia. El ejemplo más simple dos oscilaciones coherentes: dos oscilaciones sinusoidales de la misma frecuencia.

La coherencia de la onda implica que en diferentes puntos de la onda las oscilaciones ocurren sincrónicamente; en otras palabras, la diferencia de fase entre dos puntos no está relacionada con el tiempo; La falta de coherencia significa que la diferencia de fase entre dos puntos no es constante y, por lo tanto, cambia con el tiempo. Esta situación ocurre si la onda no es generada por una sola fuente de radiación, sino por un grupo de emisores idénticos, pero independientes entre sí.

A menudo, las fuentes simples emiten oscilaciones incoherentes, mientras que los láseres emiten oscilaciones coherentes. En virtud de de esta propiedad La radiación láser se enfoca tanto como sea posible, tiene la capacidad de interferir, es menos susceptible a la divergencia y tiene la capacidad de obtener una mayor densidad de energía puntual.

Monocromaticidad (griego monos - uno, solo + croma - color, pintura) - radiación de una frecuencia o longitud de onda específica. La radiación puede considerarse monocromática si pertenece al rango espectral de 3 a 5 nm. Si solo se permite uno transición electrónica del estado excitado al fundamental, entonces se crea radiación monocromática.

La polarización es la simetría en la distribución de la dirección del vector de intensidad del campo eléctrico y magnético en una onda electromagnética con respecto a la dirección de su propagación. Una onda se llamará polarizada si dos componentes mutuamente perpendiculares del vector de intensidad campo eléctrico oscilan con una diferencia de fase constante en el tiempo. No polarizado: si los cambios ocurren de manera caótica. En una onda longitudinal, la aparición de polarización no es posible, ya que las perturbaciones en este tipo las ondas siempre coinciden con la dirección de propagación. La radiación láser es luz altamente polarizada (del 75 al 100%).

Direccionalidad (una de las más propiedades importantes radiación láser): la capacidad de la radiación para salir de un láser en forma de un haz de luz con una divergencia muy baja. Esta característica es la consecuencia más simple del hecho de que el medio activo está ubicado en un resonador (por ejemplo, un resonador plano-paralelo). En un resonador de este tipo sólo se soportan ondas electromagnéticas que se propagan a lo largo del eje del resonador o en las proximidades de él.

Las principales características de la radiación láser: longitud de onda, frecuencia, parámetros energéticos. Estas características son biotrópicas, es decir, determinan el efecto de la radiación sobre los objetos biológicos.

Longitud de onda ( yo) representa la distancia más pequeña entre dos puntos oscilantes adyacentes de la misma onda. A menudo, en medicina, la longitud de onda se especifica en micrómetros (μm) o nanómetros (nm). Dependiendo de la longitud de onda, cambian el coeficiente de reflexión, la profundidad de penetración en los tejidos corporales, la absorción y el efecto biológico de la radiación láser.

La frecuencia caracteriza el número de oscilaciones realizadas por unidad de tiempo y es el recíproco de la longitud de onda. Normalmente se expresa en hercios (Hz). A medida que aumenta la frecuencia, aumenta la energía del cuanto de luz. Se distinguen: la frecuencia natural de la radiación (para un solo generador de oscilación láser no cambia); Frecuencia de modulación (en sistemas láser médicos puede variar de 1 a 1000 Hz). Los parámetros energéticos de la irradiación láser también son de gran importancia.

Se acostumbra distinguir tres principales características físicas Dosificación: potencia de radiación, energía (dosis) y densidad de dosis.

Potencia de radiación (flujo de radiación, flujo de energía radiante, R) -representa Energía completa, que es transferida por la luz por unidad de tiempo a través de una superficie determinada; energía promedio radiación electromagnética, que se transfiere a través de cualquier superficie. Normalmente se mide en vatios o múltiplos.

Exposición a la energía (dosis de radiación, h) es la irradiación de energía por el láser durante un período de tiempo determinado; la potencia de una onda electromagnética que se emite por unidad de tiempo. Medido en [J] o [W*s]. La capacidad de realizar un trabajo es el significado físico de la energía. Esto es típico cuando el trabajo realiza cambios en el tejido con fotones. El efecto biológico de la irradiación de luz se caracteriza por la energía. En este caso se produce el mismo efecto biológico (por ejemplo, bronceado) que en el caso de luz de sol, se puede lograr con baja potencia y tiempo de exposición o alta potencia y exposición corta. Los efectos obtenidos serán idénticos, con la misma dosis.

La densidad de dosis “D” es la energía recibida por unidad de área de exposición. La unidad SI es [J/m2]. También se utiliza una representación en unidades de J/cm 2, debido a que las áreas afectadas suelen medirse en centímetros cuadrados.

El sistema oscilatorio de un láser contiene un medio activo, por lo que el espectro de radiación láser debe determinarse como propiedades espectrales entorno y las propiedades de frecuencia del resonador. Consideremos la formación del espectro de emisión en casos de ensanchamiento no homogéneo y uniforme de la línea espectral del medio.

Espectro de emisión con ampliación espectral no uniforme; líneas. Consideremos el caso en el que la forma de la línea espectral del medio está determinada principalmente por el efecto Doppler y la interacción de las partículas del medio puede despreciarse. El ensanchamiento Doppler de la línea espectral no es homogéneo (ver.§ 12.2).

En la Fig. 15.10, a muestra la respuesta de frecuencia del resonador, y en la Fig. La figura 15.10b muestra el contorno de la línea espectral del medio. Normalmente, el ancho de la línea espectral con ensanchamiento Doppler ∆ ν = ∆ νD es mucho mayor que el intervalo ∆ νq entre las frecuencias de los modos de resonador vecinos. El valor ∆ νq, determinado por la fórmula (15.2), por ejemplo, con una longitud de resonador L = 0,5 m será de 300 MHz, mientras que el ancho de la línea espectral debido al efecto Doppler ∆ νD de acuerdo con la fórmula (12.31) puede ser aproximadamente 1 GHz. En este ejemplo, dentro del ancho de línea espectral del medio∆ ν≈∆ νД; Se colocan tres modos longitudinales. Con una longitud de resonador mayor, el número de modos dentro del ancho de la línea aumenta, ya que el intervalo de frecuencia ∆ νq de los modos vecinos disminuye.

El ensanchamiento Doppler no es homogéneo, es decir, la emisión espontánea en un rango de frecuencia seleccionado inferior a ∆ νD es creada por un determinado grupo de partículas, y no por todas.

partículas del medio ambiente. Supongamos que el ancho de línea espectral natural de una partícula es significativamente menor que la diferencia en las frecuencias de los modos vecinos (por ejemplo, el ancho de línea natural

el neón está cerca de 16 MHz). Entonces las partículas que excitan un determinado modo con su emisión espontánea no provocarán la excitación de otros modos.

Para determinar el espectro de radiación láser, usaremos la dependencia de la frecuencia del coeficiente de absorción æ en la ley de Bouguer (12.50). Este indicador es proporcional a la diferencia en las poblaciones de los niveles de transición superior e inferior. En un medio sin inversión de población æ >0 y caracteriza la absorción de energía. campo electromagnetico. En presencia de inversiónæ<0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления medio activoæ a (æ a =|æ |).

La dependencia de la frecuencia del índice de ganancia æ a (ν) de acuerdo con la fórmula (12.44) coincide con la forma de la línea espectral del medio cuando las poblaciones de nivel son constantes o cambian ligeramente como resultado de transiciones forzadas. Esta coincidencia se observará si se crea una inversión de población y aún no se han cumplido las condiciones para la autoexcitación del láser (por ejemplo, no hay espejos de cavidad). En la Fig. 15.10, la línea de puntos muestra dicha dependencia inicial de la frecuencia. Con el ensanchamiento Doppler de la línea espectral, la dependencia se expresa mediante una función gaussiana y tiene un ancho ∆ νD como se muestra en la Fig. 15.10, b.

Supongamos que se cumplen las condiciones de autoexcitación. Entonces, la emisión espontánea de una partícula provocará transiciones forzadas de otras partículas si la frecuencia de la emisión espontánea de estas últimas se encuentra aproximadamente dentro del ancho natural de la línea espectral de la partícula excitante. Debido a la inversión demográfica, prevalecerán las transiciones forzadas de arriba hacia abajo, es decir, la población nivel superior debería disminuir, el inferior debería aumentar y el índice de ganancia æ a debería disminuir.

El campo en el resonador es máximo en las frecuencias de resonancia de los modos. En estas frecuencias se observará el mayor cambio en las poblaciones de los niveles de transición. Por lo tanto, aparecerán caídas en la curva æ a (ν) cerca de las frecuencias resonantes (ver Fig. 15.10, c).

Una vez que se cumple la condición de autoexcitación, la profundidad de la caída en las frecuencias resonantes aumenta hasta que se produce el régimen; oscilaciones estacionarias, en las que el índice de ganancia será igual al índice de pérdida α de acuerdo con la condición (15.13). El ancho de cada inmersión es aproximadamente igual al ancho natural de la línea de partículas si la potencia generada a la frecuencia en cuestión es pequeña. Cuanto mayor sea la potencia y, por tanto, la densidad de energía del campo volumétrico, que afecta al número de transiciones forzadas, mayor será la brecha. A baja potencia, la ganancia dentro de una muesca es independiente de la ganancia dentro de otra muesca, ya que las muescas no se superponen debido a la suposición inicial de que el ancho de línea natural es menor que la distancia entre las frecuencias resonantes. Las oscilaciones en estas frecuencias pueden considerarse independientes. En la Fig. La figura 15.10d muestra que el espectro de radiación láser contiene tres líneas de emisión correspondientes a tres modos longitudinales del resonador. La potencia de radiación de cada modo depende de la diferencia entre los valores inicial y estacionario del índice de ganancia,

como en la fórmula (15.21), es decir, está determinada por la profundidad de los buzamientos correspondientes en la Fig. 15.10, a las. Determinaremos el ancho de cada línea de emisión δν al final de la sección y ahora discutiremos el efecto de la potencia de la bomba sobre el número de modos generados para pérdidas dadas.

Si la potencia de la bomba es tan baja que el valor máximo de la ganancia media (curva 1 en la figura 15.11, b) no alcanza el valor umbral igual a α, entonces ninguno de los modos determinados por la respuesta de frecuencia del resonador se excita. (Figura 15.11, a). La curva 2 corresponde a una mayor potencia de bombeo, lo que garantiza que la frecuencia central de la línea espectral del medio ν0 supere el valor umbral. Este caso corresponde a una caída en la Fig. 15.11,c y generación de un modo longitudinal (Fig. 15.11,d). Un aumento adicional de la potencia de la bomba garantizará que se cumplan las condiciones de autoexcitación para otros modos (curva 3). En consecuencia, las caídas en la curva del indicador y el espectro de emisión se representarán como en la Fig. 15.10, en Ig.

Espectro de emisión con ensanchamiento uniforme de la línea espectral. Se observa un ensanchamiento uniforme de la línea espectral cuando la causa principal del ensanchamiento es la colisión | (o interacción) de partículas del medio(§ 12.2) .

Supongamos, como en el caso del ensanchamiento no homogéneo, que varias frecuencias naturales del resonador caen dentro de la línea espectral del medio. En la Fig. 15.12a muestra la respuesta en frecuencia del resonador, indicando la frecuencia y el ancho de las curvas de resonancia de cada modo ∆ νp. Curva 1 en la Fig. 15.12b muestra la dependencia de la frecuencia del índice de ganancia de un medio con inversión de población antes de la autoexcitación del láser.

La línea espectral de cada partícula y de todo el medio coincide con un ensanchamiento uniforme, por lo que la emisión espontánea de cualquier partícula puede provocar una estimulación.

transiciones de otras partículas. En consecuencia, durante las transiciones forzadas en el entorno especificado con inversión de población, la dependencia de la frecuencia de æ a durante la generación (curva 2) mantendrá la misma forma que antes de la generación (curva 1), pero se ubicará por debajo de ella. Las caídas observadas con un ensanchamiento no homogéneo de la línea (ver Fig. 15.11c) están ausentes aquí, ya que ahora todas las partículas del medio participan en la creación de la potencia de radiación láser.

En la Fig. 15.12, b, las condiciones de autoexcitación æ a > α se satisfacen para tres modos con frecuencias νq-1, νq = ν0 y νq+1. Sin embargo, en la frecuencia central de la línea espectral ν0, la ganancia por paso único de radiación a través del medio activo es máxima. Como resultado de un mayor número de pasajes, la principal contribución a la potencia de radiación vendrá del modo con frecuencia central.

Así, en láseres con ensanchamiento uniforme de la línea espectral del medio, es posible obtener un régimen de frecuencia única con alta potencia (Fig. 15.12c), ya que, a diferencia del caso de ensanchamiento no homogéneo, una reducción en la potencia de la bomba No está obligado a obtener este régimen.

Monocromaticidad de la radiación láser.. La generación de oscilaciones en cualquier dispositivo cuántico comienza con una emisión espontánea, cuya dependencia de la frecuencia de la intensidad se caracteriza por la línea espectral del medio. Sin embargo, en el rango óptico, el ancho de la línea espectral del medio es significativamente mayor que el ancho de las curvas de resonancia ∆ νp de un resonador pasivo (sin medio activo) debido al alto factor de calidad Q de este último. Valor ∆ νP =ν0 /Q, donde ν0 es la frecuencia de resonancia. Si hay un medio activo en el resonador se compensan las pérdidas (efecto regenerativo), lo que equivale a un aumento del factor de calidad y una disminución del ancho de la curva de resonancia ∆ νp al valor δ ν.

En el caso de generar un modo con frecuencia ν0, el ancho de línea de la radiación láser se puede estimar mediante la fórmula

donde P es la potencia de radiación. Un aumento en la potencia de radiación corresponde a una mayor

compensación de pérdidas, aumentando el factor de calidad y reduciendo el ancho de línea de emisión. Si ∆ νp =l MHz, ν0 =5·1014 Hz, Р =1 mW, entonces δ νtheor ≈ 10-2 Hz, y la relación δ νtheor /ν 0 ≈2·10-17. De este modo, valor teórico el ancho de la línea de emisión resulta ser extremadamente

pequeño, muchos órdenes de magnitud más pequeño que el ancho de las curvas de resonancia ∆ νp. Sin embargo, en condiciones reales porque influencias acústicas y las fluctuaciones de temperatura, se observa inestabilidad de las dimensiones del resonador, lo que conduce a la inestabilidad de las frecuencias naturales del resonador y, en consecuencia, de las frecuencias de las líneas de radiación láser. Por lo tanto, el ancho de línea de radiación real (técnico), teniendo en cuenta esta inestabilidad, puede alcanzar δ ν = 104 –105 Hz.

El grado de monocromaticidad de la radiación láser se puede evaluar por el ancho de la línea de radiación láser y el ancho de la envolvente del espectro de radiación láser que contiene varias líneas de emisión (ver Fig. 15.10, d). Sea ∆ ν=104 Hz, ν0 =5·1014 Hz, y el ancho de la envolvente del espectro δ o.c .=300 MHz. Entonces el grado de monocromaticidad a lo largo de una línea será δ ν/ν0 ≈ 2·10-11, y a lo largo de la envolvente δ ν/ν0 ≈ 6·10-7. La ventaja de los láseres es la alta monocromaticidad de la radiación, especialmente a lo largo de una línea de radiación, o en el modo de funcionamiento de una sola frecuencia.

§ 15.4. Coherencia, monocromaticidad y direccionalidad de la radiación láser.

EN Cuando se aplica a las vibraciones ópticas, la coherencia caracteriza la conexión (correlación) entre las fases de las vibraciones de la luz. Existen coherencias temporales y espaciales, que en los láseres están asociadas con la monocromaticidad y la direccionalidad de la radiación.

EN En el caso general, cuando se estudia la correlación de los campos de radiación en dos puntos del espacio, respectivamente, en momentos de tiempo desplazados en un cierto valor τ, se utiliza el concepto de función de coherencia mutua.

donde r 1 y r 2 son el vector de radio del primer y segundo punto E 1 (r 1,t+ τ) y E* 2 (r 2, t) son los valores conjugados complejos y complejos de la intensidad del campo en estos puntos. La función de coherencia mutua normalizada caracteriza el grado de coherencia:

donde I (r 1) e I (r 2) son la intensidad de radiación en puntos seleccionados. El módulo γ 12 (τ) varía de cero a uno. Cuando γ 12 τ =0 no hay coherencia, en el caso de |γ 12 (τ )|=l hay coherencia completa

Coherencia temporal y monocromaticidad de la radiación. La coherencia temporal es la correlación entre valores de campo en un punto del espacio en momentos de tiempo que difieren en cierta cantidadτ. En este caso, los vectores de radio r 1 y r 2 para determinar la función de coherencia mutua Г 12 (r 1, r 2, τ) y funciones γ 12 (τ ) resultan ser iguales, la función de coherencia mutua se convierte en una función de autocorrelación y la función normalizada se convierte en una funciónγ 11 (τ ), caracterizando el grado de coherencia temporal.

Anteriormente se observó que durante las transiciones espontáneas, el átomo emite trenes de vibraciones que no están relacionadas entre sí (figura 15.13). La correlación de oscilaciones en un punto del espacio se observará sólo en un intervalo de tiempo más corto que la duración del tren. Este intervalo se llama tiempo de coherencia, y se considera igual a la vida útil de las transiciones espontáneas m. La distancia recorrida por la luz durante el tiempo de coherencia se llama. longitud de coherencia£. En τ ≈ 10-8 с £ =c τ =300 cm La longitud de coherencia también se puede expresar a través del ancho de la línea espectral ∆ ν. Dado que ∆ ν≈ 1/τ, entonces £ ≈ c /∆ ν.

La coherencia temporal y la monocromaticidad están relacionadas. La monocromaticidad se determina cuantitativamente por el grado de monocromaticidad ∆ ν/ ν0 (ver § 15.3). Cuanto mayor sea el grado de coherencia temporal, es decir, cuanto mayor sea el tiempo de coherencia, menos espectro de frecuencia∆ ν ocupado por radiación y mejor monocromaticidad. En el límite, con total coherencia temporal (τ →∞), la radiación se volvió completamente monocromática (∆ ν→0).

Consideremos la coherencia temporal de la radiación láser. Supongamos que una determinada partícula del medio activo ha emitido un cuanto, que representaremos en forma de un tren de oscilaciones (ver figura 15.13). Cuando un tren interactúa con otra partícula, aparecerá un nuevo tren, cuya fase de oscilaciones, debido a la naturaleza de las transiciones forzadas, coincide con la fase de oscilaciones del tren original. Este proceso se repite muchas veces, mientras se mantiene la correlación de fases. La oscilación resultante puede considerarse como un tren con una duración significativamente mayor que la duración del tren inicial. Por tanto, aumenta el tiempo de coherencia, es decir, mejora la coherencia temporal y la monocromaticidad de la radiación.

En relación con esta consideración, resulta evidente que un resonador óptico aumenta la coherencia temporal de la radiación láser, ya que garantiza el paso repetido de los trenes a través del medio activo. Esto último equivale a un aumento de la vida útil de los emisores, un aumento de la coherencia temporal y una disminución del ancho de línea.

Coherencia espacial y directividad de la radiación. La coherencia espacial es la correlación entre los valores de campo en dos puntos del espacio en el mismo momento. En este caso, las fórmulas para la función de coherencia mutua Г 12 (r 1 ,r 2 , τ ) y función de coherencia normalizadaγ 12 (τ ) debe ser sustituidoτ=0. Función γ 12 (0) caracteriza el grado de coherencia espacial.

La radiación procedente de una fuente puntual siempre es espacialmente coherente. El grado de coherencia espacial de una fuente extendida depende de su tamaño y de la distancia entre ésta y los puntos de observación. Por la óptica se sabe que lo que tamaño más grande fuente, menor será el ángulo dentro del cual la radiación puede considerarse espacialmente coherente. Una onda de luz con la mejor coherencia espacial debería tener un frente plano.

En los láseres, la radiación tiene una alta directividad (frente plano), determinada por las propiedades de la cavidad óptica. La condición de autoexcitación se cumple sólo para una determinada dirección en el resonador para el eje óptico o direcciones cercanas a él. Como resultado, muy gran número Reflejos de espejos, la radiación recorre una gran distancia, lo que equivale a un aumento en la distancia entre la fuente y el punto de observación. Este recorrido corresponde a la longitud de coherencia y en el caso de los láseres de gas puede alcanzar decenas de kilómetros. La alta directividad de la radiación láser determina también una alta coherencia espacial. Es significativo que el efecto de aumentar la distancia en un láser va acompañado de un aumento de la potencia de radiación debido a su amplificación en el medio activo, mientras que en las fuentes convencionales una mejora de la coherencia espacial va asociada a una pérdida de intensidad de la luz.

El alto grado de coherencia temporal de la radiación determina el uso de láseres en sistemas de transmisión de información, medición de distancias y velocidades angulares, en estándares de frecuencia cuántica. Un alto grado de coherencia espacial (directividad) permite transmitir eficientemente la energía luminosa y enfocar el flujo luminoso en un punto de tamaño muy pequeño, comparable a la longitud de onda. Esto permite obtener enormes valores de densidad de energía, intensidad de campo y presión lumínica necesarios para investigación científica y diversas aplicaciones técnicas.

¡Atención! Medidas de precaución:

¡No dirija la radiación láser a sus ojos! ¡El contacto directo con la radiación láser en los ojos es peligroso para la visión!

Con el permiso del supervisor de trabajo, encienda el láser e instale la pantalla y la rejilla de modo que patrón de difracción Fue el más claro.

Cambiando la distancia l, vea cómo esto afecta la posición de los máximos. Describe y dibuja lo que observaste.

Coloque la rejilla de difracción a cierta distancia. l desde la ranura y mida las distancias yo 1 y yo 2 (ver Fig. 9.3) para máximos de primer orden. Calcule la longitud de onda de la radiación láser. Evaluar lo absoluto y error relativo medición, registre el resultado para la longitud de onda del láser.

Tarea 2.Determinación de longitudes de onda de algunos colores del espectro.

En esta tarea, la fuente de luz es una lámpara incandescente, que produce un espectro continuo.

Medidas en tarea 2 realizarse de acuerdo con las instrucciones del lugar de trabajo. Los resultados de la medición se ingresan en la tabla. 9.1. Las distancias deben ser determinadas. yo 1 y yo 2 para cada color cuatro veces: con dos valores k y dos distancias diferentes l.

Tabla 9.1

Análisis y procesamiento de resultados de medición.

1. Describa el espectro observado en el informe, dé una explicación del hecho de que los máximos tengan un ancho tan significativo.

2. Complete la tabla por completo. 9.1. Valor constante d recíbelo en tu lugar de trabajo . Describe la imagen que observas en el informe. Realizar tablas de procesamiento para cada color y registro. resultado final según reglas generales.

3. Compara los valores de longitud de onda que obtuviste para cada color con los que aparecen en la tabla P. ...

Preguntas de control

1. Definir: difracción de ondas, principio de Geygens-Fresnel, coherencia de ondas. Se debe incluir una respuesta por escrito a esta pregunta en el informe.

2. Nombrar los componentes de la instalación del laboratorio y su propósito.

3. ¿Qué cantidades se miden directamente en este trabajo? ¿Cuáles se calculan?

4. ¿Qué es el fenómeno de la difracción de la luz? ¿En qué condiciones se observa?

5. ¿Qué es una rejilla de difracción y cuáles son sus principales parámetros?

6. Deducir la fórmula rejilla de difracción (9.3).

7. Definir longitud de onda. ¿Cómo se relaciona con la frecuencia de la luz?

8. ¿En qué rango de longitudes de onda se encuentra la luz visible?

9. Salida y escritura fórmulas de cálculo para determinar longitudes de onda luz visible utilizando una rejilla de difracción.

10. ¿Cómo depende el ángulo de desviación del máximo de difracción de la longitud de onda y del período de la red?

11. ¿En qué orden están ubicados los colores de los máximos de difracción desde el máximo central? Explique el orden de color observado.

12.¿Cuál es la diferencia entre la radiación láser y luz natural?

Trabajo nº 10. ESTUDIO DE LA POLARIZACIÓN DE LA LUZ

objetivo del trabajo: investiga el paso de la luz a través de polaroides, comprueba la ley de Malus, evalúa la calidad de las polaroides, investiga la polarización de la luz que pasa a través de varias placas de vidrio.

Equipo: banco óptico, fuente de luz, polarizador en marco, analizador combinado con fotocélula, juego de placas de vidrio, fuente de alimentación, microamperímetro.

Breve teoría

De la teoría de Maxwell se deduce que la onda de luz es transversal. La sección transversal de las ondas luminosas (así como cualquier otra ondas electromagnéticas) se expresa en el hecho de que las oscilaciones de los vectores y son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda (figura 10.1). Onda monocromática plana que se propaga en el vacío a lo largo del eje. X, se describe mediante las ecuaciones:

;	(10.1)
,	(10.2)

donde y son los valores actuales de las intensidades de los campos eléctricos y magnéticos; y – amplitudes de oscilaciones, w – frecuencia de oscilaciones, – fase inicial vacilación.

Cuando la luz interactúa con la materia, un campo eléctrico alterno actúa sobre los electrones cargados negativamente de los átomos y moléculas de esta sustancia, mientras que el efecto del campo magnético sobre las partículas cargadas es insignificante. Por tanto, en los procesos de propagación de la luz, el vector juega el papel principal, y en el futuro solo hablaremos de eso.

La polarización de la luz se observa cuando la luz atraviesa sustancias anisotrópicas. La principal propiedad de estas sustancias es que sólo pueden atravesar aquellos ondas de luz, en el que los vectores oscilan sólo en un plano estrictamente definido, que se llama plano de oscilación. El plano en el que se localiza el campo magnético se llama plano de polarización. En la Fig. 10.1 el plano de oscilación es vertical y el plano de polarización es horizontal.

Para obtener y estudiar luz polarizada, se utilizan con mayor frecuencia. polaroides. Están hechos de cristales muy pequeños de turmalina o geropatita (sulfato de yodo-quinina), aplicados sobre una película transparente o vidrio. Sin embargo, existen otras formas de obtener luz polarizada plana a partir de luz natural, por ejemplo, mediante la reflexión de un dieléctrico en un cierto ángulo, dependiendo del índice de refracción del dieléctrico. Este método se analizará con más detalle a continuación.

Realicemos mentalmente el siguiente experimento. Tomemos dos polaroids y una fuente de luz (Fig. 10.3). La primera Polaroid se llama polarizador, porque polariza la luz. Su plano de oscilación es el plano PPP. Después de pasar por el polarizador, el vector oscilará sólo en este plano. Al girar el polarizador en la dirección del haz de luz, no notaremos ningún cambio en la intensidad de la luz que lo atraviesa. ¿Piensas por qué? El análisis de la polarización de la luz se realiza utilizando una segunda polaroid a través de la cual pasa la luz que se está probando. En este caso, la segunda polaroid se llama analizador, su plano de polarización es el plano AAc. Al girar el analizador, notaremos que la intensidad de la luz que lo atraviesa será máxima si el avión PPP Y AAc coinciden, y mínimos si estos planos son perpendiculares. Si estos planos forman un cierto ángulo a (ver Fig. 10.3), entonces la intensidad de la luz detrás del analizador tomará un valor intermedio.

Encontremos la relación entre el ángulo a y la intensidad. I luz que pasa a través de ambas polaroids. Denotemos la amplitud vector electrico haz que pasa a través del polarizador, letra mi 0. Plano de oscilación del analizador. AAc girado con respecto al plano de oscilación del polarizador PPP por el ángulo a (ver Fig. 10.4). Descompongamos el vector en componentes: paralelo al plano de oscilación del analizador кк y perpendicular a él ^. La componente paralela кк pasará a través del analizador, pero la componente perpendicular ^ no.

De la Fig. 10.4 se deduce que la amplitud de la onda de luz detrás del analizador

Dónde S– superficie sobre la que se distribuye la energía; t- tiempo. Dado que la energía luminosa es la energía total de los campos eléctricos y magnéticos, su valor es proporcional a los cuadrados de las intensidades de estos campos:

La igualdad resultante se llama ley de malus: la intensidad de la luz que pasa por el analizador es igual a la intensidad de la luz que pasa por el polarizador multiplicada por el cuadrado del coseno del ángulo entre planos de polarización Analizador y polarizador.

Tenga en cuenta que la luz que pasa a través del polarizador no sólo se polarizará en un plano, sino que también reducirá su intensidad a la mitad. Si la intensidad de la luz natural se considera la misma en todas las direcciones perpendiculares al vector de velocidad, entonces la intensidad de la luz detrás del polarizador

Dónde I máximo y I min: las intensidades de luz más alta y más baja detrás del analizador, correspondientes a los voltajes mi máximo y mi mín. en la figura. 10.2, c.

El fenómeno de polarización también se puede observar cuando la luz se refleja o refracta en la interfaz de dos dieléctricos isotrópicos. En este caso, el haz reflejado estará dominado por vibraciones perpendiculares al plano de incidencia (están indicadas por puntos en la Fig. 10.5). Se ha demostrado experimentalmente que el grado de polarización en el haz reflejado depende del ángulo de incidencia y, a medida que aumenta el ángulo de incidencia, aumenta la proporción de luz polarizada y, a un cierto valor, la luz reflejada resulta completamente polarizado. Brewster encontró que la magnitud de este ángulo de polarización total depende del índice de refracción relativo y está determinada por la relación:

La relación se llama ley de Brewster y el ángulo a B se llama ángulo de Brewster. Con un mayor aumento del ángulo de incidencia, el grado de polarización de la luz vuelve a disminuir. Por tanto, en un ángulo de incidencia igual al ángulo de Brewster, la luz reflejada está polarizada linealmente en el plano, perpendicular al plano caídas. Utilizando (10.9) y la ley de refracción, se puede demostrar que cuando inciden en el ángulo de Brewster, los rayos reflejados y refractados tienen un ángulo de 90°. ¡Revisalo!.

Cuando la luz incide en el ángulo de Brewster, el haz refractado también está polarizado. El haz refractado estará dominado por vibraciones, planos paralelos caídas (en la Fig. 10.5 están indicadas por flechas). La polarización de los rayos refractados en este ángulo de incidencia será máxima, pero lejos de ser completa. Si sometes los rayos refractados al segundo, tercero, etc. refracción, el grado de polarización aumentará. Por lo tanto, se pueden utilizar de 8 a 10 placas para polarizar la luz (el llamado pie de Stoletov). La luz que pasa a través de ellos estará casi completamente polarizada. Así, este pie puede servir como polarizador o analizador. En nuestra configuración, se utilizan juegos de 2 a 12 placas como polarizador.

Descripción de la instalación

Para estudiar la polarización se utiliza un equipo montado sobre un banco óptico, cuyo diagrama se muestra en la Fig. 10.6.

Los números en el diagrama indican: 1– lámpara, 2 – extraíble polarizador, 3 – rotativo mesa, 4 – juego de platos de vidrio, coloque los pasadores del plato giratorio, 5 – analizador, 6 – célula fotoeléctrica, 7 – metro intensidad luminosa (IIS), que convierte la energía luminosa en una señal eléctrica; sus lecturas son proporcionales al flujo luminoso que incide sobre la fotocélula. La plataforma giratoria 3 puede girar alrededor de un eje vertical, cambiando así el ángulo de incidencia de la luz sobre la placa de vidrio 4. Existe una escala especial para medir este ángulo de incidencia. La posición de la mesa se fija con un tornillo. 5 El analizador puede girar eje horizontal, la flecha indica la posición del plano de polarización. El analizador tiene escala 8, que determina la posición de su plano de polarización ( AAc). El polarizador extraíble 2 también tiene una flecha vertical que muestra la posición de su plano de polarización PPS. La fotocélula combinada con el analizador también puede girar alrededor de un eje vertical. Esto permite medir la intensidad de la luz reflejada por el conjunto de placas 4.

Finalización del trabajo

Ejercicio 1 . Comprobando la ley de Malus

1. Instale un polarizador extraíble 2 (retire el juego de placas 4).

2. Enciende la lámpara. Gire el analizador de fotocélulas 6 para que la luz de la lámpara incida sobre él. Consiga una disposición simétrica de los elementos de instalación con respecto al haz de luz.

3. Establecer la posición del avión AAc en una escala de 8 a 0°. Registre las lecturas del medidor 7 en la tabla. 10.1. Esta será la intensidad de la luz que pasa a través del polarizador y el analizador en unidades relativas. Repetir las medidas cambiando el ángulo entre los planos de polarización del polarizador y analizador de 0° a 360° cada 10°, y anotarlas también en la tabla. 10.1.

Tabla 10.1

Tarea 2. Estudio de polarización de la luz refractada.

1. Instale la placa extraíble con dos vasos ( norte = 2).

2. Establezca el ángulo de incidencia de la luz sobre la placa en 56° (este es el ángulo de Brewster para vidrio con un índice de refracción norte = 1,5).

3. Instalar una fotocélula para registrar la intensidad de la luz que pasa a través de las placas según Fig. 10,7 (el valor máximo de las lecturas IIS confirma una buena penetración de la luz en la fotocélula).

4. Tenga en cuenta que la luz refractada está polarizada en el plano de incidencia, por lo que el valor de intensidad máxima estará en la posición AAc 90° en una escala de 8 (preguntas 12, 13, 14). Mida la intensidad de la luz transmitida a través de las placas en dos posiciones. AAc: a 90° y a 0°. Registre los resultados de la medición en la tabla. 10.2.

5. Realice mediciones similares para norte= 4, 7, 12 platos. Registre los resultados de la medición en la tabla. 10.2.

Tabla 10.2

Información relacionada.

1.1. Tipos de espectros.

A primera vista, el rayo láser parece de estructura muy sencilla. Se trata de una radiación casi de una sola frecuencia, que tiene un color espectralmente puro: el láser de He-Ne emite radiación roja (633 nm), el láser de cadmio emite Color azul(440 nm, un láser de argón emite varias líneas en la región azul-verde del espectro (488 nm, 514 nm, etc.), un láser semiconductor emite radiación roja (650 nm), etc. De hecho, el espectro de emisión del láser tiene bastante Estructura compleja y está determinado por dos parámetros: el espectro de emisión de la sustancia de trabajo (para un láser He-Ne, por ejemplo, esta es la línea espectral roja del neón excitado descarga eléctrica) y fenómenos de resonancia en la cavidad óptica del láser.

A modo de comparación, las figuras de la derecha muestran el espectro de emisión del sol (A) y el de una bombilla incandescente convencional (B) (imagen superior), el espectro de una lámpara de mercurio (imagen de la derecha) y un espectro de emisión muy ampliado de una Láser He-Ne (imagen inferior).

El espectro de una lámpara incandescente, al igual que el espectro solar, se refiere a espectros continuos que están completamente llenos del rango espectral visible de radiación electromagnética (400-700 nm). El espectro de una lámpara de mercurio pertenece al espectro lineal, que también ocupa todo el espectro visible, pero consta de componentes espectrales individuales de diferentes intensidades. Por cierto, antes de la llegada de los láseres, la radiación monocromática se obtenía aislando los componentes espectrales individuales de la radiación de una lámpara de mercurio.

1.2. Espectro de emisión en un láser de He-Ne.

El espectro de radiación láser es monocromático, es decir, tiene un ancho espectral muy estrecho, pero, como puede verse en la figura, también tiene una estructura compleja.

Proceso de formación espectro láser Consideremos basándonos en el bien estudiado láser He-Ne. Históricamente, fue el primer láser continuo que funcionó en el rango visible del espectro. Fue creado por A. Javan en 1960.

En la Fig. a la derecha están los niveles de energía de una mezcla excitada de helio y neón. Un átomo excitado de helio o neón es un átomo que tiene uno o más electrones de la capa exterior en colisiones con electrones e iones. descarga de gas pasar a niveles de energía más altos y posteriormente puede pasar a un nivel de energía más bajo o regresar a un nivel neutral con emisiones cuanto de luz- fotón.

Los átomos son excitados por una corriente eléctrica que pasa a través de una mezcla de gases. Para un láser He-Ne, se trata de una descarga luminosa de baja corriente (las corrientes de descarga típicas son de 20 a 50 mA). Cuadro niveles de energía y el mecanismo de radiación son bastante complejos incluso para un láser tan "clásico", como es el láser He-Ne, por lo que nos limitaremos a considerar sólo los detalles principales de este proceso. Los átomos de helio excitados al nivel 2S en colisiones con átomos de neón les transfieren la energía acumulada, excitándolos al nivel 5S (por lo tanto, el helio en mezcla de gases más que neón). Desde el nivel 5S, los electrones pueden pasar a varios niveles de energía más bajos. Sólo estamos interesados ​​en la transición 5S - 3P (ambos niveles en realidad están divididos en varios subniveles debido a la naturaleza cuántica de los mecanismos de excitación y emisión). La longitud de onda de la emisión de fotones durante esta transición es de 633 nm.

Notemos uno más hecho importante, lo cual es de fundamental importancia para obtener una radiación coherente. Con las proporciones correctas de helio y neón, la presión de la mezcla de gases en el tubo y el valor de la corriente de descarga, los electrones se acumulan en el nivel 5S y su número excede el número de electrones ubicados en el nivel 3P inferior. Este fenómeno se llama inversión poblacional nivelada. Sin embargo, esto todavía no es radiación láser. Esta es una de las líneas espectrales del espectro de emisión de neón. El ancho de la línea espectral depende de varias razones, las principales de las cuales son: - el ancho finito de los niveles de energía (5S y 3P) involucrados en la radiación y determinado por el principio de incertidumbre cuántica asociado con el tiempo de residencia de los átomos de neón en el estado excitado, - ensanchamiento de línea asociado con movimiento constante partículas excitadas en una descarga bajo la influencia de un campo eléctrico (el llamado efecto Doppler). Teniendo en cuenta estos factores, el ancho de la línea (los expertos la llaman el contorno de la transición de trabajo) es de aproximadamente dos diezmilésimas de angstrom. Para líneas tan estrechas en los cálculos, es más conveniente utilizar su ancho en dominio de la frecuencia. Usemos la fórmula de transición:

dn 1 = dl c/l 2 (1)

donde dn 1 es el ancho de la línea espectral en el dominio de la frecuencia, Hz, dl es el ancho de la línea espectral (0,000002 nm), l es la longitud de onda de la línea espectral (633 nm), c es la velocidad de la luz. Sustituyendo todos los valores (en un sistema de medición), obtenemos un ancho de línea de 1,5 GHz. Por supuesto, una línea tan estrecha puede considerarse completamente monocromática en comparación con todo el espectro de radiación de neón, pero todavía no se puede llamar radiación coherente. Para obtener una radiación coherente, el láser utiliza una cavidad óptica (interferómetro).

1.3. Cavidad óptica láser.

Un resonador óptico consta de dos espejos ubicados en el eje óptico y uno frente al otro con superficies reflectantes, Fig. a la derecha. Los espejos pueden ser planos o esféricos. Los espejos planos son muy difíciles de alinear y la salida del láser puede ser inestable. Resonador con espejos esféricos(resonador confocal) es mucho más estable, pero el rayo láser puede ser no homogéneo en toda la sección transversal debido a la compleja composición multimodo de la radiación. En la práctica, se utiliza con mayor frecuencia un resonador semiconfocal con un espejo esférico trasero y un espejo plano delantero. Un resonador de este tipo es relativamente estable y produce un haz homogéneo (monomodo).

La propiedad principal de cualquier resonador es la formación de ondas electromagnéticas estacionarias en él. En el caso del láser He-Ne, se generan ondas estacionarias para emitir una línea espectral de neón con una longitud de onda de 633 nm. Esto se ve facilitado por el coeficiente de reflexión máximo de los espejos, seleccionado precisamente para esta longitud de onda. Las cavidades láser utilizan espejos dieléctricos con revestimiento multicapa, lo que permite un coeficiente de reflexión del 99% o superior. Como es sabido, la condición de formación. ondas estacionarias es que la distancia entre los espejos debe ser igual a un número entero de medias ondas:

NL = 2L (2)

donde n es un número entero u orden de interferencia, l es la longitud de onda de la radiación dentro del interferómetro, L es la distancia entre los espejos.

De la condición de resonancia (2) podemos obtener la distancia entre las frecuencias de resonancia dn 2:

dn2=c/2L (3)

Para una cavidad de láser de gas de un metro y medio (láser He-Ne LGN-220), este valor es de aproximadamente 100 MHz. Sólo la radiación con tal período de frecuencia puede reflejarse repetidamente desde los espejos resonadores y amplificarse a su paso a través de un medio inverso: una mezcla de helio y neón excitada por una descarga eléctrica. Además, lo que es extremadamente importante, cuando esta radiación pasa a lo largo del resonador, su estructura de fases no cambia, lo que conduce a propiedades coherentes de la radiación amplificada. Esto se ve facilitado por la población inversa del nivel 5S, que se mencionó anteriormente. Un electrón se mueve del nivel superior al inferior de forma sincrónica con el fotón que inicia esta transición, por lo tanto los parámetros de fase de las ondas correspondientes a ambos fotones son los mismos. Esta generación de radiación coherente se produce a lo largo de todo el recorrido de la radiación dentro del resonador. Además, los fenómenos resonantes provocan un estrechamiento mucho mayor de la línea de emisión, con lo que se obtiene la mayor ganancia en el centro del pico resonante.
Después de un cierto número de pasadas, la intensidad de la radiación coherente se vuelve tan alta que supera las pérdidas naturales en el resonador (dispersión en el medio activo, pérdidas en los espejos, pérdidas por difracción, etc.) y parte de ella sale del resonador. Un día libre para esto espejo plano fabricado con una reflectancia ligeramente menor (99,6-99,7%). Como resultado, el espectro de emisión del láser tiene la forma que se muestra en la tercera figura. arriba. El número de componentes espectrales no suele exceder de diez.

Resumamos una vez más todos los factores que determinan las características de frecuencia de la radiación láser. En primer lugar, la transición de trabajo se caracteriza por la anchura natural del contorno. En condiciones reales debido a varios factores el contorno se ensancha. Dentro de la línea ensanchada se encuentran las líneas resonantes del interferómetro, cuyo número está determinado por el ancho del contorno de transición y la distancia entre picos adyacentes. Finalmente, en el centro de los picos se encuentran líneas espectrales de emisión láser extremadamente estrechas, que determinan el espectro de salida del láser.

1.4. Coherencia de la radiación láser.

Aclaremos qué longitud de coherencia proporciona la radiación láser de He-Ne. Utilicemos la fórmula propuesta en el trabajo:

a su paso por un medio inverso: una mezcla de helio y neón excitada por una descarga eléctrica. Además, lo que es extremadamente importante, cuando esta radiación pasa a lo largo del resonador, su estructura de fases no cambia, lo que conduce a propiedades coherentes de la radiación amplificada. Esto se ve facilitado por la población inversa del nivel 5S, que se mencionó anteriormente. Un electrón se mueve del nivel superior al inferior de forma sincrónica con el fotón que inicia esta transición, por lo tanto los parámetros de fase de las ondas correspondientes a ambos fotones son los mismos. Esta generación de radiación coherente se produce a lo largo de todo el recorrido de la radiación dentro del resonador. Además, los fenómenos resonantes provocan un estrechamiento mucho mayor de la línea de emisión, con lo que se obtiene la mayor ganancia en el centro del pico resonante.

dt=dn -1 (4)

donde dt es el tiempo de coherencia, que representa el límite superior del intervalo de tiempo durante el cual la amplitud y la fase de la onda monocromática son constantes. Pasemos a la longitud de coherencia l que nos resulta familiar, con la que es fácil estimar la profundidad de la escena grabada en el holograma:

l=c/dn (5)

Sustituyendo los datos en la fórmula (5), incluido el ancho del espectro completo dn 1 = 1,5 GHz, obtenemos una longitud de coherencia de 20 cm. Esto está bastante cerca de la longitud de coherencia real de un láser de He-Ne, que tiene pérdidas de radiación inevitables. en la cavidad. Las mediciones de la longitud de coherencia con un interferómetro de Michelson dan un valor de 15 a 17 cm (al nivel de una disminución del 50% en la amplitud del patrón de interferencia). Es interesante estimar la longitud de coherencia de un componente espectral individual aislado por la cavidad del láser. El ancho del pico resonante del interferómetro dn 3 (ver la tercera figura desde arriba) está determinado por su factor de calidad y es de aproximadamente 0,5 MHz. Pero, como se mencionó anteriormente, los fenómenos de resonancia conducen a un estrechamiento aún mayor de la línea espectral del láser dn 4, que se forma cerca del centro del pico resonante del interferómetro (el tercero desde arriba en la figura). ¡El cálculo teórico da un ancho de línea de ocho milésimas de hercio! Sin embargo, este valor no tiene mucho significado práctico, ya que la existencia a largo plazo de un componente espectral tan estrecho requiere valores de estabilidad mecánica del resonador, deriva térmica y otros parámetros que son absolutamente imposibles en condiciones reales de funcionamiento del láser. Por tanto, nos limitaremos al ancho del pico resonante del interferómetro. Para un ancho de espectro de 0,5 MHz, la longitud de coherencia calculada mediante la fórmula (5) es de 600 m. Esto también es muy bueno. Todo lo que queda es aislar un componente espectral, evaluar su poder y mantenerlo en un solo lugar. Si durante la exposición del holograma “recorre” todo el circuito de trabajo (debido, por ejemplo, a la inestabilidad de temperatura del resonador), volveremos a obtener los mismos 20 cm de coherencia.

1.5. Espectro de generación de láser de iones.

Hablemos brevemente sobre el espectro de generación de otro láser de gas: el argón. Este láser, al igual que el láser de criptón, pertenece a los láseres de iones, es decir. En el proceso de generación de radiación coherente, ya no participan los átomos de argón, sino sus iones, es decir, átomos, uno o más electrones de cuya capa exterior se arrancan bajo la influencia de una poderosa descarga de arco que pasa a través del activo. sustancia. La corriente de descarga alcanza varias decenas de amperios, la potencia eléctrica de la fuente de alimentación es de varias decenas de kilovatios. Es necesario un enfriamiento intensivo con agua del elemento activo, de lo contrario se producirá su destrucción térmica. Naturalmente, en condiciones tan duras, el panorama de la excitación de los átomos de argón es aún más complejo. Se generan varios láseres a la vez. líneas espectrales, la anchura del contorno de trabajo de cada uno de ellos es claramente mayor que la anchura del contorno de la línea láser de He-Ne y asciende a varios gigahercios. En consecuencia, la longitud de coherencia del láser se reduce a varios centímetros. Para grabar hologramas de gran formato, se requiere la selección de frecuencia del espectro de generación, lo cual se discutirá en la segunda parte de este artículo.

1.6. Espectro de generación de un láser semiconductor.

Pasemos a considerar el espectro de emisión de un láser semiconductor, que es de gran interés para el proceso de enseñanza de la holografía y para los holografistas principiantes. Históricamente, los láseres semiconductores de inyección basados ​​en arseniuro de galio fueron los primeros en desarrollarse, Fig. a la derecha.

Dado que su diseño es bastante simple, consideremos el principio de funcionamiento de un láser semiconductor usando su ejemplo. La sustancia activa en la que se genera la radiación es un monocristal de arseniuro de galio, que tiene la forma de un paralelepípedo con lados de varios cientos de micrones de largo. Las dos caras laterales están paralelas y pulidas con un alto grado de precisión. Debido a indicador grande refracción (n = 3,6), en la interfaz cristal-aire resulta bastante coeficiente grande reflexión (alrededor del 35%), que es suficiente para generar radiación coherente sin deposición adicional de espejos reflectantes. Las otras dos caras del cristal están biseladas en cierto ángulo; La radiación inducida no escapa a través de ellos. La generación de radiación coherente se produce en la unión p-n, que se crea mediante la difusión de impurezas aceptoras (Zn, Cd, etc.) en la región del cristal dopada con impurezas donantes (Te, Se, etc.). Espesor de la región activa perpendicular a Unión PN La dirección es de aproximadamente 1 µm. Desafortunadamente, en este diseño de láser semiconductor, el umbral de densidad de corriente de la bomba resulta ser bastante alto (alrededor de 100 mil amperios por 1 cm cuadrado). Por lo tanto, este láser se destruye instantáneamente cuando se opera en modo continuo a temperatura ambiente y requiere un enfriamiento fuerte. El láser funciona de forma estable a temperaturas nitrógeno líquido(77 K) o helio (4,2 K).

Los láseres semiconductores modernos se fabrican sobre la base de heterouniones dobles, Fig. a la derecha. En tal estructura, la densidad de corriente umbral se redujo en dos órdenes de magnitud, a 1000 A/cm. metros cuadrados. A esta densidad de corriente es posible trabajo estable láser semiconductor y a temperatura ambiente. Las primeras muestras de láser operaron en el rango infrarrojo (850 nm). Con una mayor mejora de la tecnología para formar capas semiconductoras, aparecieron láseres con una longitud de onda aumentada (1,3 - 1,6 μm) para lineas de fibra optica conexión, y con la generación de radiación en la región visible (650 nm). Ya existen láseres que emiten en la región azul del espectro. La gran ventaja de los láseres semiconductores es su alta eficiencia (relación entre energía de radiación y energía eléctrica bombeo), que alcanza el 70%. Para los láseres de gas, tanto atómicos como iónicos, la eficiencia no supera el 0,1%.

Debido a la naturaleza específica del proceso de generación de radiación en un láser semiconductor, el ancho del espectro de radiación es mucho mayor que el ancho del espectro del láser He-Ne, Fig. a la derecha.

La anchura del contorno de trabajo es de aproximadamente 4 nm. Número armónicos espectrales puede llegar a varias docenas. Esto impone una limitación importante a la longitud de coherencia del láser. Si utilizamos las fórmulas (1), (5), la longitud de coherencia teórica será de sólo 0,1 mm. Sin embargo, como lo demuestran las mediciones directas de la longitud de coherencia en un interferómetro de Michelson y el registro de hologramas reflectantes, la longitud de coherencia real de los láseres semiconductores alcanza los 4-5 cm. Esto sugiere que el espectro de emisión real de un láser semiconductor no es tan rico en. armónicos y no tiene una transición de trabajador de ancho de contorno tan grande, como predice la teoría. Sin embargo, para ser justos, vale la pena señalar que el grado de coherencia de la radiación láser semiconductora varía mucho tanto de una muestra a otra como de su modo de funcionamiento (corriente de bomba, condiciones de enfriamiento, etc.).