Спрямованість (направленість) лазерного випромінювання

багато в чому визначається тим, що у відкритому резонаторі можуть збуджуватися тільки такі хвилі, які направлені по осі резонатора або під дуже малими кутами до неї. При високому ступені просторової когерентності кут розбіжності лазерного променя може бути зроблений близьким до межі, визначуваної дифракцією. Типові значення складають:

- для газових лазерів (0,5-5)*10^-3 радіан,

- у твердотільних (2-20)*10^-3 радіан,

- у напівпровідникових (5-50)*10^-2 радіан.

Спрямованість визначає розходження світлового пучка в просторі і характеризується плоским або тілесним кутом, в якому розповсюджується велика частина випромінювання. Розходження пучка служить мірою його відхилення від паралельності.

«Класичні» джерела світла володіють дуже низькою спрямованістю випромінювання і зазвичай випромінюють в межах тілесного кута від 2л до 4л (!!! Пи = 180 градсов!!!). Джерела, випромінюючі по законах абсолютно чорного тіла, дають ненаправлене випромінювання: поверхнева щільність випромінюваної електромагнітної енергії не залежить від направлення в межах всього тілесного кута 4л.

 

Лазерне випромінювання за своєю природою володіє високим ступенем спрямованості. Спрямованість випромінювання, що генерується лазером, визначається властивостями резонатора. Розходження лазерного пучка при генерації на одній аксіальній моді близька до гранично досяжної розходженності, яка обмежується явищами дифракції. Дифракційне розходження є наслідком природного розширення лазерного пучка у міру руху світлових хвиль в просторі.

Для плоского пучка (плоскої електромагнітної хвилі) мірою дифракції та розходження може служити кут α_D, під яким з отвору видно діаметр першого темного кільця:

(3)

де λ -длина хвилі, а d - діаметр отвору.

Кут дифракційної розбіжності гауссовського пучка визначається виразом

(4)

де d₀ - діаметр пучка в найбільш вузькій його частині.

З порівняння виразів (3) і (4) видно, що при однакових діаметрах розбіжність гауссового пучка приблизне удвічі менше плоского пучка.

Яскравість.

Яскравість якого-небудь джерела електромагнітних хвиль характеризує потужність випромінювання, випускаючого з одиниці поверхні в одиничному тілесному углі в напрямку, перпендикулярному випромінювальної поверхні. Ця величина має розмірність (Вт/(м2-ср) (стерадіан ср Телесный угол - часть пространства, ограниченная некоторой конической поверхностью) і називається енергетичною яскравістю, або випромінювальною здатністю.

Енергетична яскравість є об'єктивною фізичною характеристикою електромагнітного випромінювання. Окрім енергетичної яскравості вводиться поняття фотометричної яскравості, або просто яскравості.

Фотометрична яскравість служить для оцінки ефективності дії світла на око людини. Ця ефективність дії визначається багатьма чинниками і може бути різною у різних людей, залежати від рівня освітленості (денний / нічний зір), психологічного стану і т.д. Але найбільш сильною є її залежність від довжини хвилі.

Таким чином, перехід від енергетичних величин до фотометричних здійснюється через коефіцієнт K_λ, залежний від довжини хвилі. Цей коефіцієнт є світловим (фотометричним) еквівалентом потоку випромінювання (енергетичного) і називається спектральною світловою ефективністю монохроматичного випромінювання, або відністтю.

Для даної довжини хвилі фотометрична яскравість Bυ пов'язана з енергетичною яскравістю В_Е співвідношенням

(5)

Разом з яскравістю для опису енергетичних характеристик лазерного випромінювання часто використовують такі поняття, як потужність випромінювання (безперервна і імпульсна) і енергія випромінювання. Остання характеризує енергію, переносиму світловим потоком, і застосовна зазвичай до імпульсних лазерів. Вона визначає енергію електромагнітного поля в одному лазерному імпульсі.

Але енергетична яскравість лазерного випромінювання часто є важливішою характеристикою, ніж потужність, енергія або інтенсивність випромінювання. Це пов'язано з тим, що в багатьох практичних випадках інтерес представляє інтенсивність, яку можна отримати при фокусуванні лазерного випромінювання лінзою. А ця величина пропорційна яскравості пучка. Істотним є те, що хоча інтенсивність пучка можна збільшити (наприклад, за рахунок фокусування), його яскравість при цьому залишається без змін.

Завдяки високій спрямованості лазерні джерела світла володіють дуже високою яскравістю, через що на мішені можна отримати дуже велику інтенсивність світла.

Так, гелій-неоновий лазер з потужністю всього 10 м В т і розбіжністю випромінювання 3*10^-4 радіан при площі пучка 0,1 см² має яскравість 10⁶ Вт/(см²*стерадиан), що у багато разів перевищує яскравість Сонця (130 Вт/(см² стерадіан)). (Звідси вираз, що лазер яскравіший за тисячу сонць.) Перераховані вище властивості роблять лазери унікальними джерелами світла і визначають можливість їх численних застосувань.

Випромінювання лазера представляє потік однакових фотонів, які майже паралельно летять, воно має ряд вельми важливих особливостей.

По-перше, дуже мала розбіжність лазерного випромінювання. Якщо, наприклад, діаметр лазерного пучка 1 см, а довжина хвилі 5х10^{-5 см, то кут розбіжності складає всього лише 5х10-5} рад, або 0,003°. За допомогою збираючих лінз і дзеркал лазерні промені можна сфокусувати в крапку розміром 0,5 мкм (для видимого світла). При цьому кут розбіжності зменшується до 10^-7 рад. Якщо такий промінь послати на Місяць, то він висвітить на її поверхні коло діаметром 30 м.

По-друге, лазерне випромінювання володіє високою монохроматичністю, тобто практично випромінювання має одну єдину частоту і відповідну їй одну єдину довжину хвилі (у всіх фотонів в лазерному пучку однакова енергія). При лазерному випромінюванні спостерігаються флуктуації частоти, за рахунок того, що деяка дуже невелика частина атомів дає спонтанне випромінювання, некогерентне з основним випромінюванням. Тому лазерне випромінювання займає дуже вузьку смугу частот, приблизно 10^-3 Гц.

Третя особливість полягає в тому, що можливо в широких межах управляти тривалістю випромінювання від надтривалих до надкоротких (всього лише 10^-14-10^-15 с) імпульсних спалахів. Імпульси світла такої малої тривалості мають в просторі дуже малу довжину і величезну потужність.

Сучасні лазери випромінюють в одному імпульсі енергію до декількох тисяч Дж. Це відповідає потужності, у багато разів більшій, ніж у найбільших електростанцій. Наприклад, якщо енергія імпульсу 10³ Дж, а його тривалість 10^-13 с, то потужність рівна 10³ Дж/10^-13 с = 10¹⁶ Вт = 10¹⁰ МВт.

Величезна потужність лазерного випромінювання призводить до того, що речовини, освітлені лазером, можуть бути нагріті до вельми високих температур. Інтенсивність сфокусованого лазерного пучка може бути 10²⁰ Вт/см² і більшою, і при цьому напруженість електричного поля в промені досягає 10¹¹ В/см.