Какие свойства лазерного пучка

Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности и яркости. К этим свойствам можно добавить генерацию световых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет очень важную роль. Рассмотрим теперь эти свойства подробнее.

1.4.1. Монохроматичность

Не слишком вдаваясь в детали, можно сказать, что это свойство определяется двумя следующими обстоятельствами:

1) усиливаться может электромагнитная волна только с частотой V, определяемой выражением (1.1); 2) поскольку устройство из двух зеркал образует резонатор, генерация может возникать только на резонансных частотах этого резонатора. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии лазерного излучения часто бывает много уже (приблизительно на шесть порядков величины!), чем обычная ширина линии перехода которая наблюдается при спонтанном излучении.

1.4.2. Когерентность

Для любой электромагнитной волны можно определить два независимых понятия когерентности, а именно пространственную и временную когерентность.

Для того чтобы определить пространственную когерентность, рассмотрим две точки выбранные с таким условием,

что в момент времени через них проходит волновой фронт некоторой электромагнитной волны, и пусть соответствующие электрические поля в этих точках. Согласно нашему условию, в момент времени разность фаз электрических полей в данных точках равна нулю. Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени то говорят, что между двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта, то данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью. Практически для любой точки если мы имеем достаточную корреляцию фаз, точка должна располагаться внутри некоторой конечной области, включающей точку

Рис. 1.5. Пример электромагнитной волны с временем когерентности порядка

В этом случае говорят, что волна характеризуется частичной пространственной когерентностью, причем для любой точки Р можно соответственно определить область когерентности

Для того чтобы определить временную когерентность, рассмотрим электрическое поле волны в данной точке Р в моменты времени и . Если для данного интервала времени разность фаз колебаний поля остается одной и той же в любой момент времени то говорят, что существует временная когерентность на интервале времени т. Если такое условие выполняется для любого значения то волна характеризуется полной временной когерентностью. Если же это имеет место лишь для определенного интервала времени такого, что то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности то. На рис. 1.5

в качестве примера показана электромагнитная волна с временем когерентности то, которая имеет вид синусоидального электрического поля со скачкообразным изменением фазы через интервалы времени Мы видим, что представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. В дальнейшем (в гл. 7) будет показано, хотя это очевидно из рис. 1.5, что электромагнитная волна с временем когерентности, равным то, имеет спектральную ширину . В той же главе покажем, что в случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина

Следует заметить, что понятия временной и пространственной когерентности на самом деле не зависят друг от друга. Действительно, можно привести примеры волны, имеющей полную пространственную когерентность, но лишь частичную временную когерентность, и наоборот. Если волна, показанная на рис. 1.5, представляет электрические поля в точках рассмотренных выше, то пространственная когерентность в этих точках будет полной, в то время как временная когерентность лишь частичной.

В заключение этого раздела подчеркнем, что понятия пространственной и временной когерентности дают описание лазерной когерентности только в первом порядке. Свойства когерентности высших порядков будут рассмотрены в гл. 7. Для полного понимания различия между обычным источником света и лазером подобное рассмотрение очень существенно. Будет показано, что действительно вследствие различия между соответствующими свойствами когерентности высших порядков лазерный пучок коренным образом отличается от традиционных источников света.

1.4.3. Направленность

Это свойство является простым следствием того, что активная среда помещена в резонатор, например плоскопараллельный резонатор, показанный на рис. 1.3. В таком резонаторе могут поддерживаться только такие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или в очень близком к оси направлении. Для более глубокого понимания свойств направленности лазерных пучков (или в общем случае любой электромагнитной волны) удобно рассмотреть отдельно случаи, когда пучок обладает полной пространственной

когерентностью и когда он имеет частичную пространственную когерентность.

Рассмотрим вначале пучок с полной пространственной когерентностью. Даже в этом случае пучок с конечной апертурой неизбежно расходится вследствие дифракции. Это нетрудно понять с помощью рис. 1.6. На этом рисунке пучок с постоянной интенсивностью и плоским волновым фронтом падает на экран в котором имеется отверстие диаметром Согласно принципу Гюйгенса волновой фронт в некоторой плоскости Р за экраном может быть получен путем суперпозиции элементарных волн, излученных каждой точкой отверстия. Мы видим, что из-за конечного размера отверстия пучок имеет конечную расходимость Ее значение можно вычислить с помощью теории дифракции. Для произвольного распределения амплитуды имеем

здесь X — длина волны, диаметр пучка. В соотношении — числовой коэффициент порядка единицы, значение которого зависит от формы распределения амплитуд и способа, каким определяются расходимость и диаметр пучка. Пучок, расходимость которого описывается выражением (1.11), называется дифракционно-ограниченным.

Рис. 1.6. Расходимость плоской электромагнитной волны вследствие дифракции.

Если волна имеет частичную пространственную когерентность, то ее расходимость будет больше, чем минимальное значение расходимости, обусловленное дифракцией. Действительно, для любой точки Р волнового фронта принцип Гюйгенса (рис. 1.6) может быть применен только к точкам, расположенным в пределах области когерентности около Р. Таким образом, область когерентности действует как ограничивающая апертура для когерентной суперпозиции элементарных волн. Расходимость пучка теперь запишется в виде

где, как и прежде, — числовой коэффициент порядка единицы, точное значение которого зависит от способа, каким определяются расходимость и область когерентности

В заключение этого общего рассмотрения свойств направленности электромагнитных волн следует заметить, что при соответствующих условиях работы выходной пучок лазера можно сделать дифракционно-ограниченным.

1.4.4. Яркость

Определим яркость какого-либо источника электромагнитных волн как мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности источника в единичный телесный угол. Точнее говоря, рассмотрим элемент площади поверхности источника в точке О (рис. 1.7). Тогда мощность излучаемая элементом поверхности в телесный угол в направлении , может быть записана следующим образом

здесь — угол между направлением и нормалью к поверхности Величина В зависит, как правило, от полярных координат и т. е. от направления и от положения точки О. Эта величина В называется яркостью источника в точке О в направлении 00. В выражении (1.13) множитель обусловлен тем, что физически важной величиной является проекция на плоскость, перпендикулярную направлению . Если В не зависит от 0 и то говорят, что источник является изотропным (источником Ламберта). Яркость лазера даже небольшой мощности (например, несколько милливатт) на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство в основном является следствием высокой направленности лазерного пучка.

Рис. 1.7. Поверхностная яркость источника электромагнитного излучения в точке О.

1.4.5. Импульсы малой длительности

Не вдаваясь на этом этапе в какие-либо детали, заметим лишь, что при помощи специального метода, называемого синхронизацией мод, можно получить импульсы света, длительность которых приблизительно обратно пропорциональна ширине линии перехода Например, в газовых лазерах, ширина линии усиления которых относительно узкая, можно получать импульсы излучения длительностью не. Такие импульсы не рассматриваются как очень короткие, поскольку даже

некоторые лампы-вспышки способны излучать световые импульсы длительностью менее 1 не. Однако у твердотельных или жидкостных лазеров ширины линий усиления могут быть в раз больше, чем у газовых лазеров, и поэтому генерируемые ими импульсы оказываются значительно короче до Получение столь коротких импульсов света привело к новым возможностям в лазерных исследованиях и их применениях.

Следует заметить, что свойство генерации коротких импульсов, которое подразумевает концентрацию энергии во времени, в некотором смысле аналогично свойству монохроматичности, означающему концентрацию энергии в узком диапазоне длин волн. Однако генерация коротких импульсов является, по-видимому, менее фундаментальным свойством, чем монохроматичность. В то время как любой лазер можно в принципе изготовить таким, что он будет генерировать достаточно монохроматическое излучение, короткие импульсы можно получать лишь от лазеров с широкой линией излучения, т. е. на практике только от твердотельных или жидкостных лазеров. Газовые же лазеры, обладающие более узкими линиями усиления, лучше всего подходят для генерации высокомонохроматического излучения.

Источник

Естествознание, 11 класс

Урок 19. Свойства лазерного излучения. Использование лазеров

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какие свойства у лазерного излучения?
Какие типы лазеров существуют?
Где применяются лазеры?

Глоссарий по теме:

Лазер – оптический квантовый генератор

Спонтанное излучение – самопроизвольное излучение кванта света атомом или молекулой при переходе электрона на более низкий энергетический уровень

Вынужденное излучение – явление испускания фотонов определённой частоты возбужденными атомами, молекулами и другими квантовыми системами под действием фотонов (внешнего излучения) такой же частоты

Метастабильное состояние атома – возбужденное энергетические состояние, которое может существовать достаточно долго ≈ 10-3с

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 100-103.
Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
https://fb.ru/article/251655/printsip-deystviya-lazera-osobennosti-lazernogo-izlucheniya

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Изучая корпускулярные свойства света, мы уже познакомились с лазером. Процесс излучения обусловлен переходом электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Излучение кванта света в таком процессе происходит самопроизвольно и называется спонтанным излучением. Лазер усиливает свет за счёт вынужденного излучения.

Рассмотрим устройство лазера на примере рубинового.

В центре находится кристалл рубина, состоящий из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома. Этот кристалл имеет строго параллельные торцы и на него навита спиральная газоразрядная лампа, называемая – лампа накачки. Под действием света лампы атомы хрома переходят на метастабильный уровень. Параллельные торцы кристалла покрывают тонким слоем серебра, делая их зеркальными, при этом один из зеркальных торцов делают частично прозрачным. Выходящее из этого торца излучение и представляет собой луч лазера. Устройство, обеспечивающее многократное отражение фотонов только одного направления, называется резонатором. Резонатор состоит из рабочей зоны с зеркалами с двух сторон. Причём одно из них частично прозрачное.

Рассмотрим свойства лазерного излучения.

Высокая монохроматичность: при разложении лазерного излучения в спектр получается очень узкая линия, намного уже, чем для естественного света. Это свойство оказалось важным для научных исследований в области спектроскопии, молекулярной физики и химии.

Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например, у прожектора). Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облучённых участках. По этому показателю лазерное излучение превосходит излучение всех других источников света.

Ещё одно свойство – высокая интенсивность и короткая длительность. Она позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию. Лазер не требует времени для нагрева, поэтому возможно получать импульсы длительностью 10-15с. Это позволяет рассмотреть даже процесс протекания быстрых химических реакций.

Помимо всех вышеперечисленных свойств также можно выделить когерентность и поляризованность. Эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.

Конструкции лазеров очень разнообразны. Лазеры различаются: способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей активной средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.

Благодаря своим особым свойствам по сравнению с другими источниками света лазеры широко применяются во многих областях деятельности человека.

Узкий нерасходящийся луч применяется при строительстве туннелей, метрополитенов, когда необходимо провести прямую линию на большое расстояние. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Также это свойство лазеров применимо для создания оружия с оптическим прицелом. Используя хорошо отлаженное оружие, пуля попадает точно в пятно, образованное лазером на мишени

Точная фокусировка лазерного луча позволяет использовать его для записи информации на оптические диски.

Высокая интенсивность излучения используется в медицине, в частности в микрохирургии. Лазер представляет собой тончайший скальпель, с помощью которого можно вырезать мельчайшие участки ткани.

Это же свойство применяется и других устройствах для разрезания различных материалов, проделывания отверстий. При воздействии лазерного излучения на материалы облучаемый участок сначала нагревается, затем плавится и испаряется. Дозируя тепловые нагрузки, можно обеспечить практически любой тепловой режим нагреваемого участка, который в результате и определяет вид технологической обработки.

Использование лазеров привело к открытию совершенно новых областей исследования. Особенно ярким примером новой области исследования является нелинейная оптика. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать явления, обусловленные нелинейным откликом среды: генерация гармоник, вынужденное рассеяние и др.

С появлением лазеров спектроскопия не только расширила свои прежние возможности, но и получила совершенно новые идеи. Использование одночастотных лазеров позволило проводить спектроскопические измерения с разрешающей способностью, которая на много порядков превышает разрешение, достигаемое с помощью обычных спектроскопических методов. Это открыло путь к новому и более детальному изучению структуры вещества.

Осуществление термоядерного синтеза и использование его в мирных целях позволит человечеству получить неограниченный источник энергии. Предполагают, что лазеры позволят создать высокую температуру для дейтериево-тритиевой плазмы и удержания этой плазмы.

Лазеры, обладая высокой монохроматичностью, применяются в голографии.

Полупроводниковые лазеры применяются для передачи информации в быту и системе космической связи

Всё большее применение лазеры находят в искусстве. С их помощью создаются феерические быстроизменяющиеся живописные картины на сцене.

Таким образом благодаря уникальным свойствам лазеры находят применение в различных областях промышленности, в медицине, искусстве, военном деле.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1.:

Попарно соединяя овалы, решите ребус-соответствие:

Фразы:

Прибор, в котором используют лазерный луч
Оптический квантовый генератор
Оптический прибор для просмотра стерео-слайдов
Стереоскоп
Дисковод
Лазер

Правильный вариант: надписи в соединённых фигурах должны составить следующие фразы:

Прибор, в котором используют лазерный луч – дисковод
Оптический квантовый генератор – лазер.
Оптический прибор для просмотра стереослайдов – стереоскоп.

Текст задания 2.:

Разместите предложенные варианты ответов в две колонки по указанному критерию

Типы лазеров по способу накачки

Типы лазеров по виду активной среды

Свойства лазерного излучения

Монохроматичность, твёрдотельные, интенсивность, полупроводниковые, жидкостные, когерентность, химические, газовые, оптические, электрические, направленность

Правильные варианты

*Типы лазеров по способу накачки*	*Типы лазеров по виду активной среды*	*Свойства лазерного излучения*
Оптические, электрические, полупроводниковые, химические	Твердотельные, жидкостные, газовые	Монохроматичность, интенсивность, когерентность, направленность

Источник

Кратко остановимся на четырех особенностях лазерного излучения. Выше уже пояснялась причина очень высокой направленности светового луча лазера. Угол его расходимости примерно в 104 раз меньше, чем луча хорошего прожектора. На поверхности Луны лазерный луч создает пятно диаметром около 10 км. Благодаря высокой направленности энергия лазерного луча может передаваться на очень большие, в том числе и космические, расстояния. Этим создана основа для осуществления связи, передачи по лазерному лучу как телефонных разговоров, так и телевизионных изображений. Требуемая мощность лазерного передатчика при этом в десятки и сотни тысяч раз ниже мощности обычных радиостанций. В будущем лазерный луч будет использоваться и для дальней передачи энергии.

О свойстве необычайно спектральнойширины (монохроматичности) излучения лазера также говорилось. Спектральный состав лазерного луча много меньше у всех других источников света и радиоволн. Высокая монохроматичность свойственна, однако, нe всем типам лазеров. В ряде случаев (полупроводниковые лазеры, лазеры на растворах красителей) полоса излучений весьма широка, что также может быть использовано на практике.

Третье важнейшее свойство лазерного луча — его высокая когерентность. Фазы различных световых волн, выходящих сквозь зеркала лазерного резонатора, или одинаковы, или взаимно согласованы. Испускание всех других источников в оптическом диапазоне не когерентно (в радио области шкалы электромагнитных волн, однако, многие источники волнового поля дают именно когерентное излучение).

Когерентность широко используется в интерферометрии, голографии и во многих других отраслях науки и техники. Ранее, до появления лазеров, малоинтенсивные когерентные волны в видимой области спектра создавались только искусственно, путем разделения одной волны на несколько.

Как особое свойство лазеров рассматривается возможность достижения высокой интенсивности и низкой длительности импульсов лазерного излучения. Выбор типа лазеров для его практического использования зависит от поставленной задачи. Есть лазеры непрерывного действия. Однако большинство лазерных систем излучает изолированные всплески световой энергии (световые моноимпульсы) или целую серию импульсов. Длительности импульсов также различны. В режиме свободной генерации длительность генерации близка к продолжительности свечения ламп накачки.

В режиме непрерывного действия излучают гелий — неоновые лазеры. Мощность лазера всего 0,002…0,020 Вт, что во много раз меньше мощности лампочки карманного фонаря. Для характеристики исключительных свойств излучения этого лазера приведём следующее сравнение. Интенсивность DI в видимом частотном диапазоне, получаемая от Солнца на среднем расстоянии до Земли, равна 186 Вт/м2. Эта мощность распределена в спектральном интервале от n2 = 7,5×1014 до n1 = 4,3×1014Гц (Dn = n2 — n1 » 3×1014Гц). Спектральная плотность интенсивности в солнечных лучах — In = DI/Dn » 6×10-13Вт/(м2Гц). He — Ne лазер может испускать 0,01Вт в пучке с поперечным сечением 1 мм2, соответственно интенсивность в световом пятне на экране равна 106Вт/м2. Поскольку ширину спектральной линии такого лазера можно принять как Dn = 100 кГц, то спектральная плотность излучения He — Ne лазера In » 10 Вт/(м2Гц). Таким образом, спектральная плотность излучения даже относительно маломощного лазера на 13 порядков больше, чем у Солнца или другого теплового источника света. Именно поэтому характер взаимодействия с веществом лазерного света, распространяющегося в среде, существенно отличается от хорошо изученных случаев классической оптики.

Газодинамические лазеры на смеси СО2 + N + He, работающие в непрерывным режиме в ИК области (~10 мкм), имеют мощности в миллион раз больше (порядка сотен и тысяч Ватт). Чтобы оценить возможности подобных источников энергии, надо вспомнить, что для плавления 1 см3 металла необходимо ~50 Дж. Если мощность лазерного луча 500 Вт, то в принципе он может расплавить за 1 с ~ 10 см3 металла. Реальные цифры, достигаемые на опыте, существенно меньше, так как значительная доля световой энергии, падающей на поверхность металла, отражается от нее.

Отметим, что понятие мощности говорит о концентрации энергии во времени, о способности системы произвести значительное действие в заданный (обычно короткий) промежуток времени. Огромные мощности некоторых типов лазеров, излучающих моноимпульсы, свидетельствуют о высоком качестве лазерной энергии. Можно, например, получить в считанные мгновения плотности энергии, превышающие плотности энергии ядерного взрыва. С помощью лазеров удается получить температуры, равные десяткам миллионов градусов, давления порядка 100 млн атмосфер. С помощью лазеров получены самые высокие магнитные поля и т.д.

Для сокращения длительности импульсов излучения внутри резонатора лазера обычно помещают различные управляющие устройства — внутрирезонаторные модуляторы или создают многокаскадные схемы усиления из ряда последовательных звеньев, содержащих активные элементы. Применение полупроводниковых лазеров в системе накачки, элементов волоконной оптики и нелинейных преобразователей лазерного излучения позволило создать исключительно компактные эффективные и компактные лазерные системы.

В первом моноимпульсном генераторе на рубине длительность свечения в импульсах достигала ~10-8с. Современные лазеры способны излучать импульсы длительностью около 5 фс, т. е. менее двух периодов световой волны, что близко к фундаментальному пределу. Даже сравнительно скромная по лазерным масштабам энергия излучения, будучи сосредоточенной в импульсе ультракороткой длительности (УКИ), дает высокую мощность, а при фокусировании пучка — огромную интенсивность. В частности, созданная в Ливерморской Национальной лаборатории (США) установка позволяет получать УКИ лазерного излучения с энергией 660 Дж при длительности импульса 440 фс, что обеспечивает получение пиковой мощности порядка 1 ПВт, а при фокусировании пучка — интенсивность излучения свыше 1021Вт/см2. Для представления об этой величине следует отметить, что давление света в этом случае составляет 300 Гбар, что сравнимо с давлением в центре Солнца. В данном примере рост мощности лазерного излучения достигался, главным образом, за счет сокращения длительности импульса. Сравнение современных фемтосекундных лазеров с первым из импульсных лазеров показывает, что увеличение мощности достигло 12 порядков. Для оценки роста энергии излучения можно привести данные о лазерном устройстве УКИ, проектируемом в США для исследований по термоядерному синтезу. В 192 пучках этой установки величиной с футбольное поле должна достигаться энергия 2 МДж в импульсе наносекундной длительности. Т.о., рост энергии составит не менее 6 порядков.

Источник