В чем измеряется лазерное излучение

В чем измеряется лазерное излучение

^ Свет • Фотон • Преломление • Лазер • Способы создания лазера • Черновик2 • 1-2-(М-Л) • Эксперимент1

Лазерное излучение с длинами волн (снизу вверх): 405, 445, 520, 532, 635 и 660 нм.

Лазер (лаборатория NASA).

Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Принцип действия

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Гелий-неоновый лазер. Светящаяся область в центре — это не лазерный луч, а свечение электрического разряда в газе, возникающее подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Собственно лазерный луч проецируется на экран справа в виде красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

Устройство лазера

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

  • активной (рабочей) среды;
  • системы накачки (источник энергии);
  • оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

I_l=I_0 exp (-a_1l), $

здесь I — начальная интенсивность, Il — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a1 — показатель поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

I_l=I_0 exp (a_2l), $

где a2 — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе

Читайте также:  Бандаж абдоминальный грыжевой

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd 3+ , используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (ηквантовое = hνизлучения/hνнакачки)

Оптический резонатор

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:

то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

здесь $ c $ — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

$ vartriangle
u_r = frac <2L>$ .

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют конечную ширину $ vartriangle
u_l $ . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии (в лазерной технике применяется термин «полоса усиления») укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же $ vartriangle
u_l , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом $ varphi $ к ней. Условие усиления тогда принимает вид:

2L cos varphi = n lambda. $

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

Б. Ньюманн, С. Райт Artifex Engineering, Германия

* Статья опубликована в журнале Фотоника № 1 / 69 / 2018

ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ОПРЕДЕЛЯЮТ ДАТЧИКИ

Измерение оптической мощности лазерного излучения основано на использовании датчиков, преобразующих оптическую мощность в измеряемое напряжение или силу тока. Физические принципы, заложенные в основу работы датчика, определяют функциональность всего измерительного устройства. Для измерения мощности лазерного излучения используют два типа стандартных датчиков:

Тип датчика Физические принципы Описание
Фотодиод Электронно-дырочная генерация Генерация неравновесных электронно-дырочных пар происходит вследствие поглощения фотонов в полупроводниковом материале. Внешняя электрическая цепь, подключенная к устройству, обеспечивает циркуляцию тока неравновесных носителей заряда в системе. Величина тока пропорциональна поглощенной оптической мощности.
Термопара Эффект Зеебека Устройство, изготовленное с использованием двух различных металлов, соединенных между собой в двух отдельных точках. Вследствие разности температур между этими точками возникает напряжение. Такое устройство называется «термопара».
Читайте также:  Жир сурка применение от чего он помогает

СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПАРЫ

Термоэлемент представляет собой датчик, состоящий из массива термопар. Отдельные термопары соединены термически параллельно, но в электрической цепи они представляют собой последовательное соединение. Такое соединение имеет важное практическое значение для повышения чувствительности измерительного устройства, так как чувствительность (V/°C) одной термопары крайне низкая.


Рис.1. Детекторы лазерной мощности: a) – термопары; b) – термоэлементы

Поверхность детектора покрыта черным абсорбирующим материалом. Назначением такого покрытия является максимальное поглощение мощности падающего лазерного излучения, независимо от его длины волны.
С учетом этих фактов становится очевидным, что конструкция термопары имеет следующие характеристики:

  • Термопары имеют низкую чувствительность к световому излучению.
  • Термопары должны быть изолированы от внешних источников тепла, которые вносят ошибку в результаты измерений. Типичными внешними источниками тепла могут быть: циркулирующий воздух от приборов, охлаждаемых вентилятором, или даже рука оператора, положенная к головке датчика. Это ограничивает до нескольких милливатт нижний диапазон измеряемой мощности. С другой стороны, термопары являются идеальным инструментом для измерения высокой мощности, если поверхность датчика не повреждена, а тепло может быть отведено посредством воздушного или водяного охлаждения.
  • Материал абсорбента является определяющим фактором для точности измерений оптической мощности. Однако следует помнить, что с течением времени покрытие стирается, что ведет к необходимости повторной калибровки.
  • Термопары очень медленно реагируют на измерения, основанные на изменении теплового потока. Среднее время отклика варьируется от одной до нескольких секунд.

СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ФОТОДИОДОВ

Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство, конструкция которого подразумевает наличие двух электродов (анода и катода), между которыми возникает градиент электрического потенциала. Каждый электрод через тонкие провода соединен с двумя выходными контактами. Поскольку эта конструкция чувствительна к механическим воздействиям, то устройство заключено в металлический корпус с защитным прозрачным окном, через которое может проникать излучение.


Рис. 2. Принцип работы фотодиода [2] Рис. 3. Схема фотодиода [3]

Рассмотрим функциональные свойства фотодиода, связанные c особенностями его конструкции:

Фотодиод обладает высокой чувствительностью к возбуждающему излучению, поскольку происходит прямое преобразование падающих фотонов в электроны. Обычно квантовая эффективность фотодиодов может быть близкой к 100%. Это позволяет измерять низкую мощность светового потока вплоть до фемтосекундного диапазона. Сверху диапазон измеряемых величин мощности ограничен несколькими милливаттами, выше которых фотодиод переходит в режим насыщения, и генерируемый ток уже перестает расти пропорционально энергетическому световому потоку.

Приемная чувствительная площадка сенсора выполнена из полупроводникового материала. Кремний – материал, который чаще всего используется для регистрации излучения видимого диапазона, так как он имеет низкую себестоимость. Однако Ge и InGaAs, столь необходимые для создания фотодиодов для ближней ИК-области, в противоположность Si являются дорогостоящими. Также датчики сильно ограничены по своим размерам.

Так как приемная поверхность датчика плоская, то устройство представляет собой в некоторой степени зеркало. Полупроводниковые материалы имеют высокий показатель преломления, что приводит к частичному отражению входящего светового потока. Это вносит затруднения в точность измерений.

Защитное окно действует как фильтр: в зависимости от угла и положения падающего луча относительно чувствительной площадки фотодиод может проявлять разную интегральную чувствительность [3].
Может показаться, что фотодиод не подходит для измерений высокомощных лазерных источников, так как площадь сечения высокомощного лазерного пучка превышает чувствительную площадку детектора, и диапазон измерений детектора ограничен значением величины мощности в несколько милливатт. Поэтому многие пользователи идут на компромисс и просто используют термоэлектрические датчики.
Но как поступить, если для работы одновременно требуются высокое разрешение, широкий динамический диапазон и высокая скоростью вывода данных?

ИНТЕГРИРУЮЩИЕ СФЕРЫ

Интегрирующая сфера – это измерительное средство, лишенное недостатков фотодиодов и термоэлементов, о которых сказано выше. Это пассивное метрологическое средство измерений, содержащее полый шар с отверстиями («порты»), которые позволяют лазерному излучению проникать внутрь него и легко его покидать.


Рис. 4. Принцип работы интегрирующей сферы

Внутренняя поверхность шара имеет покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения в измеряемом диапазоне длин волн. Внутри сферы происходит равномерное распределение падающего лазерного излучения по всей поверхности сферы с помощью многочисленных сильно рассеивающих отражателей.

Полые сферы, изготовленные из специального полимера, подходят для измерений в диапазоне длин волн от 250 нм до 2,5 мкм. Алюминиевые сферы, покрытые сульфатом бария (BaSO4), несколько дешевле аналогов, но со временем покрытие приобретает желтую окраску, и следовательно, сферы становятся непригодными для высокоточных измерений мощности лазера. Для измерения мощности излучения в диапазоне длин волн 700 нм – 20 мкм используют сферы с шероховатой металлической поверхностью, покрытой золотом. В этот спектральный диапазон попадает излучение, генерируемое многими типами лазе-ров высокой мощности. Поэтому твердая медь или алюминий подходят в качестве хорошего материала теплопроводящей подложки интегрирующих сфер.


Рис.5. Комбинация сферы с фотодиодом и оптоволоконным портом

В боковую стенку интегрирующей сферы встроен фотодиод. Он регистрирует только часть лазерной мощности, попадающей в сферу. При этом характеристики падающего на датчик света отличаются от характеристик того излучения, которое падает на сферу:

Плотность мощности излучения получается полностью однородной.

Излучение не поляризовано, даже если входное излучение поляризовано.

Входная мощность сильно ослабляется.

Мы видим, что комбинация интегрирующей сферы и фотодиода позволяет спроектировать лазерный датчик мощности, обладающий преимуществами и фотодиода, и интегрирующей сферы. Подобный датчик может реагировать так же быстро, как фотодиод, и проводить измерения в широком диапазоне значений мощности, как интегрирующая сфера. Меняя размер интегрирующей сферы, можно изменять общую чувствительность системы. Кроме того, чувствительность детектора теперь не зависит от неоднородности плотности мощности и от поляризации излучения, генерируемого лазером. Детектор также не зависит от взаимного расположения падающего луча и поверхности приемной чувствительной площадки детектора, а также от угла падения на нее лазерного излучения.

Интегрирующую сферу можно использовать для измерений пучков с сечениями относительно больших диаметров, поскольку размер приемной площадки фотодиода в этом случае не будет проявлять себя как ограничивающий фактор. Плотность мощности излучения, попадающего на внутреннюю стенку сферы, также значительно меньше той, что попадает на поглощающий термоэлемент. Причина в том, что общая площадь внутренней поверхности сферы, по меньшей мере, в 20 раз больше площади входной апертуры. Таким образом, материал стенки может выдерживать более высокую плотность мощности, и со временем это качество существенно не изменяется.
В боковой части сферы дополнительно могут быть расположены иные измерительные порты, что дает преимущества иного рода. Например, волоконно-оптический порт может использоваться для одновременного измерения спектрального состава излучения лазера.

Читайте также:  Длина кишечника у новорожденного ребенка

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В качестве примера использования интегрирующей сферы для измерений рассмотрим практику измерений флуктуаций мощности дискового лазера мощностью 5 кВт. Данный твердотельный лазер используется для обработки материалов. Измерительное устройство представляет собой интегрирующую сферу – медный шар диаметром 200 мм с золотым покрытием и с водяным охлаждением. Поскольку при таких высоких уровнях мощности происходит нагрев интегрирующей сферы, фотодиод требуется установить вне сферы – изменение температуры самого фотодиода может привести к снижению точности измерений мощности. Сфера была оснащена оптоволоконным портом SMA типа, который подключается к соответствующему порту измерителя мощности. Полная система (сфера-волокно-фотодиод) была предварительно откалибрована как единая измерительная установка измерения мощности. Счетчик мощности питается от USB и контролируется. Этим ограничивается число кабелей, используемых в измерениях (один USB-кабель и две линии подачи воды).

Рис.6-7. Установка интегрирующей сферы и измерителя мощности внутри кабины обработки
Рис. 8. Рабочая измерительная установка (вид через смотровое окно).
Обратите внимание на пирографическую камеру, показывающую температуру поверхности сферы (42 °C)

При использовании измерительной установки было обнаружено, что мощность лазера обладает высокой стабильностью, вплоть до величин 2500Вт. Однако когда мощность излучения возрастает до 5000Вт, наблюдалась долговременная флуктуация около 1,5%.

Рис.9. Результаты измерений мощности при Р = 2,5 кВт и Р = 5 кВт

Кроме того, в выходной мощности присутствуют колебания амплитуды, они составляют около 0,7%. Обращаем внимание, что эти более быстрые флуктуации зависят от временного масштаба, который не может быть измерен с помощью термоэлемента.

Рис.10. Расширенное представление результатов (см. рис. 9) измерения мощности при 5 кВт

ВЫВОДЫ
Интегрирующая сфера в сочетании с фотодиодом представляет собой практически идеальный датчик для измерения лазерной мощности. При работе с высокомощными лазерами эта комбинация позволяет обнаружить колебания рабочих параметров, которые для термоэлектриче-ского детектора незаметны вследствие слишком длительного временного отклика. С помощью подобной системы можно обнаружить колебания во время работы непрерывных лазерных источни-ков, переходные процессы и флуктуации мощности при запуске лазера, а также кратковременные падения мощности во время работы.
Кроме того, поскольку измерение практически не зависит от величины расходимости пучка, интегрирующие сферы могут использоваться для таких лазерных измерений, как пропускание и отражение на преломляющих и рассеивающих объектах. Например, интегрирующую сферу можно использовать для измерения передачи лазерно-свариваемых пластиковых материалов для определения оптимальных рабочих параметров сварочного лазера.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение в основном оптическом диапазоне длин волн, создаваемое ла­зером. От излучения других источников света отличается высо­кой степенью когерентности, малой угловой расходимостью пучка, высокими спектральной яркостью и монохроматич­ностью. При определённых условиях из лазерного излучения можно вы­делить одну спектральную составляющую (осуществить так называемый одночастотный режим генерации). Ширина спектральной линии лазерного излучения в одночастотном режиме во много раз меньше, чем у спонтанного излучения атомов.

Длина когерентности лазерного излучения достигает нескольких тысяч километров, время когерентности составляет доли секунд; для естественных источников квазимонохроматического света аналогичные величины меньше в 10 9 раз. Угловая расходимость ( ) лазерного излучения может быть полу­чена предельно малой, т.е. может определяться только дифракционной расходимостью:

где – длина волны излучения, D – эффективный диаметр пятна на выходном зер­кале лазера. Для газовых лазеров D 1 см, угло­вых секунд (для мкм), для твердотельных – соот­ветственно

1 мм и 30 угловых минут, для полупроводниковых лазеров

1 мкм и 30 угловых градусов.

Высокая когерентность лазерного излучения позволяет эффективно использовать для его форми­рования телескопическую оптическую систему и, таким образом, су­щественно повысить направленность излучения. Это необхо­димо, например, для полупроводниковых лазеров, излучение которых характеризуется сравнительно большой угловой расходимостью.

Немонохроматичность лазерного излучения обусловлена прежде всего тем, что одновременно с фотонами вынужденного излу­чения в том же направлении излучаются спонтанные фотоны (создаётся спонтанный шум) с другими частотами. В результате ширина спектральной линии ( ) лазерного излучения (ширина линии гене­рации) отлична от нуля, при этом

где h – постоянная Планка; – спектральная полушири­на моды резонатора лазера на частоте ; P – выходная мощность лазера.

Например, при Р = 10 мВт, = 10 15 Гц и = 10 8 Гц, 0,1 Гц. Это означает, что степень моно­хроматичности составляет 10 -15 — 10 -16 (для срав­нения: лучшие монохроматоры с использованием естественных источников света имеют при потере в плотности излучения ).

Значение характеризует минимальное уширение спектральной линии лазерного излучения, обусловленное только спонтанными фотонами. В реальных лазерах

значительно больше вследствие различных причин: механических колебаний зеркал резонатора, изменения их дли­ны из-за теплового расширения, влияния внешних электрических и магнитных полей и др.

Высокая спектральная яркость лазерного излучения (количество энергии на единичный частотный интервал, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности источника в единицу телес­ного угла) обусловлена его высокой монохроматичностью и острой направленностью. Для лазеров значения спектраль­ной яркости в десятки тысяч раз превышают спектральную яркость Солнца.

В зависимости от типа лазера длины волн лазерного излучения лежат в интервале от 0,1 мкм (далёкая УФ область) до 0,79 мм (диапазон субмиллиметровых волн), мощность в непрерыв­ном реж
име – от нескольких микроватт до 100 кВт, энергия в одиноч­ном импульсе – от десятых долей до 10 5 Дж. Длина волны лазерного излучения измеряется с помощью интерферометров, дифракционных решёток, призм, энергетические характеристики – с помощью калориметров, термоэлементов, болометров.

Ссылка на основную публикацию
В каком месте находится селезенка
Селезенка, или lien – уникальный орган. Его уникальность заключается в том, что его можно убрать, и человек останется жить. Более...
В какие дни цикла сдают женские гормоны
Для определения полноценности гормонального фона ваш доктор, скорее всего, обязательно назначит вам сдать «кровь на гормоны».Гормоны – это высокоактивные вещества,...
В каких местах болит голова и почему
Известно около 200 причин головной боли (цефалгии). Это может быть повышение или понижение артериального давления, патология церебральных сосудов, заболевания позвоночника,...
В каком положении правильно кормить новорожденного
Главная потребность грудничка — как можно чаще находиться возле мамы, чувствовать ее тепло. Идеальный вариант, когда в груди вырабатывается достаточное...
Adblock detector