Принципы работы лазера. Спектральный состав излучения
Расширение спектрального диапазона лазера. Одной из главных задач специалистов, разрабатывающих лазерные устройства, является создание источников когерентного излучения, длину волны которых можно перестраивать во всем спектральном диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета и еще более коротковолнового излучения.
Создание лазера на красителях оказалось исключительно важным событием с этой точки зрения, так как их излучение можно перестраивать в диапазоне длин волн, выходящем за пределы видимой области спектра. Однако имеются существенные разрывы в спектре лазерного излучения, т. е. области, в которых известные лазерные переходы редки, а перестройка их частоты возможна лишь в узких спектральных диапазонах.
Широкие полосы флуоресценции, на существовании которых основана работа перестраиваемого лазера на красителях, не обнаружены в дальней инфракрасной области спектра, а используемые в лазерах красители быстро разрушаются интенсивным излучением накачки при возбуждении красителя, когда надо получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра.
Нелинейная оптика.
В поисках способов заполнить эти пробелы многие специалисты по лазерам использовали нелинейные эффекты в некоторых оптических материалах. В 1961 г. исследователи из Мичиганского университета сфокусировали свет рубинового лазера длина волны 694,3 нм в кристалл кварца и зарегистрировали в прошедшем кристалл излучении не только сам свет рубинового лазера, но и излучение с удвоенной частотой, т. е. на длине волны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3 нм, тем не менее это коротковолновое излучение имело характерную для лазерного света монохроматичность и пространственную когерентность.
Процесс генерации такого коротковолнового излучения известен как удвоение частоты, или генерация второй гармоники. ГВГ, и представляет собой один пример из множества нелинейных оптических эффектов, которые использовались для расширения перестраиваемого, спектрального диапазона лазерного излучения. ГВГ часто применяют для преобразования инфракрасного излучения 1,06 мкм и другие линии неодимового лазера в излучение, попадающее в желто-зеленую область спектра например, 530 нм, в которой можно получить лишь небольшое число интенсивных лазерных линий.
Генерацию гармоник можно также использовать для того, чтобы получить излучение с частотой в три раза большей, чем у исходного лазерного излучения. Нелинейные характеристики рубидия и других щелочных металлов применяют, например, для утроения частоты неодимового лазера до значения, соответствующего длине волны 353 нм, т. е. попадающего в ультрафиолетовую область спектра.
Теоретически возможны процессы генерации гармоник, более высоких, чем третья, но эффективность такого преобразования крайне низка, поэтому с практической точки зрения они не представляют интереса. Возможность генерации когерентного излучения на новых частотах не ограничивается процессом генерации гармоник. Одним из таких процессов является процесс параметрического усиления, который заключается в следующем.
Пусть на нелинейную среду воздействуют три волны мощная световая волна с частотой 1 волна накачки и две слабые световые волны с более низкими частотами 2 и 3. При выполнении условия 1 23 и условия волнового синхронизма имеет место перекачка энергии мощной волны с частотой 1 в энергию волн с частотами 2 и 3. Если нелинейный кристалл поместить в оптический резонатор, то получим прибор, очень напоминающий лазер и носящий название параметрического генератора.
Такой процесс был бы полезен даже в том случае, если бы возможности его использования были ограничены получением разностей частот двух существующих. лазерных источников. Фактически же параметрический генератор является устройством, способным генерировать когерентное оптическое излучение, частоту которого можно перестраивать почти во всем видимом диапазоне. Причина эта заключается в том, что нет необходимости использовать дополнительные источники когерентного излучения на частотах 2 и 3. Колебания эти могут сами возникать в кристалле из шумовых фотонов тепловых шумов, которые всегда в нем присутствуют.
Эти шумовые фотоны имеют широкий спектр частот, расположенный преимущественно в инфракрасной области спектра. При определенной температуре кристалла и ориентации его по отношению к направлению волны накачки и к оси резонатора упомянутое выше условие волнового синхронизма выполняется для определенной пары частот 2 и 3. Для перестройки частоты излучения надо изменить температуру кристалла или его ориентацию.
Рабочей частотой может быть любая из двух частот 2 и 3 в зависимости от того, какой диапазон частот излучения прибора нужен. Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральном диапазоне можно получить с помощью электрооптического изменения показателей преломления кристалла. Как и в случае лазера, имеется пороговый уровень мощности накачки, который для получения стационарных колебаний следует превысить. В большинстве параметрических генераторов в качестве источника накачки используют лазеры видимого диапазона, такие, как аргоновый лазер, или вторую гармонику неодимового лазера.
На выходе прибора получают перестраиваемое излучение инфракрасного диапазона. 2.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Лазер на красителях
Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать.. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации.Из расчетных типов..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Колебательная система лазера содержит активную среду, поэтому спектр лазерного излучения должен определяться как спектральными свойствами среды, так и частотными свойствами резонатора. Рассмотрим образование спектра излучения в случаях неоднородного иоднородногоуширенияспектральнойлиниисреды.
Спектр излучения при неоднородном уширении спектральной; линии. Рассмотрим случай, когда форма спектральной линии среды в основном определяется эффектом Доплера, а взаимодействием частиц среды можно пренебречь. Доплеровское уширение спектральной линии является неоднородным (см. § 12.2 ).
На рис. 15.10, а изображена частотная характеристика резонатора, а на рис. 15.10,б показан контур спектральной линии среды. Обычно ширина спектральной линии при доплеровском уширении∆ ν=∆ νД много больше интервала∆ νq между частотами соседних мод резонатора. Величина∆ νq , определяемая формулой(15.2) , например, при длине резонатораL =0,5 м составит 300 МГц, тогда как ширина спектральной линии вследствие эффекта Доплера∆ νД в соответствие с формулой(12.31) может быть около 1 ГГц. В этом примере в пределах ширины спектральной линии среды∆ ν≈∆ νД ; размещаются три продольных моды. При большей длине резонатора число мод в пределах ширины линии возрастает, так как уменьшаетсяинтервалчастот∆ νq соседнихмод.
Доплеровское уширение является неоднородным, т. е. спонтанное излучение в выбранном интервале частот, меньшем ∆ νД , создается определенной группой частиц, а не всеми
частицами среды. Предположим, что естественная ширина спектральной линии частицы значительно меньше разности частот соседних мод (например, естественная ширина линии
неона близка к 16 МГц). Тогда частицы, возбуждающие своим спонтанным излучением некоторуюмоду, не будут вызывать возбуждения других мод.
Для определения спектра излучения лазера воспользуемся частотной зависимостью показателя поглощения æ , в законе Бугера(12.50) . Этот показатель пропорционален разности населенностей верхнего и нижнего уровней перехода. В среде без инверсной населенностиæ >0 и характеризует поглощение энергии электромагнитного поля. При наличии инверсииæ <0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления активной средыæ а (æ а =|æ |).
Частотная зависимость показателя усиления æ a (ν) в соответствие с формулой(12.44) совпадает с формой спектральной линии среды, когда населенности уровней постоянны или изменяются незначительно в результате вынужденных переходов. Такое совпадение будет наблюдаться, если создана инверсия населенностей, а условия самовозбуждения лазера еще не выполнены (например, отсутствуют зеркала резонатора). На рис. 15.10,в пунктиром показана такая начальная частотная зависимость. При доплеровском уширении спектральной линии зависимость выражается гауссовой функцией и имеет ширину∆ νД как показано на рис. 15.10,б .
Предположим, что выполнены условия самовозбуждения. Тогда спонтанное излучение одной частицы будет вызывать вынужденные переходы других частиц, если частота спонтанного излучения последних лежит примерно в пределах естественной ширины спектральной линии возбуждающей частицы. Вследствие инверсии населенностей будут преобладать вынужденные переходы сверху вниз, т. е. населенность верхнего уровня должна уменьшаться, нижнего - увеличиваться, а показатель усиления æ а - убывать.
Поле в резонаторе максимально на резонансных частотах мод. На этих частотах будет наблюдаться наибольшее изменение населенностей уровней перехода. Поэтому на кривой æ а (ν) появятся провалы в окрестности резонансных частот (см. рис. 15.10,в ).
После выполнения условия самовозбуждения глубина провала на резонансных частотах увеличивается, пока не наступит режим; стационарных колебаний, при котором показатель усиления станет равным показателю потерь α в соответствие с условием (15.13) . Ширина каждого провала приблизительно равна естественной ширине линии частиц, если мощность, генерируемая на рассматриваемой частоте, мала. Чем больше мощность, а следовательно, и объемная плотность энергии поля, влияющая на число вынужденных переходов, тем шире провал. При малой мощности показатель усиления в пределах одного провала не зависит от показателя усиления в пределах другого провала, так как провалы не перекрываются вследствие сделанного вначале предположения о том, что естественная ширина линии меньше расстояния между резонансными частотами. Колебания на этих частотах можно считать независимыми. На рис. 15.10,г показано, что спектр излучения лазера содержит три линии излучения, соответствующие трем продольным модам резонатора. Мощность излучения каждой моды зависит от разности между исходным и стационарным значениями показателя усиления,
как в формуле (15.21) , т. е. определяется глубиной соответствующих провалов на рис. 15.10,в . Ширину каждой линии излучения δν определим в конце параграфа, а сейчас обсудим влияние мощности накачки на число генерируемых мод при заданных потерях.
Если мощность накачки настолько мала, что максимальное значение показателя усиления среды (кривая 1 на рис. 15.11 ,б ) не достигает порогового значения, равного α, то не возбуждается ни одна из мод, определяемых частотной характеристикой резонатора (рис, 15.11,а ). Кривая 2 соответствует большей мощности накачки, обеспечивающей превышение над пороговым значением для центральной частоты спектральной линии среды ν0 . Этому случаю соответствует один провал на рис. 15.11,в и генерация одной продольной моды (рис. 15.11,г ). Дальнейшее увеличение мощности накачки обеспечит выполнение условий самовозбуждения для других мод (кривая3). Соответственно провалы в кривой показателя и спектр излучения будут изображаться, как на рис. 15.10,в иг.
Спектр излучения при однородномуширении спектральнойлинии. Однородное уширение спектральной линии наблюдается в случае, когда основной причиной уширения является столкновение | (или взаимодействие) частиц среды (§ 12.2) .
Предположим, как и в случае неоднородного уширения, что в пределы спектральной линии среды попадает несколько собственных частот резонатора. На рис. 15.12,а показана частотная характеристика резонатора с указанием частоты и ширины резонансных кривых каждой моды∆ νp . Кривая 1 на рис. 15.12,б изображает частотную зависимость показателя усиления среды с инверсией населенности перед самовозбуждением лазера.
Спектральная линия каждой частицы и всей среды при однородном уширении совпадают, поэтому спонтанноеизлучениелюбойчастицы может вызвать вынужденные
переходы остальных частиц. Следовательно, при вынужденных переходах в указанной среде с инверсией населенности частотная зависимость æ а при генерации (кривая2) останется по форме такой же, как до генерации (кривая 1), но расположится ниже ее. Провалы, наблюдавшиеся при неоднородном уширении линии (см. рис. 15.11,в ), здесь отсутствуют, так как теперь в создании мощности излучения лазера участвуютвсечастицысреды.
На рис. 15.12,б условия самовозбужденияæ а >α выполнены для трех мод с частотами νq-1 , νq =ν0 и νq+1 . Однако на центральной частоте спектральной линии ν0 показатель усиления за одно прохождение излучения через активную среду максимален. В результате большего числа прохождений основной вклад в мощность излучения будет давать мода с центральной частотой.
Таким образом, в лазерах с однородным уширением спектральной линии среды возможно получение одночастотного режима с большой мощностью (рис. 15.12,в ), так как в отличие от случая неоднородного уширения для получения этого режима не требуется снижения мощности накачки.
Монохроматичность излучения лазера . Генерация колебаний в любых квантовых приборах начинается со спонтанного излучения, частотная зависимость интенсивности которого характеризуется спектральной линией среды. Однако в оптическом диапазоне ширина спектральной линии среды значительно больше ширины резонансных кривых∆ νp пассивного (без активной среды) резонатора вследствие большой добротностиQ последнего. Значение∆ νP =ν0 /Q , где ν0 - резонансная частота. При наличии в резонаторе активной среды происходит компенсация потерь (регенеративный эффект), что эквивалентно увеличению добротности и уменьшению ширины резонансной кривой∆ νp до величиныδ ν.
В случае генерации одной моды с частотой ν0 ширина линии лазерного излучения может быть оценена по формуле
где Р - мощность излучения. Рост мощности излучения соответствует большей
компенсации потерь, росту добротности и уменьшению ширины линии излучения. Если ∆ νp =l МГц, ν0 =5·1014 Гц,Р =1 мВт, то δ νтеор ≈ 10-2 Гц, а отношениеδ νтеор /ν 0 ≈2·10-17 . Таким образом, теоретическое значение ширины линии излучения оказывается чрезвычайно
малым, на много порядков меньше ширины резонансных кривых ∆ νp . Однако в реальных условиях из-за акустических воздействий и колебаний температуры наблюдается нестабильность размеров резонатора, приводящая к нестабильности собственных частот резонатора и, следовательно, частот линий лазерного излучения. Поэтому реальная (техническая) ширина линии излучения, учитывающая эту нестабильность, может достигать δ ν=104 –105 Гц.
Степень монохроматичности излучения лазера можно оценивать по ширине линии лазерного излучения и по ширине огибающей спектра лазерного излучения, содержащего несколько линий излучения (см. рис. 15.10,г ). Пусть∆ ν=104 Гц, ν0 =5·1014 Гц, а ширина огибающей спектраδ o.c .=300 МГц. Тогда степень монохроматичности по одной линии составит δ ν/ν0 ≈ 2·10-11 , а по огибающей δ ν/ν0 ≈ 6·10-7 . Достоинством лазеров является высокая монохроматичность излучения, особенно по одной линии излучения, или в одночастотном режиме работы
§ 15.4. Когерентность, монохроматичность и направленность лазерного излучения
В применении к оптическим колебаниям когерентность характеризует связь (корреляцию) между фазами световых колебаний. Различают временную и пространственную когерентность, с которыми в лазерах связаны монохроматичности и направленности излучения.
В общем случае, когда исследуется корреляция полей излучения вдвух точках пространства соответственновмоментывремени, смещенные на некоторуювеличину τ, используется понятие функции взаимнойкогерентности
где r 1 иr 2 - радиус-вектор первой и второй точки;Е 1 (r 1 ,t+ τ ) иE* 2 (r 2 , t) - комплексное и комплексно-сопряженное значения напряженности поля в этих точках. Нормированная функция взаимной когерентности характеризует степень когерентности:
где I (r 1 ) и I (r 2 )-интенсивность излучения в выбранных точках. Модульγ 12 (τ ) изменяется от нуля до единицы. Приγ 12 τ =0 когерентность отсутствует, в случае |γ 12 (τ )|=l имеется полная когерентность
Временная когерентность и монохроматичность излучения. Временной когерентностью называют корреляцию между значениями поля в одной точке пространства в моменты времени, отличающиеся на некоторую величину τ . В этом случае радиус-векторы r 1 и r 2 в определении функции взаимной когерентности Г 12 (r 1 , r 2 , τ ) и функции γ 12 (τ ) оказываются равными, функция взаимной когерентности превращается в функцию автокорреляции, а нормированная функция - в функцию γ 11 (τ ), характеризующую степень временнойкогерентности.
Ранее отмечалось, что при спонтанных переходах атом излучает цуги колебаний, которые не связаны друг с другом (рис. 15.13 ). Корреляция колебаний в одной точке пространства будет наблюдаться только в интервале времени, меньшем длительности цуга. Этот интервал называютвременем когерентности, и его принимают равным времени жизни по спонтанным переходам т. Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называютдлиной когерентности £ . Приτ ≈ 10-8 с£ =c τ =300 см. Длина когерентности может быть выражена и черезширинуспектральнойлинии∆ ν. Так как∆ ν≈ 1/τ , то£ ≈ c /∆ ν.
Временная когерентность и монохроматичность связаны между собой. Количественно монохроматичность определяется степенью монохроматичности ∆ ν/ ν0 (см.§ 15.3 ). Чем выше степень временной когерентности, т. е. чем больше время когерентности, тем меньше частотный спектр∆ ν, занимаемый излучением, и лучше монохроматичность. В пределе при полной временнойкогерентности(τ →∞ ) излучениесталобы полностьюмонохроматичным(∆ ν→0).
Рассмотрим временную когерентность лазерного излучения. Предположим, что некоторая частица активной среды излучила квант, который представим в виде цуга колебаний (см. рис. 15.13). При взаимодействии цуга с другой частицей появится новый цуг, фаза колебаний которого из-за природы вынужденных переходов совпадает с фазой колебаний исходного цуга. Этот процесс многократно повторяется, при этом корреляция фазы сохраняется. Результирующее колебание можно рассматривать как цуг с длительностью значительно большей длительностиτ исходного цуга. Таким образом, происходит увеличение времени когерентности, т. е. улучшаетсявременная когерентностьимонохроматичностьизлучения.
В связи с этим рассмотрением становится очевидным, что оптический резонатор повышает временную когерентность лазерного излучения, так как он обеспечивает многократное прохождение цугов через активную среду. Последнее эквивалентно увеличению времени жизни излучателей, повышению временной когерентности и уменьшению ширины линии
лазерногоизлучения, рассмотренного в § 15.3 . |
|
Время когерентности излучения лазера можно определить |
|
через техническую ширину линии лазерного излучения δ ν. по |
|
формуле τ =1/2πδ ν.. Приδ ν=103 Гц время когерентности |
|
составляет τ =1,5·10-4 с. Длина когерентности в этом случае |
|
L =cτ =45 км. Таким образом, время когерентности и длина |
|
когерентности в лазерах на много порядков больше, чем в |
|
обычных источниках света. |
Пространственная когерентность и направленность излучения, Пространственной когерентностью называют корреляцию между значениями поля в двух точках пространства в один и тот же момент времени. В этом случае в формулы для функции взаимной когерентности Г 12 (r 1 ,r 2 , τ ) и нормированной функции когерентности γ 12 (τ ) следует подставлять τ =0. Функция γ 12 (0) характеризуетстепеньпространственнойкогерентности.
Излучение точечного источника всегда пространственно-когерентно. Степень пространственной когерентности протяженного источника зависит от его размеров и от расстояния между ним и точками наблюдения. Из оптики известно, что чем больше размер источника, тем меньше угол, в пределах которого излучение можно считать пространственно-когерентным. Световая волна, обладающая наилучшей пространственной когерентностью, должна иметь плоскийфронт.
В лазерах излучение имеет высокую направленность (плоский фронт), определяемую свойствами оптического резонатора. Условие самовозбуждения выполняется только для определенного направления в резонаторе для оптической оси или направлений, близких к нему. В результате очень большого числа отражений от зеркал излучение проходит большой путь, что эквивалентно увеличению расстояния между источником и точкой наблюдения. Этот путь соответствует длине когерентности и может составлять десятки километров у газовых лазеров. Высокая направленность излучения лазеров определяет и высокую пространственную когерентность. Существенно, что эффект увеличения расстояния в лазере сопровождается увеличением мощности излучения из-за его усиления в активной среде, тогда как в обычных источниках улучшение пространственной когерентности связано с потерей интенсивности света.
Высокая степень временной когерентности излучения определяет применение лазеров в системах передачи информации, измерения расстояний и угловых скоростей, в квантовых стандартах частоты. Высокая степень пространственной когерентности (направленности) позволяет эффективно передавать световую энергию и фокусировать световой поток в пятно очень малого размера, сравнимого с длиной волны. Это позволяет получить громадные значения плотности энергии, напряженности поля и светового давления, необходимые для научных исследований и различных технических применений.
1.1. Виды спектров.
На первый взгляд лазерный пучок кажется очень простым по своей структуре. Это практически одночастотное излучение, имеющее спектрально чистый цвет: He-Ne лазер имеет излучение красного цвета (633 нм), кадмиевый лазер излучает синий цвет (440 нм, аргоновый лазер излучает несколько линий в сине-зеленой области спектра (488 нм, 514 нм и др.), полупроводниковый лазер - красное излучение (650 нм) и т.д. На самом деле спектр излучения лазера имеет довольно сложную структуру и определяется двумя параметрами - спектром излучения рабочего вещества (для He-Ne лазера, например, это красная спектральная линия излучения неона, возбужденного электрическим разрядом) и резонансными явлениями в оптическом резонаторе лазера.
Для сравнения, на рисунках справа приведены спектры излучения солнца (A) и обычной лампочки накаливания (B) (верхний рис.), спектр ртутной лампы (рис. справа) и сильно увеличенный спектр генерации He-Ne лазера (рис. внизу).
Спектр лампы накаливания, как и солнечный спектр, относится к непрерывным спектрам, которые полностью заполняет видимый спектральный диапазон электромагнитного излучения (400-700 нм). Спектр ртутной лампы относится к линейчатым спектрам, который так же заполняет весь видимый диапазон, но состоит из отдельных спектральных компонент различной интенсивности. Кстати, до появления лазеров монохроматическое излучение получали, выделяя отдельные спектральные компоненты излучения ртутной лампы.
1.2. Спектр излучения в He-Ne лазере.
Спектр излучения лазера является монохроматическим, т. е. имеет очень узкую спектральную ширину, но, как видно из рисунка, он так же имеет сложную структуру .
Процесс формирования лазерного спектра рассмотрим на основе хорошо изученного He-Ne лазера. Исторически это был первый лазер непрерывного действия, работающий в видимом диапазоне спектра. Он был создан А. Джаваном в 1960 г.
На рис. справа показаны энергетические уровни возбужденной смеси гелия и неона . Возбужденный атом гелия или неона - это атом, у которого один или несколько электронов внешней оболочки при столкновениях с электронами и ионами газового разряда переходят на более высокие энергетические уровни и в дальнейшем могут перейти на более низкий энергетический уровень или вернуться обратно, на нейтральный уровень, с испусканием светового кванта - фотона.
Возбуждение атомов производится электрическим током, проходящим через газовую смесь. Для He-Ne лазера это слаботоковый, тлеющий разряд (типичные токи разряда - 20-50 мА). Картина энергетических уровней и механизм излучения достаточно сложны даже для такого "классического" лазера, которым является He-Ne лазер, поэтому мы ограничимся рассмотрением только основных деталей этого процесса. Атомы гелия, возбужденные до уровня 2S при столкновениях с атомами неона передают им накопленную энергию, возбуждая их до уровня 5S (поэтому гелия в газовой смеси больше, чем неона). С уровня 5S электроны могут перейти на ряд более низких энергетических уровней. Нас интересует только переход 5S - 3P (оба уровня в действительности расщеплены на ряд подуровней из-за квантовой природы механизмов возбуждения и излучения). Длина волны излучения фотонов при этом переходе - 633 нм.
Отметим еще один важный факт, принципиально важный для получения когерентного излучения. При правильно подобранных пропорции гелия и неона, давлении смеси газов в трубке и величине разрядного тока электроны накапливаются на уровне 5S и их количество превышает количество электронов, находящихся на нижнем уровне 3P. Это явление называется инверсной заселенностью уровня. Однако, это пока еще не лазерное излучение. Это одна из спектральных линий в спектре излучения неона. Ширина спектральной линии зависит от нескольких причин, главные из которых: - конечная ширина энергетических уровней (5S и 3P), участвующих в излучении и определяемая квантовым принципом неопределенности, связанным со временем пребывания атомов неона в возбужденном состоянии, - уширение линии связанное с постоянным движением возбужденных частиц в разряде под воздействием электрического поля (так называемый эффект Доплера). С учетом этих факторов ширина линии (специалисты называют ее контуром рабочего перехода) равна примерно двум десятитысячным ангстрема. Для таких узких линий в расчетах удобнее использовать ее ширину в частотной области. Воспользуемся формулой перехода:
dn 1 =dl c/l 2 (1)
где dn 1 - ширина спектральной линии в частотной области, Гц, dl - ширина спектральной линии (0,000002 нм), l - длина волны спектральной линии (633нм), c - скорость света. Подставив все значения (в одной системе измерения), получим ширину линии 1,5 ГГц. Конечно, такую узкую линию можно считать вполне монохроматической по сравнению со всем спектром излучения неона, но назвать это когерентным излучением еще нельзя. Для получения когерентного излучения в лазере используется оптический резонатор (интерферометр).
1.3. Оптический резонатор лазера.
Оптический резонатор представляет собой два зеркала, находящихся на оптической оси и обращенных отражающими поверхностями друг к другу, рис. справа. Зеркала могут быть плоскими или сферическими. Плоские зеркала очень трудно юстировать и генерация лазерного излучения может быть нестабильной. Резонатор со сферическими зеркалами (конфокальный резонатор) гораздо стабильнее, но пучок лазера может быть неоднородным по сечению из-за сложного, многомодового состава излучения. На практике чаще всего используют полуконфокальный резонатор с задним сферическим и передним плоским зеркалом. Такой резонатор относительно стабилен и дает однородный (одномодовый) пучок.
Главным свойством любого резонатора является образование в нем стоячих электромагнитных волн. В случае He-Ne лазера стоячие волны образуются для излучения спектральной линии неона с длиной волны 633 нм. Этому способствует максимальный коэффициент отражения зеркал, подобранный как раз для этой длины волны. В лазерных резонаторах используются диэлектрические зеркала с многослойным напылением, позволяющим получить коэффициент отражения 99% и выше. Как известно, условие образования стоячих волн заключается в том, что расстояние между зеркалами должно быть равно целому числу полуволн:
nl =2L (2)
где n - целое число или порядок интерференции, l - длина волны излучения внутри интерферометра, L - расстояние между зеркалами.
Из условия резонанса (2) можно получить расстояние между резонансными частотами dn 2:
dn 2 =c/2L (3)
Для полутораметрового резонатора газового лазера (He-Ne лазер ЛГН-220) эта величина составляет примерно 100 МГц. Только излучение с таким частотным периодом может многократно отражаться от зеркал резонатора и усиливаться по мере прохождения через инверсную среду - возбужденную электрическим разрядом смесь гелия и неона. Причем, что чрезвычайно важно, при прохождении этого излучения вдоль резонатора, его фазовая структура не изменяется, что приводит к когерентным свойствам усиленного излучения. Этому способствует инверсная заселенность уровня 5S, о которой говорилось выше. Электрон с верхнего уровня переходит на нижний синхронно с фотоном, инициирующим этот переход, поэтому фазовые параметры волн, соответствующих обоим фотонам одинаковы. Такая генерация когерентного излучения происходит по всему пути излучения внутри резонатора. Кроме того, резонансные явления приводят к гораздо большему сужению линии излучения, в результате чего наибольшее усиление получается в центре резонансного пика.
Через определенное число проходов интенсивность когерентного излучения становится настолько высокой, что превышает естественные потери в резонаторе (рассеяние в активной среде, потери на зеркалах, дифракционный потери и т.д.) и часть его выходит за пределы резонатора. Для этого выходное, плоское зеркало сделано с немного меньшим коэффициентом отражения (99,6-99,7%). В результате спектр генерации лазера имеет вид, показанный на третьем рис. сверху. Число спектральных компонент обычно не превышает десяти.
Просуммируем еще раз все факторы, определяющие частотные характеристики излучения лазера. Прежде всего, рабочий переход характеризуется естественной шириной контура. В реальных условиях за счет различных факторов контур уширяется. В пределах уширенной линии размещаются резонансные линии интерферометра, число которых определяется шириной контура перехода и расстоянием между соседними пиками. Наконец, в центре пиков располагаются чрезвычайно узкие спектральные линии излучения лазера, которые и определяют спектр выходного излучения лазера.
1.4. Когерентность лазерного излучения.
Уточним, какую длину когерентности обеспечивает излучение He-Ne лазера. Воспользуемся формулой, предложенной в работе :
по мере прохождения через инверсную среду - возбужденную электрическим разрядом смесь гелия и неона. Причем, что чрезвычайно важно, при прохождении этого излучения вдоль резонатора, его фазовая структура не изменяется, что приводит к когерентным свойствам усиленного излучения. Этому способствует инверсная заселенность уровня 5S, о которой говорилось выше. Электрон с верхнего уровня переходит на нижний синхронно с фотоном, инициирующим этот переход, поэтому фазовые параметры волн, соответствующих обоим фотонам одинаковы. Такая генерация когерентного излучения происходит по всему пути излучения внутри резонатора. Кроме того, резонансные явления приводят к гораздо большему сужению линии излучения, в результате чего наибольшее усиление получается в центре резонансного пика.
dt =dn -1 (4)
где dt - время когерентности, представляющее собой верхний предел временного интервала, на котором амплитуда и фаза монохроматической волны являются постоянными. Перейдем к привычной для нас длине когерентности l, с помощью которой легко оценивать глубину записываемой на голограмме сцены:
l=c/dn (5)
Подставляя данные в формулу (5), в т.ч., полную ширину спектра dn 1 = 1,5 ГГц, получим длину когерентности 20 см. Это довольно близко к реальной длине когерентности He-Ne лазера, имеющего неизбежных потери излучения в резонаторе. Измерения длины когерентности с помощью интерферометра Майкельсона дают величину 15-17 см (на уровне 50%-го уменьшения амплитуды интерференционной картины). Интересно оценить длину когерентности отдельной спектральной компоненты, выделенной резонатором лазера. Ширина резонансного пика интерферометра dn 3 (см. третий сверху рис.) определяется его добротностью и равна примерно 0,5 МГц. Но, как говорилось выше, резонансные явления приводят к еще большему сужению лазерной спектральной линии dn 4 , формирующейся вблизи центра резонансного пика интерферометра (третий сверху рис.). Теоретический расчет дает ширину линии восемь тысячных герца! Однако эта величина не имеет большого практического смысла, так как для длительного существования такой узкой спектральной компоненты необходимы значения механической стабильности резонатора, теплового дрейфа и других параметров, которые абсолютно невозможны в реальных условиях эксплуатации лазера. Поэтому мы ограничимся шириной резонансного пика интерферометра. Для ширины спектра 0,5 МГц длина когерентности, рассчитанная по формуле (5) равна 600 м. Это тоже очень неплохо. Остается только выделить одну спектральную компоненту, оценить ее мощность и удержать ее на одном месте. Если же она за время экспонирования голограммы "пройдется" по всему рабочему контуру (по причине, например, температурной нестабильности резонатора), мы опять получим те же 20 см когерентности.
1.5. Спектр генерации ионного лазера.
Расскажем коротко о спектре генерации другого газового лазера - аргонового. Этот лазер, как и криптоновый, относится к ионным лазерам, т.е. в процессе генерации когерентного излучения участвуют уже не атомы аргона, а их ионы, т. е. атомы, один или несколько электронов внешней оболочки которого оторваны под воздействием мощного дугового разряда, который проходит через активное вещество. Ток разряда достигает нескольких десятков ампер, электрическая мощность блока питания - несколько десятков киловатт. Необходимо обязательное интенсивное водяное охлаждение активного элемента, иначе произойдет его тепловое разрушение. Естественно, в таких жестких условиях картина возбуждения атомов аргона еще более сложная. Возникает генерация сразу нескольких лазерных спектральных линиях, ширина рабочего контура каждой из них существенно больше ширины контура линии He-Ne лазера и составляет несколько гигагерц. Соответственно, длина когерентности лазера уменьшается до нескольких сантиметров. Для записи голограмм большого формата необходима частотная селекция спектра генерации, о чем пойдет речь во второй части этой статьи.
1.6. Спектр генерации полупроводникового лазера.
Перейдем к рассмотрению спектра генерации полупроводникового лазера, представляющего большой интерес для процесса обучения голографии и для начинающих голографистов. Исторически первыми были разработаны инжекционные полупроводниковые лазеры на основе арсенида галия, рис. справа.
Так как его конструкция достаточно проста, рассмотрим принцип работы полупроводникового лазера на его примере. Активным веществом, в котором происходит генерация излучения, является монокристалл арсенида галия, имеющий форму параллепипеда со сторонами длиной несколько сотен микрон. Две боковые грани делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. За счет большого показателя преломления (n = 3,6), на границе кристалл-воздух получается достаточно большой коэффициент отражения (около 35%), что достаточно для получения генерации когерентного излучения без дополнительного напыления отражающих зеркал. Две другие грани кристалла скошены под некоторым углом; через них индуцированное излучение не выходит. Генерация когерентного излучения происходит в p-n переходе, который создается путем диффузии акцепторных примесей (Zn, Cd и др.) в область кристалла, легированную донорными примесями (Te, Se и др.). Толщина активной области в перпендикулярном к p-n переходу направлении составляет около 1 мкм. К сожалению, в такой конструкции полупроводникового лазера пороговая плотность тока накачки оказывается достаточно большой (около 100 тыс. ампер на 1 кв.см.). Поэтому этот лазер мгновенно разрушается при работе в непрерывном режиме при комнатной температуре и требует сильного охлаждения. Лазер стабильно работает при температуре жидкого азота (77 K) или гелия (4,2K).
Современные полупроводниковые лазеры делают на базе двойных гетеропереходов, рис. справа. В такой структуре пороговую плотность тока удалось уменьшить на два порядка, до 1000 А/см. кв. При такой плотности тока возможна стабильная работа полупроводникового лазера и при комнатной температуре. Первые образцы лазеров работали в инфракрасном диапазоне (850 нм). При дальнейшем совершенствовании технологии формирования полупроводниковых слоев, появились лазеры как с увеличенной длиной волны (1.3 - 1,6 мкм) для оптоволоконных линий связи, так и с генерацией излучения в видимой области (650 нм). Уже существуют лазеры, излучающие в синей области спектра. Большим преимуществом полупроводниковых лазеров является их высокий КПД (соотношение энергии излучения к электрической энергии накачки), которое доходит до 70%. Для газовых лазеров, как для атомарных, так и ионных, КПД не превышает 0,1%.
В связи со спецификой процесса генерации излучения в полупроводниковом лазере, ширина спектра излучения гораздо больше ширины спектра He-Ne лазера, рис. справа.
Ширина рабочего контура составляет около 4 нм. Число спектральных гармоник может достигать нескольких десятков. Это накладывает серьезное ограничение на длину когерентности лазера. Если воспользоваться формулами (1), (5), теоретическая длина когерентности составит всего 0,1 мм. Однако, как показали прямые измерения длины когерентности на интерферометре Майкельсона и запись отражающих голограмм, реальная длина когерентности полупроводниковых лазеров доходит до 4-5 см. Это говорит о том, что реальный спектр генерации полупроводникового лазера не так богат гармониками и имеет не такую большую ширину контура рабочего перехода, как предсказывает теория. Однако, справедливости ради, стоит заметить, что степень когерентности излучения полупроводниковых лазеров сильно меняется как от образца к образцу, так и от режима его работы (величина тока накачки, условия охлаждения и т.д.
4 ноября 2013 в 21:33Спектроскопия в стиле гетто: Исследуем спектр и (без)опасность лазеров
- DIY или Сделай сам
Думаю, каждый, кто читает эту статью играл с лазерными указками. В последнее время китайцы поднимают мощности излучения все выше - а о безопасности заботиться нам придется самим.
Помимо этого - также получилось на коленке посмотреть спектр излучения лазера - генерирует ли он на одной частоте, или сразу на нескольких. Это может быть нужно, если вы хотите попробовать записать голограмму в домашних условиях.
Вспомним конструкцию зеленых DPSS лазеров
808нм инфракрасный лазерный диод светит на кристалл неодимового лазера на кристалле Nd:YVO4 или Nd:YAG, который излучает свет уже на длине волны 1064нм. Затем в нелинейном кристалле KTP происходит удвоение частоты - и мы получаем зеленый свет 532нм.
Очевидная проблема тут в том, что 808нм и 1064нм излучение может выходить из лазера (если выходного фильтра нет, или он плохого качества) под неизвестным углом, и незаметно для нас заняться художественным вырезанием по сетчатке. Глаз человека вообще не видит 1064нм, а 808нм излучение - очень слабо, но в темноте можно увидеть (не слишком опасно это только с рассеянным излучением на маленькой мощности!).
Однако какое излучение в сфокусированной части излучения лазера? Попробуем это выяснить.
Первый подход: лист бумаги и CD-диск
Идея проста - светим лазером через дырочку в листе бумаги A4 на поверхность штампованного CD-диска . Бороздки на поверхности диска - в первом приближении работают как дифракционная решетка, и раскладывают свет в спектр.
Каждая длина волны формирует сразу несколько изображений - несколько положительных и несколько отрицательных порядков.
В результате глазом и обычной фотокамерой увидим следующее:
Однако, если посмотреть на лист бумаги камерой без ИК фильтра, замечаем странную сиреневую точечку между первой и второй точкой от центра:
Второй подход: дисперсионные призмы
Призма также раскладывает свет в спектр, однако разница углов преломления для разных длин волн - намного меньше. Именно поэтому этот вариант у меня далеко не сразу удалось осуществить - я продолжал видеть одну точку. Ситуацию усугубляло то, что призмы у меня были из обычного стекла, которые в спектр разлагают свет вдвое хуже специализированных.Результат достигнут: четко видны точки 808нм, 1064нм и зеленая 532нм. Глаз человека на месте ИК точек не видит вообще ничего.
На 1W зеленом лазере с помощью «пальцевого высокоточного измерителя мощности» (сокращенно ПВИМ) удалось выяснить, что в моем случае подавляющая часть излучения - 532нм, а 808нм и 1064нм хоть и обнаруживаемы камерой, но мощность их в 20 и более раз меньше, ниже предела обнаружения ПВИМ.
Настал черед проверить очки
Китайцы обещают, что ослабление в 10тыс раз (OD4) для диапазонов 190-540нм и 800-2000нм. Что-ж, проверим, глаза-то не казенные.
Надеваем очки на камеру (если надеть на лазер - дырку проплавит, они пластиковые), и получаем: 532нм и 808нм ослабляются очень сильно, от 1064нм немного остается, но думаю не критично:
Из любопытства решил проверить цветные анаглифные очки (с красным и синим стеклом). Красной половиной зеленый задерживается хорошо, а вот для инфракрасного света они прозрачные:
Синяя половина - вообще практически никакого эффекта не оказывает:
Генерирует ли лазер на одной частоте или нескольких?
Как мы помним, основной элемент конструкции DPSS лазера - резонатор Фабри - Перо , представляющий собой 2 зеркала, одно полупрозрачное, второе обычное. Если длина волны генерируемого излучения не будет укладываться в длину резонатора целое число раз - из-за интерференции волны будут гасить сами себя. Без применения специальных средств лазер будет одновременно генерировать свет сразу на всех допустимых частотах.Чем больше размеры резонатора - тем больше возможных длин волн, на которых может генерировать лазер. В самых маломощных зеленых лазерах - кристалл неодимового лазера представляет собой тоненькую пластинку, и зачастую там возможны только 1 или 2 длины волны для генерации.
При изменении температуры (=размеров резонатора) или мощности - частота генерации может изменится плавно, или скачком.
Почему это важно? Лазеры генерирующие свет на одной длине волны можно использовать для голографии в домашних условиях, интерферометрии (сверхочное измерения расстояний) и прочих веселых штук.
Что-ж, проверим. Берем тот же CD-диск, но на этот раз наблюдать за пятном будем не с 10 см, а с 5 метров (т.к. нам нужно увидеть разницу длин волн порядка 0.1нм, а не 300нм).
1W зеленый лазер: Из-за больших размеров резонатора - частоты идут с маленьким интервалом:
10mW зеленый лазер: Размеры резонатора маленькие - в том же диапазоне спектра помещаются только 2 частоты:
При снижении мощности - остается только одна частота. Можно писать голограмму!
Посмотрим и на другие лазеры. Красный 650нм 0.2Вт:
Ультрафиолетовый 405нм 0.2Вт:
Загрузка...
