Couleur du rayonnement laser et matériau du milieu actif. Que sont les bandes X, K, Ka, Laser, qu'est-ce que POP

Les lasers deviennent des outils de recherche de plus en plus importants en médecine, physique, chimie, géologie, biologie et ingénierie. S'ils ne sont pas utilisés correctement, ils peuvent provoquer un éblouissement et des blessures (y compris des brûlures et des chocs électriques) aux opérateurs et aux autres membres du personnel, y compris les spectateurs dans le laboratoire, ainsi que des dommages matériels importants. Les utilisateurs de ces appareils doivent bien comprendre et appliquer les précautions de sécurité nécessaires lors de leur manipulation.

Qu'est-ce qu'un laser ?

Le mot « laser » (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est une abréviation qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». La fréquence du rayonnement généré par le laser se situe dans ou près de la partie visible spectre électromagnétique. L'énergie est amplifiée à une intensité extrêmement élevée grâce à un processus appelé émission induite par laser.

Le terme « rayonnement » est souvent mal compris car il est également utilisé pour décrire B dans ce contexte cela signifie le transfert d’énergie. L'énergie est transférée d'un endroit à un autre par conduction, convection et rayonnement.

Il y a beaucoup de divers types lasers fonctionnant dans environnements différents. Des gaz sont utilisés comme fluide de travail (par exemple, l'argon ou un mélange d'hélium et de néon), cristaux durs(par exemple rubis) ou des colorants liquides. Lorsque de l'énergie est fournie au milieu de travail, elle est excitée et libère de l'énergie sous forme de particules de lumière (photons).

Une paire de miroirs situés à chaque extrémité d'un tube scellé réfléchit ou transmet la lumière dans un flux concentré appelé faisceau laser. Chaque environnement d’exploitation produit un faisceau d’une longueur d’onde et d’une couleur uniques.

La couleur de la lumière laser est généralement exprimée par la longueur d'onde. Il est non ionisant et comprend les parties ultraviolettes (100-400 nm), visibles (400-700 nm) et infrarouges (700 nm - 1 mm) du spectre.

Spectre électromagnétique

Chaque onde électromagnétique a une fréquence et une longueur uniques associées à ce paramètre. Tout comme la lumière rouge a sa propre fréquence et sa propre longueur d’onde, toutes les autres couleurs – orange, jaune, vert et bleu – ont des fréquences et des longueurs d’onde uniques. Les humains sont capables de percevoir ces ondes électromagnétiques, mais sont incapables de voir le reste du spectre.

Le rayonnement ultraviolet a également la fréquence la plus élevée. L'infrarouge, le rayonnement micro-ondes et les ondes radio occupent basses fréquences spectre La lumière visible se situe dans une plage très étroite entre les deux.

impact sur les humains

Le laser produit un faisceau de lumière intense et dirigé. S'il est dirigé, réfléchi ou focalisé sur un objet, le faisceau sera partiellement absorbé, augmentant la température de la surface et de l'intérieur de l'objet, ce qui peut entraîner une modification ou une déformation du matériau. Ces qualités, utilisées dans la chirurgie au laser et dans le traitement des matériaux, peuvent être dangereuses pour les tissus humains.

Outre les rayonnements qui ont un effet thermique sur les tissus, les rayonnements laser qui produisent un effet photochimique sont dangereux. Son état est une partie suffisamment courte, c'est-à-dire ultraviolette ou bleue du spectre. Les appareils modernes produisent un rayonnement laser dont l'impact sur l'homme est minimisé. Les lasers de faible puissance n’ont pas assez d’énergie pour causer des dommages et ne présentent aucun danger.

Les tissus humains sont sensibles à l’énergie et, dans certaines circonstances, les rayonnements électromagnétiques, notamment les rayonnements laser, peuvent causer des dommages aux yeux et à la peau. Des études ont été menées sur les niveaux seuils de rayonnement traumatique.

Risque pour les yeux

L’œil humain est plus susceptible aux blessures que la peau. La cornée (la surface externe transparente de l’œil), contrairement au derme, ne possède pas de couche externe de cellules mortes pour la protéger des influences environnementales. Le laser est absorbé par la cornée de l'œil, ce qui peut lui causer des dommages. La blessure s'accompagne d'un gonflement de l'épithélium et d'une érosion, et en cas de blessures graves, d'une opacification de la chambre antérieure.

Le cristallin de l’œil peut également être sujet à des blessures lorsqu’il est exposé à divers rayonnements laser – infrarouge et ultraviolet.

Le plus grand danger, cependant, est l'impact du laser sur la rétine dans la partie visible du spectre optique - de 400 nm (violet) à 1 400 nm (proche infrarouge). Dans cette région du spectre, les faisceaux collimatés sont focalisés sur de très petites zones de la rétine. L'impact le plus défavorable se produit lorsque l'œil regarde au loin et est touché par un faisceau direct ou réfléchi. Dans ce cas, sa concentration sur la rétine atteint 100 000 fois.

Ainsi, un faisceau visible d'une puissance de 10 mW/cm 2 affecte la rétine avec une puissance de 1000 W/cm 2. C’est plus que suffisant pour causer des dégâts. Si l'œil ne regarde pas au loin, ou si le faisceau est réfléchi par une lumière diffuse, surface du miroir, entraîne beaucoup plus de blessures rayonnement puissant. Exposition laser Il n’y a pas d’effet de focalisation sur la peau, elle est donc beaucoup moins susceptible d’être blessée à ces longueurs d’onde.

Rayons X

Certains systèmes haute tension avec des tensions supérieures à 15 kV peuvent générer Rayons X puissance importante : rayonnement laser dont les sources sont puissantes avec pompage électronique, ainsi que les systèmes plasma et les sources d'ions. Ces appareils doivent être testés pour garantir, entre autres, un blindage adéquat.

Classification

Selon la puissance ou l'énergie du faisceau et la longueur d'onde du rayonnement, les lasers sont divisés en plusieurs classes. La classification est basée sur le potentiel de l'appareil à provoquer des blessures immédiates aux yeux, à la peau ou un incendie lorsqu'il est directement exposé au faisceau ou lorsqu'il est réfléchi par des surfaces réfléchissantes diffuses. Tous les lasers commerciaux doivent être identifiés par des marquages ​​qui leur sont appliqués. Si le dispositif a été fabriqué maison ou s'il n'est pas marqué, des conseils doivent être obtenus concernant sa classification et son étiquetage appropriés. Les lasers se distinguent par leur puissance, leur longueur d'onde et leur durée d'exposition.

Appareils sécurisés

Les appareils de première classe génèrent un rayonnement laser de faible intensité. Il ne peut pas atteindre niveau dangereux, les sources sont donc exemptées de la plupart des contrôles ou autres formes de surveillance. Exemple : imprimantes laser et lecteurs CD.

Appareils à sécurité conditionnelle

Les lasers de seconde classe émettent dans la partie visible du spectre. Il s'agit d'un rayonnement laser dont les sources provoquent chez l'homme réaction normale trop de rejet lumière brillante (réflexe de clignement). Lorsqu'il est exposé au faisceau, l'œil humain clignote en 0,25 s, ce qui offre une protection suffisante. Cependant, le rayonnement laser dans le domaine visible peut endommager l’œil en cas d’exposition constante. Exemples : pointeurs laser, lasers géodésiques.

Les lasers de classe 2a sont des appareils but spécial avec une puissance de sortie inférieure à 1 mW. Ces appareils ne causent des dommages que s’ils sont directement exposés pendant plus de 1 000 secondes au cours d’une journée de travail de 8 heures. Exemple : lecteurs de codes-barres.

Lasers dangereux

La classe 3a comprend les dispositifs qui ne provoquent pas de blessures lors d'une exposition à court terme à un œil non protégé. Peut présenter un danger lors de l'utilisation d'optiques de focalisation telles que des télescopes, des microscopes ou des jumelles. Exemples : laser hélium-néon 1-5 mW, certains pointeurs laser et niveaux de bâtiments.

Le faisceau laser de classe 3b peut provoquer des blessures par exposition directe ou image miroir. Exemple : Laser Hélium-Néon 5-500 mW, nombreux lasers de recherche et thérapeutiques.

La classe 4 comprend les appareils dont les niveaux de puissance sont supérieurs à 500 mW. Ils sont dangereux pour les yeux, la peau et présentent également un risque d'incendie. L'impact du faisceau, de son miroir ou reflets diffus peut provoquer des blessures aux yeux et à la peau. Toutes les mesures de sécurité doivent être prises. Exemple : lasers Nd:YAG, écrans, chirurgie, découpe de métal.

Rayonnement laser : protection

Chaque laboratoire doit assurer une protection adéquate aux personnes travaillant avec des lasers. Les fenêtres de la pièce à travers lesquelles le rayonnement d'un appareil de classe 2, 3 ou 4 peut passer et causer des dommages dans des zones non contrôlées doivent être couvertes ou autrement protégées pendant que cet appareil fonctionne. Pour garantir une protection oculaire maximale, les mesures suivantes sont recommandées.

• Le paquet doit être enfermé dans une enceinte de protection non réfléchissante et ininflammable afin de minimiser le risque d'exposition accidentelle ou d'incendie. Pour aligner le faisceau, utilisez des écrans fluorescents ou des viseurs secondaires ; Éviter le contact direct avec les yeux.
• Utilisez la puissance la plus faible pour la procédure d’alignement du faisceau. Si possible, utilisez des appareils bas de gamme pour les procédures d'alignement préliminaires. Évitez la présence d'objets réfléchissants inutiles dans la zone d'exploitation du laser.
• Limiter le passage du faisceau dans la zone dangereuse en heures non travaillées en utilisant des barrières et d'autres barrières. N'utilisez pas les murs de la pièce pour aligner le faisceau des lasers de classe 3b et 4.
• Utilisez des outils non réfléchissants. Certains équipements qui ne réfléchissent pas la lumière visible se reflètent dans la région invisible du spectre.
• Ne portez pas de bijoux réfléchissants. Les bijoux en métal augmentent également le risque de choc électrique.

Lunettes de protection

Lorsque vous travaillez avec des lasers de classe 4 à ouverture zone dangereuse ou lorsqu'il existe un risque de réflexion, des lunettes de sécurité doivent être utilisées. Leur type dépend du type de rayonnement. Les lunettes doivent être choisies pour protéger contre les reflets, en particulier les reflets diffus, et pour offrir une protection à un niveau tel que le réflexe de protection naturel peut prévenir les blessures aux yeux. De tels dispositifs optiques maintiendront une certaine visibilité du faisceau, préviendront les brûlures cutanées et réduiront le risque d’autres accidents.

Facteurs à considérer lors du choix des lunettes de sécurité :

• longueur d'onde ou région du spectre de rayonnement ;
• densité optique à une certaine longueur d'onde ;
• éclairement maximum (W/cm2) ou puissance du faisceau (W) ;
• type de système laser ;
• mode puissance - rayonnement laser pulsé ou mode continu ;
• possibilités de réflexion - spéculaire et diffuse ;
• ligne de mire;
• la présence de verres correcteurs ou de taille suffisante pour permettre le port de lunettes de correction de la vue ;
• confort;
• la présence de trous d'aération pour éviter la buée ;
• influence sur la vision des couleurs;
• résistance aux chocs;
• capacité à effectuer les tâches nécessaires.

Étant donné que les lunettes de sécurité sont susceptibles d'être endommagées et usées, le programme de sécurité du laboratoire doit inclure une inspection périodique de ces dispositifs de sécurité.

Un laser est un générateur d'ondes optiques qui utilise l'énergie d'atomes ou de molécules à émission induite dans des milieux avec une population inverse de niveaux d'énergie, qui ont la propriété d'amplifier la lumière de longueurs d'onde spécifiques. Pour amplifier la lumière plusieurs fois, un résonateur optique est utilisé, composé de 2 miroirs. Grâce à diverses méthodes de pompage, un milieu actif est créé dans l'élément actif.

Figure 1 - Schéma du dispositif laser

En raison des conditions ci-dessus, un spectre est généré dans le laser, illustré à la figure 2 (le nombre de modes laser est contrôlé par la longueur du résonateur) :

Figure 2 - Spectre des modes laser longitudinaux

Les lasers ont haut degré monochromaticité, un degré élevé de directivité et de polarisation du rayonnement avec une intensité et une luminosité significatives, un degré élevé de cohérence temporelle et spatiale, peuvent être réorganisés en longueurs d'onde et peuvent émettre des impulsions lumineuses d'une durée record, contrairement aux sources de lumière thermique.

Tout au long du développement des technologies laser, une large liste de lasers et de systèmes laser a été créée qui satisfont les besoins grâce à leurs caractéristiques. technologie laser, y compris la biotechnologie. En raison du fait que la complexité de la conception des systèmes biologiques et la diversité significative de la nature de leur interaction avec la lumière déterminent la nécessité d'utiliser de nombreux types de systèmes laser en photobiologie, et stimulent également le développement de nouveaux dispositifs laser, y compris la livraison systèmes rayonnement laserà l’objet de recherche ou d’influence.

Comme la lumière ordinaire, le rayonnement laser est réfléchi, absorbé, réémis et diffusé par l’environnement biologique. Tous les processus répertoriés transporter des informations sur la micro et macro structure d'un objet, le mouvement et la forme de ses différentes parties.

La monochromaticité est élevée densité spectrale La puissance du rayonnement laser, ou cohérence temporelle significative du rayonnement, permet : analyse spectrale avec une résolution de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des spectromètres traditionnels ; un haut degré de sélectivité pour l'excitation d'un certain type de molécules dans leur mélange, essentiel pour la biotechnologie ; mise en œuvre de méthodes interférométriques et holographiques pour diagnostiquer des objets biologiques.

Étant donné que les faisceaux laser sont pratiquement parallèles, le diamètre du faisceau lumineux augmente légèrement à mesure que la distance augmente. Propriétés répertoriées Un faisceau laser vous permet d’influencer sélectivement différentes zones de tissus biologiques, créant ainsi une grande densité d’énergie ou de puissance dans un petit point.

Les installations laser sont divisées dans les groupes suivants :

1) Lasers haute puissance sur néodyme, monoxyde de carbone, gaz carbonique, argon, rubis, vapeurs métalliques, etc.;

2) Lasers à rayonnement de faible énergie (hélium-cadmium, hélium-néon, azote, colorants, etc.), qui n'ont pas d'effet thermique prononcé sur les tissus corporels.

Il existe actuellement des systèmes laser qui génèrent un rayonnement dans les régions ultraviolettes, visibles et infrarouges du spectre. Les effets biologiques provoqués par le rayonnement laser dépendent de la longueur d'onde et de la dose de rayonnement lumineux.

En ophtalmologie, ils utilisent souvent : le laser excimer (d'une longueur d'onde de 193 nm) ; argon (488 nm et 514 nm) ; le krypton (568 nm et 647 nm) ; laser hélium-néon (630 nm) ; diode (810 nm) ; Laser ND:YAG à doublement de fréquence (532 nm), générant également à une longueur d'onde de 1,06 μm ; Laser à dioxyde de carbone 10 (10,6 µm). La portée du rayonnement laser en ophtalmologie est déterminée par la longueur d'onde.

Les installations laser reçoivent leurs noms en fonction du milieu actif, et une classification plus détaillée comprend les lasers à semi-conducteurs, à gaz, à semi-conducteurs, liquides et autres. La liste des lasers à solide comprend : le néodyme, le rubis, l'alexandrite, l'erbium, l'holmium ; les gaz comprennent : l'argon, l'excimère, la vapeur de cuivre ; aux liquides : lasers qui fonctionnent sur des solutions colorantes et autres.

La révolution a été réalisée par les lasers à semi-conducteurs émergents en raison de leur efficacité due à leur rendement élevé (jusqu'à 60 à 80 % contre 10 à 30 % pour les lasers traditionnels), leur petite taille et leur fiabilité. Parallèlement, d’autres types de lasers continuent d’être largement utilisés.

L’une des propriétés les plus importantes de l’utilisation des lasers est leur capacité à former un motif moucheté lorsqu’un rayonnement cohérent est réfléchi par la surface d’un objet. La lumière diffusée par la surface est constituée de taches claires et sombres situées de manière chaotique - des taches. Le motif de taches est formé sur la base de l'interférence complexe d'ondes secondaires provenant de petits centres de diffusion situés à la surface de l'objet étudié. Étant donné que la grande majorité des objets biologiques étudiés ont une surface rugueuse et une hétérogénéité optique, ils forment toujours un motif de taches et introduisent ainsi des distorsions dans les résultats finaux de l'étude. À son tour, le champ de speckle contient des informations sur les propriétés de la surface étudiée et de la couche proche de la surface, qui peuvent être utilisées à des fins de diagnostic.

En chirurgie ophtalmique, les lasers sont utilisés dans les domaines suivants :

En chirurgie de la cataracte : pour détruire l'accumulation de cataracte sur le cristallin et la discision de la capsule postérieure du cristallin lorsqu'elle s'opacifie en période postopératoire ;

En chirurgie du glaucome : lors de la réalisation d'une gonioponction au laser, d'une trabéculoplastie, de l'ablation au laser excimer des couches profondes du lambeau scléral, lors de la réalisation d'une procédure de sclérectomie profonde non pénétrante ;

En oncochirurgie ophtalmique : pour éliminer certains types de tumeurs situées à l’intérieur de l’œil.

Les propriétés les plus importantes inhérentes au rayonnement laser sont : la monochromaticité, la cohérence, la directivité, la polarisation.

La cohérence (du latin cohaerens, connecté, connecté) est l'apparition coordonnée dans le temps de plusieurs processus d'ondes oscillatoires de même fréquence et polarisation ; une propriété de deux ou plusieurs processus d'ondes oscillatoires qui détermine leur capacité, lorsqu'ils sont ajoutés, à s'améliorer ou à s'affaiblir mutuellement. Les oscillations seront dites cohérentes si la différence de leurs phases reste constante tout au long de l'intervalle de temps et en additionnant les oscillations, on obtient une oscillation de même fréquence. L'exemple le plus simple deux oscillations cohérentes - deux oscillations sinusoïdales de même fréquence.

La cohérence des ondes implique qu'en différents points de l'onde, les oscillations se produisent de manière synchrone ; en d'autres termes, la différence de phase entre deux points n'est pas liée au temps ; Le manque de cohérence signifie que la différence de phase entre deux points n’est pas constante et évolue donc dans le temps. Cette situation se produit si l'onde est générée non pas par une seule source de rayonnement, mais par un groupe d'émetteurs identiques, mais indépendants les uns des autres.

Souvent, des sources simples émettent des oscillations incohérentes, tandis que les lasers émettent des oscillations cohérentes. En vertu de de cette propriété le rayonnement laser est focalisé au maximum, il a la capacité d'interférer, est moins sensible à la divergence et a la capacité d'obtenir une densité d'énergie ponctuelle plus élevée.

Monochromaticité (grec monos - un, seulement + chroma - couleur, peinture) - rayonnement d'une fréquence ou d'une longueur d'onde spécifique. Le rayonnement peut être conditionnellement accepté comme monochromatique s'il appartient à la gamme spectrale de 3 à 5 nm. S'il n'y en a qu'un seul autorisé transition électronique de l'état excité à l'état fondamental, alors il est créé rayonnement monochromatique.

La polarisation est une symétrie dans la distribution de la direction du vecteur d'intensité du champ électrique et magnétique dans une onde électromagnétique par rapport à la direction de sa propagation. Une onde sera dite polarisée si deux composantes mutuellement perpendiculaires du vecteur intensité champ électrique osciller avec une différence de phase constante dans le temps. Non polarisé - si les changements se produisent de manière chaotique. Dans une onde longitudinale, l'apparition d'une polarisation n'est pas possible, car des perturbations dans ce type les ondes coïncident toujours avec la direction de propagation. Le rayonnement laser est une lumière hautement polarisée (de 75 à 100 %).

Directionnalité (l'une des plus propriétés importantes rayonnement laser) - la capacité du rayonnement à sortir d'un laser sous la forme d'un faisceau lumineux avec une très faible divergence. Cette caractéristique est la conséquence la plus simple du fait que le milieu actif est situé dans un résonateur (par exemple un résonateur plan parallèle). Dans un tel résonateur, seules les ondes électromagnétiques se propageant le long de l'axe du résonateur ou à proximité immédiate de celui-ci sont supportées.

Les principales caractéristiques du rayonnement laser sont : la longueur d'onde, la fréquence, les paramètres énergétiques. Ces caractéristiques sont biotropes, c'est-à-dire qu'elles déterminent l'effet des rayonnements sur les objets biologiques.

Longueur d'onde ( je) représente la plus petite distance entre deux points oscillants adjacents d'une même onde. Souvent en médecine, la longueur d'onde est spécifiée en micromètres (µm) ou en nanomètres (nm). En fonction de la longueur d'onde, le coefficient de réflexion, la profondeur de pénétration dans les tissus corporels, l'absorption et l'effet biologique du rayonnement laser changent.

La fréquence caractérise le nombre d'oscillations effectuées par unité de temps et est l'inverse de la longueur d'onde. Généralement exprimé en hertz (Hz). À mesure que la fréquence augmente, l’énergie du quantum lumineux augmente. On les distingue : la fréquence naturelle du rayonnement (pour un seul générateur d'oscillations laser est inchangée) ; fréquence de modulation (dans les systèmes laser médicaux, elle peut varier de 1 à 1 000 Hz). Les paramètres énergétiques de l’irradiation laser sont également d’une grande importance.

Il est d’usage de distinguer trois principaux caractéristiques physiques dosage : puissance de rayonnement, énergie (dose) et densité de dose.

Puissance de rayonnement (flux de rayonnement, flux d'énergie radiante, R.) -représente plein d'énergie, qui est transféré par la lumière par unité de temps à travers une surface donnée ; puissance moyenne un rayonnement électromagnétique, qui est transféré à travers n’importe quelle surface. Généralement mesuré en watts ou en multiples.

Exposition énergétique (dose de rayonnement, H) est l'irradiation énergétique par le laser pendant une certaine période de temps ; la puissance d’une onde électromagnétique émise par unité de temps. Mesuré en [J] ou [W*s]. La capacité de travailler est la signification physique de l’énergie. Ceci est typique lorsque le travail entraîne des modifications dans les tissus grâce aux photons. L'effet biologique de l'irradiation lumineuse est caractérisé par l'énergie. Dans ce cas, le même effet biologique se produit (par exemple le bronzage) que dans le cas de lumière du soleil, peut être obtenu avec une puissance et un temps d'exposition faibles ou une puissance élevée et une exposition courte. Les effets obtenus seront identiques, avec la même dose.

La densité de dose « D » est l'énergie reçue par unité de surface d'exposition. L'unité SI est [J/m2]. Une représentation en unités de J/cm 2 est également utilisée, car les zones touchées sont généralement mesurées en centimètres carrés.

Le système oscillatoire d'un laser contient un milieu actif, le spectre du rayonnement laser doit donc être déterminé comme suit : propriétés spectrales l'environnement et les propriétés fréquentielles du résonateur. Considérons la formation du spectre d'émission en cas d'élargissement inhomogène et uniforme de la raie spectrale du milieu.

Spectre d'émission avec élargissement spectral non uniforme ; lignes. Considérons le cas où la forme de la raie spectrale du milieu est principalement déterminée par l'effet Doppler, et l'interaction des particules du milieu peut être négligée. L'élargissement Doppler de la raie spectrale est inhomogène (voir.§12.2).

En figue. 15.10, a montre la réponse en fréquence du résonateur, et sur la Fig. La figure 15.10b montre le contour de la raie spectrale du milieu. Typiquement, la largeur de la raie spectrale avec élargissement Doppler ∆ ν = ∆ νD est beaucoup plus grande que l'intervalle ∆ νq entre les fréquences des modes de résonateur voisins. La valeur ∆ νq, déterminée par la formule (15.2), par exemple, avec une longueur de résonateur L = 0,5 m sera de 300 MHz, tandis que la largeur de la raie spectrale due à l'effet Doppler ∆ νD selon la formule (12.31) peut être d'environ 1 GHz. Dans cet exemple, dans la largeur de raie spectrale du milieu∆ ν≈∆ νД ; trois modes longitudinaux sont placés. Avec une longueur de résonateur plus grande, le nombre de modes dans la largeur de ligne augmente, puisque l'intervalle de fréquence ∆ νq des modes voisins diminue.

L'élargissement Doppler est inhomogène, c'est-à-dire que l'émission spontanée dans une gamme de fréquences sélectionnée inférieure à ∆ νD est créée par un certain groupe de particules, et non par toutes.

particules de l'environnement. Supposons que la largeur de raie naturelle d'une particule est nettement inférieure à la différence de fréquences des modes voisins (par exemple, la largeur de raie naturelle

le néon est proche de 16 MHz). Ensuite, les particules qui excitent un certain mode par leur émission spontanée ne provoqueront pas l'excitation d'autres modes.

Pour déterminer le spectre du rayonnement laser, nous utiliserons la dépendance en fréquence du coefficient d’absorption æ dans la loi de Bouguer (12.50). Cet indicateur est proportionnel à la différence entre les populations des niveaux de transition supérieur et inférieur. Dans un milieu sans inversion de population æ >0 et caractérise l'absorption d'énergie Champ électromagnétique. En présence d'inversionæ<0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления milieu actifæ une (æ une =|æ |).

La dépendance en fréquence de l'indice de gain æ a (ν) selon la formule (12.44) coïncide avec la forme de la raie spectrale du milieu lorsque les populations de niveaux sont constantes ou changent légèrement en raison de transitions forcées. Une telle coïncidence sera observée si une inversion de population est créée et que les conditions d'auto-excitation du laser ne sont pas encore remplies (par exemple, il n'y a pas de miroirs dans la cavité). En figue. 15.10, la ligne pointillée montre une telle dépendance initiale en fréquence. Avec l'élargissement Doppler de la raie spectrale, la dépendance est exprimée par une fonction gaussienne et a une largeur ∆ νD comme le montre la Fig. 15.10, b.

Supposons que les conditions d'auto-excitation soient remplies. Ensuite, l'émission spontanée d'une particule provoquera des transitions forcées d'autres particules si la fréquence de l'émission spontanée de ces dernières se situe approximativement dans la largeur naturelle de la raie spectrale de la particule excitatrice. En raison de l'inversion de la population, des transitions forcées du haut vers le bas prévaudront, c'est-à-dire que la population haut niveau devrait diminuer, le plus bas devrait augmenter et l'indice de gain æ a devrait diminuer.

Le champ dans le résonateur est maximum aux fréquences de résonance des modes. C’est à ces fréquences que l’on observera le plus grand changement dans les populations des niveaux de transition. Par conséquent, des creux apparaîtront sur la courbe æ a (ν) au voisinage des fréquences de résonance (voir Fig. 15.10, c).

Une fois la condition d’auto-excitation remplie, la profondeur du creux aux fréquences de résonance augmente jusqu’à ce que le régime apparaisse ; oscillations stationnaires, auxquelles l'indice de gain deviendra égal à l'indice de perte α conformément à la condition (15.13). La largeur de chaque creux est approximativement égale à la largeur naturelle de la raie des particules si la puissance générée à la fréquence en question est faible. Plus la puissance, et donc la densité d'énergie du champ volumétrique, qui affecte le nombre de transitions forcées, est grande, plus l'écart est grand. À faible puissance, le gain dans une encoche est indépendant du gain dans une autre encoche, puisque les encoches ne se chevauchent pas en raison de l'hypothèse initiale selon laquelle la largeur naturelle de la raie est inférieure à la distance entre les fréquences de résonance. Les oscillations à ces fréquences peuvent être considérées comme indépendantes. En figue. La figure 15.10d montre que le spectre du rayonnement laser contient trois raies d'émission correspondant à trois modes longitudinaux du résonateur. La puissance de rayonnement de chaque mode dépend de la différence entre les valeurs initiales et stationnaires de l'indice de gain,

comme dans la formule (15.21), c'est-à-dire qu'elle est déterminée par la profondeur des creux correspondants sur la Fig. 15h10, à. Nous allons déterminer la largeur de chaque raie d'émission δν à la fin de la section, et nous allons maintenant discuter de l'effet de la puissance de la pompe sur le nombre de modes générés pour des pertes données.

Si la puissance de la pompe est si faible que la valeur maximale du gain moyen (courbe 1 sur la Fig. 15.11, b) n'atteint pas la valeur seuil égale à α, alors aucun des modes déterminés par la réponse en fréquence du résonateur n'est excité (Fig. 15.11, a). La courbe 2 correspond à une puissance de pompe plus élevée, ce qui garantit que la fréquence centrale de la raie spectrale du milieu ν0 dépasse la valeur seuil. Ce cas correspond à un creux sur la Fig. 15.11,c et génération d'un mode longitudinal (Fig. 15.11,d). Une augmentation supplémentaire de la puissance de la pompe garantira que les conditions d'auto-excitation soient remplies pour les autres modes (courbe 3). En conséquence, les creux de la courbe indicatrice et le spectre d’émission seront représentés comme sur la Fig. 15.10, dans Ig.

Spectre d'émission avec élargissement uniforme de la raie spectrale. Un élargissement uniforme de la raie spectrale est observé dans le cas où la cause principale de l'élargissement est la collision | (ou interaction) de particules du milieu(§12.2) .

Supposons, comme dans le cas d'un élargissement inhomogène, que plusieurs fréquences propres du résonateur rentrent dans la raie spectrale du milieu. En figue. 15.12a montre la réponse en fréquence du résonateur, indiquant la fréquence et la largeur des courbes de résonance de chaque mode ∆ νp. Courbe 1 sur la Fig. 15.12b représente la dépendance en fréquence de l'indice de gain d'un milieu avec inversion de population avant l'auto-excitation du laser.

La raie spectrale de chaque particule et de l'ensemble du milieu coïncide avec un élargissement uniforme, donc l'émission spontanée de n'importe quelle particule peut provoquer une stimulation

transitions d'autres particules. Par conséquent, lors de transitions forcées dans l'environnement spécifié avec inversion de population, la dépendance en fréquence de æ a pendant la génération (courbe 2) restera la même qu'avant la génération (courbe 1), mais sera située en dessous. Les creux observés avec un élargissement inhomogène des lignes (voir Fig. 15.11c) sont absents ici, puisque désormais toutes les particules du milieu participent à la création de la puissance du rayonnement laser.

En figue. 15.12, b, les conditions d'auto-excitation æ a > α sont satisfaites pour trois modes de fréquences νq-1, νq = ν0 et νq+1. Cependant, à la fréquence centrale de la raie spectrale ν0, le gain par simple passage du rayonnement à travers le milieu actif est maximum. Du fait d’un plus grand nombre de passages, la principale contribution à la puissance de rayonnement viendra du mode à fréquence centrale.

Ainsi, dans les lasers à élargissement uniforme de la raie spectrale du milieu, il est possible d'obtenir un régime monofréquence avec une puissance élevée (Fig. 15.12c), puisque, contrairement au cas d'élargissement inhomogène, une réduction de la puissance de pompe n’est pas tenu d’obtenir ce régime.

Monochromaticité du rayonnement laser. La génération d'oscillations dans tout dispositif quantique commence par une émission spontanée, dont la dépendance en fréquence de l'intensité est caractérisée par la raie spectrale du milieu. Cependant, dans le domaine optique, la largeur de la raie spectrale du milieu est nettement supérieure à la largeur des courbes de résonance ∆ νp d'un résonateur passif (sans milieu actif) en raison du facteur de qualité Q élevé de ce dernier. Valeur ∆ νP =ν0 /Q, où ν0 est la fréquence de résonance. S'il y a un milieu actif dans le résonateur, les pertes sont compensées (effet régénérateur), ce qui équivaut à une augmentation du facteur de qualité et à une diminution de la largeur de la courbe de résonance ∆ νp jusqu'à la valeur δ ν.

Dans le cas de la génération d'un mode de fréquence ν0, la largeur de raie du rayonnement laser peut être estimée à l'aide de la formule

où P est la puissance de rayonnement. Une augmentation de la puissance de rayonnement correspond à une plus grande

compensation des pertes, augmentant le facteur de qualité et réduisant la largeur de la raie d'émission. Si ∆ νp =l MHz, ν0 =5·1014 Hz, Р =1 mW, alors δ νtheor ≈ 10-2 Hz, et le rapport δ νtheor /ν 0 ≈2·10-17. Ainsi, Valeur théorique la largeur de la raie d'émission s'avère extrêmement

petit, plusieurs ordres de grandeur inférieurs à la largeur des courbes de résonance ∆ νp. Cependant, dans conditions réellesà cause de influences acoustiques et les fluctuations de température, on observe une instabilité des dimensions du résonateur, conduisant à une instabilité des fréquences propres du résonateur et, par conséquent, des fréquences des raies de rayonnement laser. Par conséquent, la largeur réelle (technique) de la raie du rayonnement, compte tenu de cette instabilité, peut atteindre δ ν = 104 –105 Hz.

Le degré de monochromaticité du rayonnement laser peut être évalué par la largeur de la raie du rayonnement laser et la largeur de l'enveloppe du spectre du rayonnement laser contenant plusieurs raies d'émission (voir Fig. 15.10, d). Soit ∆ ν = 104 Hz, ν0 = 5.1014 Hz et la largeur de l'enveloppe spectrale δ o.c. = 300 MHz. Alors le degré de monochromaticité le long d'une ligne sera δ ν/ν0 ≈ 2·10-11, et le long de l'enveloppe δ ν/ν0 ≈ 6·10-7. L'avantage des lasers est la grande monochromaticité du rayonnement, notamment le long d'une ligne de rayonnement, ou dans un mode de fonctionnement monofréquence

§15.4. Cohérence, monochromaticité et directivité du rayonnement laser

DANS Appliquée aux vibrations optiques, la cohérence caractérise la connexion (corrélation) entre les phases des vibrations lumineuses. Il existe une cohérence temporelle et spatiale qui, dans les lasers, est associée à la monochromaticité et à la directionnalité du rayonnement.

DANS Dans le cas général, lorsque la corrélation des champs de rayonnement est étudiée en deux points de l'espace, respectivement, à des moments décalés d'une certaine valeur τ, la notion de fonction de cohérence mutuelle est utilisée

où r 1 et r 2 sont le rayon vecteur des premier et deuxième points E 1 (r 1,t+ τ) et E* 2 (r 2, t) sont les valeurs complexes et conjuguées complexes de l'intensité du champ à ces points. La fonction de cohérence mutuelle normalisée caractérise le degré de cohérence :

où I (r 1) et I (r 2) sont l'intensité du rayonnement en des points sélectionnés. Le module γ 12 (τ) varie de zéro à un. Lorsque γ 12 τ =0 il n'y a pas de cohérence, dans le cas de |γ 12 (τ )|=l il y a une cohérence complète

Cohérence temporelle et monochromaticité du rayonnement. La cohérence temporelle est la corrélation entre les valeurs de champ en un point de l'espace à des moments qui diffèrent d'une certaine quantitéτ. Dans ce cas, les vecteurs rayon r 1 et r 2 dans la détermination de la fonction de cohérence mutuelle Г 12 (r 1, r 2, τ) et fonctions γ 12 (τ ) s'avèrent égaux, la fonction de cohérence mutuelle se transforme en fonction d'autocorrélation et la fonction normalisée se transforme en fonctionγ 11 (τ ), caractérisant le degré de cohérence temporelle.

Il a été noté précédemment que lors de transitions spontanées, l'atome émet des trains de vibrations qui ne sont pas liées les unes aux autres (Fig. 15.13). La corrélation des oscillations en un point de l'espace ne sera observée que dans un intervalle de temps plus court que la durée du train. Cet intervalle est appelé temps de cohérence, et elle est prise égale à la durée de vie des transitions spontanées m. La distance parcourue par la lumière pendant le temps de cohérence est appelée. longueur de cohérence£. À τ ≈ 10-8 с £ =c τ =300 cm La longueur de cohérence peut également être exprimée à travers la largeur de la raie spectrale ∆ ν. Puisque ∆ ν≈ 1/τ, alors £ ≈ c /∆ ν.

La cohérence temporelle et la monochromaticité sont liées. La monochromaticité est déterminée quantitativement par le degré de monochromaticité ∆ ν/ ν0 (voir § 15.3). Plus le degré de cohérence temporelle est élevé, c'est-à-dire plus le temps de cohérence est long, moins Spectre de fréquences∆ ν occupé par le rayonnement et une meilleure monochromaticité. A la limite, avec une cohérence temporelle complète (τ →∞), le rayonnement est devenu complètement monochromatique (∆ ν→0).

Considérons la cohérence temporelle du rayonnement laser. Supposons qu'une certaine particule du milieu actif ait émis un quantum, que nous représenterons sous la forme d'un train d'oscillations (voir Fig. 15.13). Lorsqu'un train interagit avec une autre particule, un nouveau train apparaîtra dont la phase d'oscillations, en raison de la nature des transitions forcées, coïncide avec la phase d'oscillations du train d'origine. Ce processus est répété plusieurs fois, tandis que la corrélation de phase est maintenue. L’oscillation résultante peut être considérée comme un train d’une durée nettement supérieure à la durée du train initial. Ainsi, le temps de cohérence augmente, c'est-à-dire que la cohérence temporelle et la monochromaticité du rayonnement s'améliorent.

En relation avec cette considération, il devient évident qu'un résonateur optique augmente la cohérence temporelle du rayonnement laser, puisqu'il assure le passage répété des trains dans le milieu actif. Cette dernière équivaut à une augmentation de la durée de vie des émetteurs, une augmentation de la cohérence temporelle et une diminution de la largeur de raie.

Cohérence spatiale et directionnalité du rayonnement, La cohérence spatiale est la corrélation entre les valeurs de champ en deux points de l'espace au même instant. Dans ce cas, les formules de la fonction de cohérence mutuelle Г 12 (r 1 ,r 2 , τ ) et fonction de cohérence normalisée y 12 (τ ) devrait être remplacéτ =0. Fonction y 12 (0) caractérise le degré de cohérence spatiale.

Le rayonnement provenant d’une source ponctuelle est toujours spatialement cohérent. Le degré de cohérence spatiale d'une source étendue dépend de sa taille et de la distance qui la sépare des points d'observation. De l'optique, on sait que ce que taille plus grande source, plus l’angle dans lequel le rayonnement peut être considéré comme spatialement cohérent est petit. Une onde lumineuse ayant la meilleure cohérence spatiale doit avoir un front plat.

Dans les lasers, le rayonnement a une directivité élevée (front plat), déterminée par les propriétés de la cavité optique. La condition d'auto-excitation n'est satisfaite que pour une certaine direction dans le résonateur pour l'axe optique ou des directions proches de celui-ci. En conséquence, très grand nombre Grâce aux réflexions des miroirs, le rayonnement parcourt une grande distance, ce qui équivaut à une augmentation de la distance entre la source et le point d'observation. Ce trajet correspond à la longueur de cohérence et peut atteindre des dizaines de kilomètres pour les lasers à gaz. La haute directivité du rayonnement laser détermine également une cohérence spatiale élevée. Il est significatif que l'effet d'augmentation de la distance dans un laser s'accompagne d'une augmentation de la puissance du rayonnement du fait de son amplification dans le milieu actif, alors que dans les sources classiques une amélioration de la cohérence spatiale est associée à une perte d'intensité lumineuse.

Le degré élevé de cohérence temporelle du rayonnement détermine l'utilisation de lasers dans les systèmes de transmission d'informations, de mesure de distances et vitesses angulaires, dans les étalons de fréquence quantique. Un haut degré de cohérence spatiale (directivité) permet de transmettre efficacement l'énergie lumineuse et de concentrer le flux lumineux sur un point de très petite taille, comparable à la longueur d'onde. Cela permet d'obtenir d'énormes valeurs de densité d'énergie, d'intensité de champ et de pression lumineuse nécessaires à recherche scientifique et diverses applications techniques.

Attention! Des mesures de précaution:

Ne dirigez pas le rayonnement laser vers vos yeux ! Le contact direct du rayonnement laser dans les yeux est dangereux pour la vision !

Avec l'autorisation du surveillant des travaux, allumer le laser et installer l'écran et la grille de manière à ce que diagramme de diffractionétait le plus clair.

Changer la distance L, voyez comment cela affecte la position des maxima. Décrivez et dessinez ce que vous avez observé.

Placer le réseau de diffraction à une certaine distance L de la fente et mesurez les distances je 1 et je 2 (voir Fig. 9.3) pour les maxima du premier ordre. Calculez la longueur d’onde du rayonnement laser. Évaluer l'absolu et erreur relative mesure, enregistrez le résultat pour la longueur d’onde du laser.

Tâche 2.Détermination des longueurs d'onde de certaines couleurs du spectre

Dans cette tâche, la source lumineuse est une lampe à incandescence qui produit un spectre continu.

Mesures en tâche 2 effectué conformément aux instructions du lieu de travail. Les résultats des mesures sont inscrits dans le tableau. 9.1. Les distances doivent être déterminées je 1 et je 2 pour chaque couleur quatre fois : avec deux valeurs k et deux distances différentes L.

Tableau 9.1

Analyse et traitement des résultats de mesure

1. Décrivez le spectre observé dans le rapport, expliquez le fait que les maxima ont une largeur si importante.

2. Remplissez complètement le tableau. 9.1. Valeur constante d obtenez-le sur votre lieu de travail . Décrivez l’image que vous observez dans le rapport. Créez des tableaux de traitement pour chaque couleur et enregistrement résultat final selon les règles générales.

3. Comparez les valeurs de longueur d'onde que vous avez obtenues pour chaque couleur avec celles indiquées dans le tableau P. ...

Questions de contrôle

1. Définir : la diffraction des ondes, le principe de Geygens-Fresnel, la cohérence des ondes. Une réponse écrite à cette question doit être incluse dans le rapport.

2. Nommez les composants de la configuration du laboratoire et leur objectif.

3. Quelles grandeurs sont mesurées directement dans ce travail ? Lesquels sont calculés ?

4. Quel est le phénomène de diffraction de la lumière ? Dans quelles conditions est-il observé ?

5. Qu'est-ce qu'un réseau de diffraction et quels sont ses principaux paramètres ?

6. Dérivez la formule réseau de diffraction (9.3).

7. Définir la longueur d'onde. Quel est le rapport avec la fréquence de la lumière ?

8. Dans quelle gamme de longueurs d’onde se situe la lumière visible ?

9. Sortie et écriture formules de calcul pour déterminer les longueurs d'onde lumière visibleà l'aide d'un réseau de diffraction.

10. Comment l'angle de déviation du maximum de diffraction dépend-il de la longueur d'onde et de la période du réseau ?

11. Dans quel ordre les couleurs des maxima de diffraction se situent-elles à partir du maximum central ? Expliquez l’ordre des couleurs observé.

12.Quelle est la différence entre le rayonnement laser et lumière naturelle?

Ouvrage n°10. ÉTUDIER LA POLARISATION DE LA LUMIÈRE

But du travail: étudier le passage de la lumière à travers des polaroïds, vérifier la loi de Malus, évaluer la qualité des polaroïds, étudier la polarisation de la lumière traversant plusieurs plaques de verre.

Équipement: banc optique, source lumineuse, polariseur dans un cadre, analyseur combiné à une photocellule, jeu de plaques de verre, source d'alimentation, microampèremètre.

Brève théorie

De la théorie de Maxwell il résulte que l'onde lumineuse est transversale. La section transversale des ondes lumineuses (ainsi que tout autre ondes électromagnétiques) s'exprime par le fait que les oscillations des vecteurs et sont perpendiculaires à la direction de propagation des ondes (Fig. 10.1). Onde plane monochromatique se propageant dans le vide le long de l'axe X, est décrit par les équations :

;	(10.1)
,	(10.2)

où et sont les valeurs actuelles des intensités des champs électriques et magnétiques ; et – les amplitudes des oscillations, w – la fréquence des oscillations, – phase initiale hésitation.

Lorsque la lumière interagit avec la matière, un champ électrique alternatif agit sur les électrons chargés négativement des atomes et des molécules de cette substance, tandis que l'effet du champ magnétique sur les particules chargées est insignifiant. Par conséquent, dans les processus de propagation de la lumière, le vecteur joue le rôle principal et, à l'avenir, nous n'en parlerons que.

La polarisation de la lumière est observée lorsque la lumière traverse des substances anisotropes. La principale propriété de ces substances est qu'elles ne peuvent traverser que celles les ondes lumineuses, dans lequel les vecteurs oscillent uniquement dans un plan strictement défini, appelé plan d'oscillation. Le plan dans lequel le champ magnétique est localisé est appelé plan de polarisation. En figue. 10.1 le plan d'oscillation est vertical et le plan de polarisation est horizontal.

Pour obtenir et étudier la lumière polarisée, ils sont le plus souvent utilisés polaroïds. Ils sont fabriqués à partir de très petits cristaux de tourmaline ou de géropatite (sulfate d'iode-quinine), appliqués sur un film transparent ou du verre. Cependant, il existe d'autres moyens d'obtenir une lumière polarisée dans un plan à partir de la lumière naturelle, par exemple par réflexion sur un diélectrique sous un certain angle, en fonction de l'indice de réfraction du diélectrique. Cette méthode sera discutée plus en détail ci-dessous.

Réalisons mentalement l'expérience suivante. Prenons deux polaroïds et une source de lumière (Fig. 10.3). Le premier Polaroid s'appelle polariseur, parce que il polarise la lumière. Son plan d'oscillation est le plan PPS. Après avoir traversé le polariseur, le vecteur oscillera uniquement dans ce plan. En faisant tourner le polariseur dans la direction du faisceau lumineux, nous ne remarquerons aucun changement dans l’intensité de la lumière qui le traverse. Pensez pourquoi ? L'analyse de la polarisation de la lumière est effectuée à l'aide d'un deuxième polaroïde à travers lequel passe la lumière testée. Dans ce cas, le deuxième polaroïd s'appelle analyseur, son plan de polarisation est le plan AAc. En faisant tourner l'analyseur, on remarquera que l'intensité de la lumière qui le traverse sera maximale si l'avion PPS Et AAc coïncident, et minimes si ces plans sont perpendiculaires. Si ces plans font un certain angle a (voir Fig. 10.3), alors l'intensité lumineuse derrière l'analyseur prendra une valeur intermédiaire.

Trouvons la relation entre l'angle a et l'intensité je lumière passant à travers les deux polaroïds. Notons l'amplitude vecteur électrique faisceau passant à travers le polariseur, lettre E 0 . Plan d'oscillation de l'analyseur AAc tourné par rapport au plan d'oscillation du polariseur PPS par l'angle a (voir Fig. 10.4). Décomposons le vecteur en composantes : parallèles au plan d'oscillation de l'analyseur кк et perpendiculaires à celui-ci ^. La composante parallèle кк traversera l’analyseur, mais pas la composante perpendiculaire ^.

De la fig. 10.4 il s'ensuit que l'amplitude de l'onde lumineuse derrière l'analyseur

Où S– zone sur laquelle l'énergie est distribuée ; t- temps. Puisque l’énergie lumineuse est l’énergie totale des champs électriques et magnétiques, sa valeur est proportionnelle aux carrés des intensités de ces champs :

L’égalité résultante s’appelle La loi de Malus: l'intensité de la lumière traversant l'analyseur est égale à l'intensité de la lumière traversant le polariseur multipliée par le carré du cosinus de l'angle entre plans de polarisation analyseur et polariseur.

Notez que la lumière traversant le polariseur deviendra non seulement polarisée dans un plan, mais réduira également son intensité de moitié. Si l’intensité de la lumière naturelle est considérée comme la même dans toutes les directions perpendiculaires au vecteur vitesse, alors l’intensité de la lumière derrière le polariseur

Où je maximum et je min – les intensités lumineuses les plus élevées et les plus basses derrière l'analyseur, correspondant aux tensions E maximum et E min sur la Fig. 10.2, ch.

Le phénomène de polarisation peut également être observé lorsque la lumière est réfléchie ou réfractée à l'interface de deux diélectriques isotropes. Dans ce cas, le faisceau réfléchi sera dominé par des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence (elles sont indiquées par des points sur la Fig. 10.5). Il a été démontré expérimentalement que le degré de polarisation dans le faisceau réfléchi dépend de l'angle d'incidence et que, à mesure que l'angle d'incidence augmente, la proportion de lumière polarisée augmente et, à une certaine valeur, la lumière réfléchie s'avère complètement polarisé. Brewster a découvert que l'amplitude de cet angle de polarisation totale dépend de l'indice de réfraction relatif et est déterminée par la relation :

La relation est appelée loi de Brewster et l'angle a B est appelé angle de Brewster. Avec une nouvelle augmentation de l'angle d'incidence, le degré de polarisation de la lumière diminue à nouveau. Ainsi, sous un angle d'incidence égal à l'angle de Brewster, la lumière réfléchie est polarisée linéairement dans le plan, perpendiculaire au plan chutes. En utilisant (10.9) et la loi de la réfraction, on peut montrer que lorsqu'ils sont incidents à l'angle de Brewster, les rayons réfléchis et réfractés sont de 90°. Vérifie ça!.

Lorsque la lumière arrive à l’angle de Brewster, le faisceau réfracté est également polarisé. Le faisceau réfracté sera dominé par les vibrations, plans parallèles chutes (sur la Fig. 10.5, elles sont indiquées par des flèches). La polarisation des rayons réfractés à cet angle d'incidence sera maximale, mais loin d'être complète. Si vous soumettez les rayons réfractés au deuxième, au troisième, etc. réfraction, le degré de polarisation augmentera. Par conséquent, 8 à 10 plaques peuvent être utilisées pour polariser la lumière (ce qu’on appelle le pied de Stoletov). La lumière qui les traverse sera presque complètement polarisée. Ainsi, ce pied peut servir de polariseur ou d'analyseur. Dans notre configuration, des ensembles de 2 à 12 plaques sont utilisés comme polariseur.

Description de l'installation

Pour étudier la polarisation, on utilise un montage monté sur un banc optique dont le schéma est présenté sur la Fig. 10.6.

Les chiffres sur le diagramme indiquent : 1– lampe, 2 – amovible polariseur, 3 – rotatif tableau, 4 – ensemble d'assiettes en verre, mettre les broches du plateau tournant, 5 – analyseur, 6 – photocellule, 7 – mètre l'intensité lumineuse (IIS), qui convertit l'énergie lumineuse en signal électrique ; ses lectures sont proportionnelles au flux lumineux incident sur la photocellule. Le plateau tournant 3 peut tourner autour d'un axe vertical, modifiant ainsi l'angle d'incidence de la lumière sur la plaque de verre 4. Il existe une échelle spéciale pour mesurer cet angle d'incidence. La position de la table est fixée avec une vis. 5 L'analyseur peut tourner autour axe horizontal, la flèche dessus indique la position du plan de polarisation. L'analyseur a échelle 8, qui détermine la position de son plan de polarisation ( AAc). Le polariseur amovible 2 comporte également une flèche verticale qui montre la position de son plan de polarisation PPS. La photocellule combinée à l'analyseur peut également tourner autour d'un axe vertical. Ceci permet de mesurer l'intensité de la lumière réfléchie par l'ensemble de plaques 4.

Achèvement des travaux

Exercice 1 . Vérifier la loi de Malus

1. Installez un polariseur amovible 2 (retirez le jeu de plaques 4).

2. Allumez la lampe. Faites pivoter la photocellule-analyseur 6 pour que la lumière de la lampe tombe dessus. Obtenez une disposition symétrique des éléments d'installation par rapport au faisceau lumineux.

3. Définir la position du plan AAc sur une échelle de 8 à 0°. Enregistrez les lectures du compteur 7 dans le tableau. 10.1. Ce sera l'intensité de la lumière traversant le polariseur et l'analyseur en unités relatives. Répétez les mesures en changeant l'angle entre les plans de polarisation du polariseur et de l'analyseur de 0° à 360° tous les 10°, et notez-les également dans le tableau. 10.1.

Tableau 10.1

Tâche 2. Etude de la polarisation de la lumière réfractée

1. Installez la plaque amovible avec deux verres ( N = 2).

2. Réglez l'angle d'incidence de la lumière sur la plaque à 56° (c'est l'angle de Brewster pour le verre à indice de réfraction n = 1,5).

3. Installez une cellule photoélectrique pour enregistrer l'intensité de la lumière traversant les plaques selon la Fig. 10,7 (la valeur maximale des lectures IIS confirme une bonne pénétration de la lumière dans la photocellule).

4. Veuillez noter que la lumière réfractée est polarisée dans le plan d'incidence, la valeur d'intensité maximale sera donc à la position AAc 90° sur une échelle de 8 (questions 12, 13, 14). Mesurer l'intensité de la lumière transmise à travers les plaques à deux positions AAc: à 90° et à 0°. Enregistrez les résultats des mesures dans le tableau. 10.2.

5. Effectuez des mesures similaires pour N= 4, 7, 12 assiettes. Enregistrez les résultats des mesures dans le tableau. 10.2.

Tableau 10.2

Informations connexes.

1.1. Types de spectres.

À première vue, la structure du faisceau laser semble très simple. Il s'agit d'un rayonnement pratiquement monofréquence qui a une couleur spectralement pure : le laser He-Ne a un rayonnement rouge (633 nm), le laser au cadmium émet Couleur bleue(440 nm, un laser argon émet plusieurs raies dans la région bleu-vert du spectre (488 nm, 514 nm, etc.), un laser semi-conducteur émet un rayonnement rouge (650 nm), etc. En fait, le spectre d'émission laser a tout à fait structure complexe et est déterminé par deux paramètres - le spectre d'émission de la substance active (pour un laser He-Ne, par exemple, il s'agit de la raie spectrale rouge du néon excité decharge electrique) et des phénomènes de résonance dans la cavité optique du laser.

A titre de comparaison, les figures de droite montrent le spectre d'émission du soleil (A) et d'une ampoule à incandescence conventionnelle (B) (image du haut), le spectre d'une lampe au mercure (image de droite) et un spectre d'émission considérablement agrandi d'une lampe à mercure. Laser He-Ne (photo du bas).

Le spectre d'une lampe à incandescence, comme le spectre solaire, fait référence à des spectres continus entièrement remplis par la gamme spectrale visible du rayonnement électromagnétique (400-700 nm). Le spectre d'une lampe au mercure appartient aux spectres de raies, qui remplissent également toute la plage visible, mais sont constitués de composantes spectrales individuelles d'intensités variables. À propos, avant l'avènement des lasers, le rayonnement monochromatique était obtenu en isolant les composantes spectrales individuelles du rayonnement d'une lampe à mercure.

1.2. Spectre d'émission dans un laser He-Ne.

Le spectre du rayonnement laser est monochromatique, c'est-à-dire qu'il a une largeur spectrale très étroite, mais, comme le montre la figure, il a également une structure complexe.

Processus de formation spectre laser Considérons sur la base du laser He-Ne bien étudié. Historiquement, il s’agissait du premier laser continu fonctionnant dans le domaine visible du spectre. Elle a été créée par A. Javan en 1960.

En figue. à droite se trouvent les niveaux d’énergie d’un mélange excité d’hélium et de néon. Un atome d'hélium ou de néon excité est un atome qui possède un ou plusieurs électrons de sa couche externe lors de collisions avec des électrons et des ions. décharge de gaz passer à des niveaux d’énergie plus élevés et peut ensuite passer à un niveau d’énergie inférieur ou revenir à un niveau neutre avec émission quantique de lumière- photons.

Les atomes sont excités par un courant électrique traversant un mélange gazeux. Pour un laser He-Ne, il s'agit d'une décharge luminescente à faible courant (les courants de décharge typiques sont de 20 à 50 mA). Peinture niveaux d'énergie et le mécanisme de rayonnement sont assez complexes même pour un laser aussi « classique », qui est le laser He-Ne, nous nous limiterons donc à considérer uniquement les principaux détails de ce processus. Les atomes d'hélium excités au niveau 2S lors de collisions avec des atomes de néon leur transfèrent l'énergie accumulée, les excitant au niveau 5S (par conséquent, l'hélium dans mélange gazeux plus que le néon). À partir du niveau 5S, les électrons peuvent passer à un certain nombre de niveaux d’énergie inférieurs. Nous ne nous intéressons qu'à la transition 5S - 3P (les deux niveaux sont en fait divisés en plusieurs sous-niveaux en raison de la nature quantique des mécanismes d'excitation et d'émission). La longueur d'onde d'émission des photons lors de cette transition est de 633 nm.

Notons encore un fait important, fondamental pour obtenir un rayonnement cohérent. Avec les bonnes proportions d'hélium et de néon, la pression du mélange gazeux dans le tube et la valeur du courant de décharge, les électrons s'accumulent au niveau 5S et leur nombre dépasse le nombre d'électrons situés au niveau 3P inférieur. Ce phénomène est appelé inversion de niveau de population. Cependant, il ne s’agit pas encore d’un rayonnement laser. C'est l'une des raies spectrales du spectre d'émission du néon. La largeur de la raie spectrale dépend de plusieurs raisons dont les principales sont : - la largeur finie des niveaux d'énergie (5S et 3P) impliqués dans le rayonnement et déterminée par le principe d'incertitude quantique associé au temps de séjour des atomes de néon dans l'état excité, - l'élargissement de la raie associé à mouvement constant particules excitées dans une décharge sous l'influence d'un champ électrique (ce qu'on appelle l'effet Doppler). Compte tenu de ces facteurs, la largeur de la ligne (les experts l'appellent le contour de la transition de travail) est d'environ deux dix millièmes d'angström. Pour des lignes aussi étroites dans les calculs, il est plus pratique d'utiliser sa largeur en domaine fréquentiel. Utilisons la formule de transition :

dn 1 =dl c/l 2 (1)

où dn 1 est la largeur de la raie spectrale dans le domaine fréquentiel, Hz, dl est la largeur de la raie spectrale (0,000002 nm), l est la longueur d'onde de la raie spectrale (633 nm), c est la vitesse de la lumière. En remplaçant toutes les valeurs (dans un système de mesure), nous obtenons une largeur de ligne de 1,5 GHz. Bien sûr, une ligne aussi étroite peut être considérée comme complètement monochromatique par rapport à l'ensemble du spectre du rayonnement néon, mais cela ne peut pas encore être appelé rayonnement cohérent. Pour obtenir un rayonnement cohérent, le laser utilise une cavité optique (interféromètre).

1.3. Cavité optique laser.

Un résonateur optique est constitué de deux miroirs situés sur l'axe optique et se faisant face avec des surfaces réfléchissantes, Fig. sur la droite. Les miroirs peuvent être plats ou sphériques. Les miroirs plats sont très difficiles à aligner et la sortie laser peut être instable. Résonateur avec miroirs sphériques(résonateur confocal) est beaucoup plus stable, mais le faisceau laser peut être inhomogène sur toute la section transversale en raison de la composition complexe et multimode du rayonnement. En pratique, on utilise le plus souvent un résonateur semi-confocal avec un miroir sphérique arrière et un miroir plat avant. Un tel résonateur est relativement stable et produit un faisceau homogène (monomode).

La propriété principale de tout résonateur est la formation d'ondes électromagnétiques stationnaires. Dans le cas d'un laser He-Ne, des ondes stationnaires sont générées pour émettre une raie spectrale de néon d'une longueur d'onde de 633 nm. Ceci est facilité par le coefficient de réflexion maximal des miroirs, sélectionné uniquement pour cette longueur d'onde. Les cavités laser utilisent des miroirs diélectriques avec revêtement multicouche, permettant un coefficient de réflexion de 99 % ou plus. Comme on le sait, la condition de formation vagues stationnaires est que la distance entre les miroirs doit être égale à un nombre entier d'alternances :

nl =2L (2)

où n est un nombre entier ou un ordre d'interférence, l est la longueur d'onde du rayonnement à l'intérieur de l'interféromètre, L est la distance entre les miroirs.

A partir de la condition de résonance (2), nous pouvons obtenir la distance entre les fréquences de résonance dn 2 :

dn 2 =c/2L (3)

Pour une cavité laser à gaz d'un mètre et demi (laser He-Ne LGN-220), cette valeur est d'environ 100 MHz. Seul un rayonnement ayant une telle période de fréquence peut être réfléchi de manière répétée par les miroirs du résonateur et amplifié lorsqu'il traverse un milieu inverse - un mélange d'hélium et de néon excité par une décharge électrique. De plus, ce qui est extrêmement important, lorsque ce rayonnement traverse le résonateur, sa structure de phase ne change pas, ce qui conduit à des propriétés cohérentes du rayonnement amplifié. Ceci est facilité par la population inverse du niveau 5S, mentionnée ci-dessus. Un électron se déplace du niveau supérieur vers le niveau inférieur de manière synchrone avec le photon initiant cette transition, donc les paramètres de phase des ondes correspondant aux deux photons sont les mêmes. Cette génération de rayonnement cohérent se produit tout au long du trajet du rayonnement à l’intérieur du résonateur. De plus, les phénomènes résonants conduisent à un rétrécissement beaucoup plus important de la raie d'émission, ce qui conduit à obtenir le gain le plus important au centre du pic résonant.
Après un certain nombre de passages, l'intensité du rayonnement cohérent devient si élevée qu'elle dépasse les pertes naturelles dans le résonateur (diffusion dans le milieu actif, pertes sur miroirs, pertes par diffraction, etc.) et qu'une partie dépasse le résonateur. Un jour de congé pour ça, miroir plat fabriqué avec une réflectance légèrement inférieure (99,6-99,7%). En conséquence, le spectre d’émission laser a la forme montrée sur la troisième figure. au-dessus de. Le nombre de composantes spectrales ne dépasse généralement pas dix.

Résumons encore une fois tous les facteurs qui déterminent les caractéristiques fréquentielles du rayonnement laser. Tout d'abord, la transition de travail est caractérisée par la largeur naturelle du contour. En conditions réelles grâce à divers facteurs le contour s'élargit. À l'intérieur de la ligne élargie se trouvent les lignes résonantes de l'interféromètre, dont le nombre est déterminé par la largeur du contour de transition et la distance entre les pics adjacents. Enfin, au centre des pics se trouvent des raies spectrales extrêmement étroites d’émission laser, qui déterminent le spectre de sortie du laser.

1.4. Cohérence du rayonnement laser.

Précisons quelle longueur de cohérence est fournie par le rayonnement laser He-Ne. Utilisons la formule proposée dans l'ouvrage :

lorsqu'il traverse un milieu inverse - un mélange d'hélium et de néon excité par une décharge électrique. De plus, ce qui est extrêmement important, lorsque ce rayonnement traverse le résonateur, sa structure de phase ne change pas, ce qui conduit à des propriétés cohérentes du rayonnement amplifié. Ceci est facilité par la population inverse du niveau 5S, mentionnée ci-dessus. Un électron se déplace du niveau supérieur vers le niveau inférieur de manière synchrone avec le photon initiant cette transition, donc les paramètres de phase des ondes correspondant aux deux photons sont les mêmes. Cette génération de rayonnement cohérent se produit tout au long du trajet du rayonnement à l’intérieur du résonateur. De plus, les phénomènes résonants conduisent à un rétrécissement beaucoup plus important de la raie d'émission, ce qui conduit à obtenir le gain le plus important au centre du pic résonant.

dt = dn -1 (4)

où dt est le temps de cohérence, qui représente la limite supérieure de l'intervalle de temps sur lequel l'amplitude et la phase de l'onde monochromatique sont constantes. Passons à la longueur de cohérence l qui nous est familière, à l'aide de laquelle il est facile d'estimer la profondeur de la scène enregistrée sur l'hologramme :

l=c/dn (5)

En substituant les données dans la formule (5), incluant la largeur totale du spectre dn 1 = 1,5 GHz, nous obtenons une longueur de cohérence de 20 cm, ce qui est assez proche de la longueur de cohérence réelle d'un laser He-Ne, qui présente des pertes de rayonnement inévitables. dans la cavité. Les mesures de la longueur de cohérence à l'aide d'un interféromètre de Michelson donnent une valeur de 15-17 cm (au niveau d'une diminution de 50 % de l'amplitude de la figure d'interférence). Il est intéressant d'estimer la longueur de cohérence d'une composante spectrale individuelle isolée par la cavité laser. La largeur du pic résonnant de l'interféromètre dn 3 (voir la troisième figure à partir du haut) est déterminée par son facteur de qualité et est d'environ 0,5 MHz. Mais, comme mentionné ci-dessus, les phénomènes de résonance conduisent à un rétrécissement encore plus important de la raie spectrale laser dn 4, qui se forme près du centre du pic résonant de l'interféromètre (troisième à partir du haut sur la figure). Le calcul théorique donne une largeur de trait de huit millièmes de hertz ! Cependant, cette valeur n'a pas beaucoup de signification pratique, car l'existence à long terme d'une composante spectrale aussi étroite nécessite des valeurs de stabilité mécanique du résonateur, de dérive thermique et d'autres paramètres absolument impossibles dans les conditions réelles de fonctionnement du laser. On se limitera donc à la largeur du pic résonnant de l'interféromètre. Pour une largeur de spectre de 0,5 MHz, la longueur de cohérence calculée selon la formule (5) est de 600 m. C'est également très bon. Il ne reste plus qu'à isoler une composante spectrale, à évaluer sa puissance et à la conserver au même endroit. Si, lors de l'exposition de l'hologramme, celui-ci « parcourt » tout le circuit de travail (en raison, par exemple, de l'instabilité de température du résonateur), on obtiendra à nouveau les mêmes 20 cm de cohérence.

1.5. Spectre de génération de laser ionique.

Parlons brièvement du spectre de génération d'un autre laser à gaz - l'argon. Ce laser, comme le laser à krypton, appartient aux lasers ioniques, c'est-à-dire dans le processus de génération d'un rayonnement cohérent, ce ne sont plus les atomes d'argon qui participent, mais leurs ions, c'est-à-dire des atomes dont un ou plusieurs électrons de la coque externe sont arrachés sous l'influence d'une puissante décharge d'arc qui traverse l'actif substance. Le courant de décharge atteint plusieurs dizaines d'ampères, la puissance électrique de l'alimentation est de plusieurs dizaines de kilowatts. Un refroidissement intensif par eau de l'élément actif est nécessaire, sinon sa destruction thermique se produirait. Naturellement, dans des conditions aussi difficiles, le tableau de l’excitation des atomes d’argon est encore plus complexe. Plusieurs lasers laser sont générés à la fois. raies spectrales, la largeur du contour de travail de chacun d'eux est nettement supérieure à la largeur du contour de la ligne laser He-Ne et s'élève à plusieurs gigahertz. En conséquence, la longueur de cohérence du laser est réduite à plusieurs centimètres. Pour enregistrer des hologrammes grand format, une sélection de fréquence du spectre de génération est nécessaire, ce qui sera abordé dans la deuxième partie de cet article.

1.6. Spectre de génération d'un laser à semi-conducteur.

Passons maintenant à l'examen du spectre d'émission d'un laser à semi-conducteur, qui présente un grand intérêt pour le processus d'enseignement de l'holographie et pour les holographes débutants. Historiquement, les lasers à semi-conducteurs à injection basés sur l'arséniure de gallium ont été les premiers à être développés, Fig. sur la droite.

Sa conception étant assez simple, considérons le principe de fonctionnement d'un laser à semi-conducteur à l'aide de son exemple. La substance active dans laquelle le rayonnement est généré est un monocristal d’arséniure de gallium, qui a la forme d’un parallélépipède dont les côtés sont longs de plusieurs centaines de microns. Les deux faces latérales sont parallèles et polies avec une grande précision. En raison de grand indicateur réfraction (n = 3,6), à l'interface cristal-air, il s'avère assez grand coefficient réflexion (environ 35 %), ce qui est suffisant pour générer un rayonnement cohérent sans dépôt supplémentaire de miroirs réfléchissants. Les deux autres faces du cristal sont biseautées selon un certain angle ; le rayonnement induit ne s'échappe pas à travers eux. La génération d'un rayonnement cohérent se produit dans la jonction p-n, qui est créée par la diffusion d'impuretés acceptrices (Zn, Cd, etc.) dans la région du cristal dopée avec des impuretés donneuses (Te, Se, etc.). Épaisseur de la région active perpendiculaire à jonction p-n la direction est d’environ 1 µm. Malheureusement, dans cette conception de laser à semi-conducteur, la densité de courant de pompe seuil s'avère assez élevée (environ 100 000 ampères pour 1 cm²). Par conséquent, ce laser est instantanément détruit lorsqu’il fonctionne en mode continu à température ambiante et nécessite un fort refroidissement. Le laser fonctionne de manière stable à des températures l'azote liquide(77 K) ou hélium (4,2 K).

Les lasers à semi-conducteurs modernes sont fabriqués sur la base de doubles hétérojonctions, Fig. sur la droite. Dans une telle structure, la densité de courant seuil a été réduite de deux ordres de grandeur, jusqu'à 1 000 A/cm. carré A cette densité de courant, il est possible travail stable laser à semi-conducteur et à température ambiante. Les premiers échantillons laser fonctionnaient dans le domaine infrarouge (850 nm). Avec l'amélioration de la technologie de formation de couches semi-conductrices, des lasers sont apparus avec une longueur d'onde accrue (1,3 - 1,6 μm) pour lignes de fibre optique connexion, et avec la génération de rayonnement dans la région visible (650 nm). Il existe déjà des lasers qui émettent dans la région bleue du spectre. Le grand avantage des lasers à semi-conducteurs est leur rendement élevé (rapport entre l'énergie du rayonnement et énergie électrique pompage), qui atteint 70%. Pour les lasers à gaz, tant atomiques qu'ioniques, le rendement ne dépasse pas 0,1 %.

En raison de la nature spécifique du processus de génération de rayonnement dans un laser à semi-conducteur, la largeur du spectre de rayonnement est bien supérieure à la largeur du spectre laser He-Ne, Fig. sur la droite.

La largeur du contour de travail est d'environ 4 nm. Nombre harmoniques spectrales peut atteindre plusieurs dizaines. Cela impose une sérieuse limitation sur la longueur de cohérence du laser. Si l'on utilise les formules (1), (5), la longueur de cohérence théorique ne sera que de 0,1 mm. Cependant, comme le montrent les mesures directes de la longueur de cohérence sur un interféromètre de Michelson et l'enregistrement d'hologrammes réfléchissants, la longueur de cohérence réelle des lasers à semi-conducteur atteint 4 à 5 cm. Cela suggère que le spectre d'émission réel d'un laser à semi-conducteur n'est pas si riche. harmoniques et n'a pas une transition de travailleur de largeur de contour aussi grande, comme le prédit la théorie. Cependant, par souci d'équité, il convient de noter que le degré de cohérence du rayonnement laser à semi-conducteur varie considérablement à la fois d'un échantillon à l'autre et de son mode de fonctionnement (courant de pompe, conditions de refroidissement, etc.