2.10. Свойства лазерного излучения

Основными свойствами лазерного излучения являются: монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность, высокая мощность и яркость.

Монохроматичность и поляризация.

Монохроматичность характеризует степень концентрации излучения по спектру. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от ее максимума или спектральный диапазон , занимаемый группой линии.

Более объективной характеристикой является относительная ширина спектра , где,- угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

Ширина спектральной моды, выделяемой резонатором, определяется его добротностью . В свою очередь величинаопределяется потерями в резонаторе.

Теоретический предел ширины спектральной линии лазерного излучения определяется двумя факторами: 1) шумами, обусловленными тепловым излучением в резонаторе; 2) шумами, связанными со спонтанным излучением активного вещества. В оптическом диапазоне шумы за счет спонтанного излучения преобладаю над тепловыми шумами. Если учитывать только шумы, вызванные спонтанными переходами, то окажется, что спектральная линия выходного лазерного излучения имеет лоренцову формулу (см. п.1.7) с полушириной , гдеР – выходная мощность лазерного излучения.

Для лазера с выходной мощностью Р = 1 мВт, излучающего в красной области спектра (λ₀ = 0,63 мкм) и имеющего добротность резонатора 10⁸, получаем ≈ 5∙10^-16. Так как , приL=1м допустимое отклонение длины резонатора составляет = 5∙10^-7 нм. Очевидно, стабилизировать длину резонатора в таких пределах весьма проблематично. В реальных условиях монохроматическое лазерное излучение определяется изменениями длины резонатора, вызванными тепловыми эффектами, вибрациями и т.д.

Рассмотрим вопрос о поляризации лазерного излучения. Свет, у которого существует упорядоченность ориентации векторов напряженностей E и H, называется поляризованным. Лазер, вообще говоря, может генерировать неполяризованный свет, но это вредит стабильной работы лазера. Для обеспечения работы лазера на одной поляризации и получить на выходе плоскополяризованный свет, достаточно внутрь резонатора ввести потери для одной из двух поляризаций. Плоскополяризованным называется свет, у которого направления колебаний векторов E и H в любой точке пространства остаются неизменными во времени. В твердотельных лазерах для этого используется анизотропия оптических свойств активного вещества. Например, излучение рубинового лазера, как правило, поляризовано вследствие его двулучепреломления и несовпадения оптической оси кристалла с осью резонатора.

Когерентность характеризует согласованное протекание во времени и в пространстве двух или нескольких колебательных волновых процессов, появляющееся при их сложении.

В простейшем виде в оптике когерентность связана с постоянством разности фаз двух различных излучений или двух частей одного излучения. Интерференция двух излучений при их сложении может наблюдаться только, если они взаимно когерентны.

Для электромагнитной волны можно определить два независимых понятия - пространство и время когерентности.

Под пространственной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из двух различных точек источника в одинаковые моменты времени.

Под временной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из одной и той же точки.

Пространственная и временная когерентность – независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной выходной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Импульсный лазер в многомодовом режиме имеет ограниченную пространственную когерентность.

Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные (одномодовые) лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности.

Степень взаимной когерентности двух излучателей можно экспериментально определить по контрасту интерференционной картины

, (1)

и - интенсивности в максимуме и минимуме нтерференционных полос.

Измерив интенсивности ивблизи выбранных точек экрана, можно определить функцию, характеризующую степень взаимной когерентности первого порядка.

. (2)

Для наблюдения только пространственной когерентности в точках х₁ и х₂ , т.е. производить измерения вблизи точки 0 (см. рис. 2.10). Для наблюдения только временной когерентности отверстиях₁ и х₂ должны быть расположены сколь угодно близко (совпадать), но для двух интерферирующих волн должна быть обеспечена задержка во времени на , например, путем разделения волны от отверстиях₁ на две части с помощью дополнительного полупрозрачного зеркала, как это делается в интерферометре Майкельсона.

Рис. 2.10. Измерение степени когерентности электромагнитной волны с помощью интерферометра Юнга.

Время когерентности равно 1/∆ω , где ∆ω – ширина линии в Гц. Время когерентности, помноженное на скорость света, представляет собой длину когерентности. Последняя характеризует глубину резкости в голографии и предельные дистанции, на которых возможны интерферометрические измерения.

Когерентность излучения имеет значение в тех применениях лазера, где происходит расщепление и последующее сложение составляющих лазерного пучка. К этим применениям относятся интерферометрическая лазерная дальнометрия, голография.

Если расположить источники оптического излучения в порядке уменьшения степени когерентности генерации ими излучения, то будем иметь: газовые лазеры – жидкостные - твердотельные лазеры на диэлектриках- полупроводниковые лазеры- газоразрядные лампы – светодиоды - лампы накаливания.

Направленность и яркость.

Направленностью излучения называют локализацию излучения вблизи одного направления, которое является осью распространения излучения. Лазерное излучение по своей природе обладает высокой степенью направленности. Для лазерного излучения коэффициент направленности может достигать 2000. Расходимость лазерного излучения ограничивается явлениями дифракции.

Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора.

Излучение лазеров является когерентным и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу с очень большим радиусом. Таким образом, лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень малой расходимостью. В принципе эта расходимость определяется дифракцией лучей на выходном отверстии. Угловая расходимость _изл , определяемая дифракцией, оценивается выражением , гдеd – диаметр отверстия или диаметр пучка в наиболее узкой его части.

Когерентное излучение лазера можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой. Теоретическим пределом минимального размера лазерного пучка является длина волны. Для промышленных лазеров размеры сфокусированного светового пятна составляют 0,001-0,01 см. В настоящее время с помощью лазеров достигнуты мощности излучения 10¹¹ Вт/см² (плотность излучения Солнца составляет только 7∙10³ Вт/см²).

Высокая направленность лазерного излучения определяет и его высокую яркость. Яркость источника электромагнитной волны есть мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности в единичном телесном угле в направлении, перпендикулярном излучательной поверхности.

Кроме энергетической яркости вводится понятие фотометрической яркости. Она служит для оценки эффективности воздействия света на глаз человека. Переход от энергетических величин к фотометрическим осуществляется через коэффициент , зависящий от длины волны.

Этот коэффициент является световым эквивалентом потока излучения и называется спектральной световой эффективностью монохроматического излучения или видностью. Для нормального дневного зрения максимум функции видности приходится на длину волны = 555 нм (зеркальный свет). При=380 и 780 нм видность уменьшается почти до нуля.