Властивості лазерного випромінювання

 

В даний час лазери перекривають діапазон від ультрафіолету до субміліметрових хвиль, досягнуті перші успіхи в створенні рентгенівських лазерів, створені лазери, що перебуд

Властивості лазерного випромінювання принципово відрізняється від властивостей оптичного випромінювання. Основними властивостями лазерного випромінювання є:

- монохроматичніть

- корегентність

- направленість

- потужність і яскравість

Потужність лазерного випромінювання в безперервному режимі може бути близько 10⁵-10⁶ Вт, в імпульсному - до 10¹²-10¹³ Вт, при цьому вдається досягти інтенсивності близько 10¹²-10¹⁶ Вт/cм². Ці потужності можуть бути сконцентровані в надзвичайно вузьких спектральних і тимчасових інтервалах. Тривалість імпульсу випромінювання в лазерах, що працюють в режимі синхронізації мод, може складати 10^-12-10^-13 с і спеціальними методами доводитися до 10^-15 с (за цей час світло проходить всього 3*10^{-5 см), тобто лазери володіють дивно високим ступенем концентрації енергії в часі.}

Монохроматичність

характеризує ступінь «размазанності» випромінювання по спектру. Кількісною характеристикою ступеня монохроматичності є ширина спектральної лінії на рівні 0,5 від її максимуму або спектральний діапазон Δω (Δλ), займаний групою ліній.

Ширина спектральної моди, що виділяється резонатором,
визначається його добротністю:

(1)

tф-час життя фотона у резонаторі.

 

У свою чергу величини Q і tф визначаються втратами в резонаторі. Але резонатор лазера виконує не тільки функції пасивного фільтру. Ширина спектральної лінії, що генерується лазером в одномодовому режимі, буде істотно менше величини, визначуваної співвідношенням (1) для пасивного резонатора. Якщо усередині резонатора знаходиться активне середовище, компенсуюче втрати на частоті генерації, то для такої моди в режимі генерації Q→ ∞ і Δω→0.

Межа ширини спектральної лінії лазерного випромінювання визначається двома чинниками:

1) шумами, обумовленими тепловим випромінюванням в резонаторі;

2) шумами, пов'язаними із спонтанним випромінюванням активної речовини.

У оптичному діапазоні шуми за рахунок спонтанного випромінювання переважають над тепловими шумами. Якщо враховувати тільки шуми, викликані спонтанними переходами, то опиниться, що спектральна лінія вихідного лазерного випромінювання має лоренцеву форму з полушириною

(2)

де Р – вихідна потужність лазерного випромінювання (решта позначень ті ж).

Використовуючи спеціальні методи стабілізації, вдається отримати відносну стабільність частоти

.

У разі лазера, що працює в багатомодовому режимі, монохроматичність пов'язана з числом мод, що генеруються, і може складати декілька ГГерц. У імпульсному режимі роботи мінімальна ширина лінії обмежена величиною, зворотній тривалості імпульсу. Високий ступінь монохроматічності лазерного випромінювання визначає високу спектральну щільність енергії - високий ступінь концентрації світлової енергії в дуже малому спектральному інтервалі.

Висока монохроматічность полегшує фокусування лазерного випромінювання, оскільки при цьому хроматична аберація лінзи стає неістотною.

Когерентність.

К. характеризує погодженість (кореляцію) що протікають в часі і в просторі коливальних і хвильових процесів. Математично ступінь когерентності описується за допомогою кореляційних функцій, а експериментально визначається по спостереженню інтерференційної картини.

Найвищою (повною) когерентністю володіє ідеально монохроматична лінійно поляризована хвиля, яка є абстракцією і в природі не існує. Найбільш близькими до такої хвилі характеристиками володіє лазерне випромінювання. Тому говорять, що воно є когерентним.

Випромінювання «звичайних», нелазерних джерел визначається процесами спонтанного (мимовільного і неузгоджено) випускання, тому таке випромінювання є некогерентним. Точніше, випромінювання «класичних» джерел володіє дуже невеликим ступенем когерентності: з суцільного спектру, що дається, наприклад, лампою розжарювання, за допомогою спектрального монохроматора можна виділити вузьку спектральну лінію, а за допомогою діафрагми - малу частину, що випромінюється малим об'ємом джерела. За певних умов за допомогою подібного випромінювання можна спостерігати інтерференційні ефекти, для чого воно повинне бути, принаймні, частково когерентним.

Для електромагнітної хвилі можна визначити два незалежні поняття - просторову і тимчасову когерентність.

Під просторовою когерентністю розуміють кореляцію фаз електромагнітних хвиль, випущених з двох різних точок джерела в однакові моменти часу.

Під часовою когерентністю розуміють кореляцію фаз електромагнітних хвиль, випущених з однієї і тієї ж точки джерела в різні моменти часу.

Якщо розташувати джерела оптичного випромінювання в порядку зменшення ступеня когерентності випромінювання, що генерується ними, то вийде приблизно така послідовність: газові лазери - рідинні лазери - твердотільні лазери на діелектриках - напівпровідникові лазери - газорозрядні лампи - світлодіоди - лампи розжарювання. При переході від лазерних джерел до нелазерних спостерігається різкий стрибок. Тому можна вважати, що «класичні» (нелазерні) джерела світла генерують некогерентне випромінювання, в лазерні - когерентне.

З когерентністю випромінювання пов'язана «плямиста», або «зерниста» картина лазерного світла. Її легко спостерігати візуально при розгляді лазерного випромінювання, розсіяного від екрану або стіни. Спостережуване розсіяне світло складається з хаотичного скупчення яскравих і темних плям, або «зерен». Це явище обумовлене інтерференцією хвиль, розсіяних невеликими розсіюючими центрами, розташованими на поверхні екрану або стіни. Чим вище ступінь когерентності падаючого випромінювання, тим виразніше виявляються окремі «зерна» в плямистій картині.