Параметры лазерного излучения

Лазеры являются наиболее распространенными и наиболее перспективными квантовыми приборами. Обычно под лазерами понимают квантовые автогенераторы, причем блок — схема практически любого такого генератора может быть представлена схемой рис. 1, где АСактивная среда (твердое тело, газ, жидкость, плазма и др.); ИА — источник активации, служащий для возбуждения АС (оптическая накачка, электрический разряд, электронный пучок, химическая реакция и др.).

Рис 1.

Такое возбуждение может быть импульсным, непрерывным или комбинированным, причем не только по времени возбуждения, но и по способам; 31 и 32 — зеркала, образующие открытый резонатор, УЭ-управляющий элемент, обычно расположенный внутри лазера и служащий для реализации того или иного характерного именно для лазеров режима их работы: (селекция мод, модуляция добротности, перестройка по частоте, синхронизация мод).

В зависимости от типа АС и УЭ, т. е. от типа лазера и режима его работы, лазерное излучение может существенно изменяться. Поэтому, прежде всего, необходимо рассмотреть основные параметры, характеризующие лазерное излучение. К ним относятся следующие:

1. Монохроматичность (;), или относительная нестабильность частоты генерации, которая определяется флюктуационными процессами в лазере. В активной среде лазера это в основном процессы спонтанного излучения, которые, как показывает анализ, дают нестабильность частоты.

где — генерируемая лазером мощность; - добротность резонатора. При этом для лазера, у которого= 10 мВт, =, Гц, при расчете получается так что для достижения такой высокой стабильности нужно расстояние L между зеркалами лазера поддерживать с точностью, что для дает величину в раз меньшую размеров атома (мм). Поэтому в реальных условиях именно истинная величина, т. е. возможные вибрации L и тепловые изменения L определяют нестабильность частоты генерации. При этом для газовых лазеров достигает значений .

2. Временная и пространственная когерентность. Из курса физики известно, что когерентность электромагнитных колебаний есть их синфазность. Дадим более строгое определение когерентности. Когерентность — это согласованное протекание во времени и в пространстве всех колебательных и волновых процессов, когда амплитуда, частота, направление движения волны и ее поляризация либо постоянны, либо меняются по строго определенному закону. Можно также сказать, что когерентность — это пространственная и временная стабильность всех параметров колебаний и волн, так что нарушение когерентности проявляется в наличии разного рода нестабильности этих параметров. Очевидно, что между когерентными и некогерентными колебаниями провести строгую границу нельзя, т.к. всегда могут быть частично когерентные нестабильные колебания и волны.

Рис. 2.

Строго степень когерентности описывается корреляционными функциями, а экспериментально определяется по наблюдению интерференционной картины. Дело в том, что источники колебаний и, (рис.2) дают волновую интерференционную картину лишь в том случае, если они когерентны, причем линии максимальной амплитуды являются гиперболами. Рассмотрим явление интерференции подробнее.

Пусть векторы электрического поля от каждого из источников в точке Р (см. рис.2) равен и, так что суммарное поле, а интенсивность I потока световой энергии пропорциональна I, где скобки означают усреднение по периоду. Тогда очевидно, что.

I (.

+ 2), и если.

то.

I т.к.

Учтя, что от источника интенсивность, а от, получим.

Видно, что когда разность хода лучей и такая, что. .. в случае получаем максимумы, а когда. .. , I = 0. Это будет в случае когерентных источников, когда. А в случае некогерентных колебаний между фазами и нет никакого определенного соотношения, изменяются они случайным образом в пределах времени, необходимого для наблюдения, и поэтому и во всех рассматриваемых точках т. е. интерференции нет. В промежуточном случае имеет место частичная интерференция, когда.

.

где параметр определяет контрастность интерференционных полос и при является степенью когерентности, причем:

; ,.

так что:

.

Различают когерентность временную и пространственную. Временная когерентность определяется коэффициентом автокорреляции волн, испущенных из одной точки с координатой R в различные моменты времени:

;

.

где — автокорреляционная функция, — поле в точке с координатой R, в которой определяется временная когерентность. Как известно, функции и симметричны и убывают (рис.3). Величина, при которой, называется временем когерентности.

В случае, когда некогерентность определяется только нестабильностью частоты источника, это время связано с формой спектральной линии, а при лоренцевой форме линии — с добротностью линии, и как обычно, чем больше время когерентности и, тем выше чистота спектра колебаний.

Рис. 3.

Рис. 4.

Пространственная когерентность определяется взаимной корреляционной функцией волн, испущенных в одно и то же время t из двух различных точек с координатами и.

.

где и — поля в точках с координатами и. Эта функция называется также функцией пространственной когерентности. Для более полной характеристики этой когерентности используется также функция взаимной когерентности, отличающаяся от всех функций тем, что она определяет взаимную корреляцию волн, испущенных в разное время (t и t+) из двух различных точек с координатами и.

.

в соответствующий коэффициент взаимной корреляции:

называется степенью когерентности процесса, причем всегда.

.

Можно показать, что коэффициент, где определяется из (1). Поэтому экспериментально коэффициент можно определить в функции от и, помещая перед источником излучения (ИИ) экран I (рис.4), с двумя отверстиями и, расстояние R между которыми меняется, и снимая интерференционную картину на другом экране II, причем для вариации времени задержки можно использовать систему из двух зеркал I и 2, изменяя расстояние между которыми, можно менять длину пути второго луча. т. е. менять время задержки. При этом по интенсивностям интерференционной картины в максимуме и в минимуме можно из формулы (1) определить. Различные источники оптического излучения по степени уменьшения располагаются в следующем порядке: газовые лазеры имеют самую большую степень когерентности, затем идут жидкостные лазеры, твердотельные лазеры на диэлектриках, полупроводниковые лазеры, газоразрядные лампы, светодиоды, лампы накаливания. Очевидно, что если, то зависимость будет идти подобно кривой рис. 3 и на ее полувысоте определит — длину пространственной когерентности излучения.

3. Направленность излучения, определяемая углом его расходимости. Это свойство появляется из-за направленного движения квантов излучения вдоль оси резонатора. Из-за дифракции на зеркале радиуса угол расходимости луча из резонатора определяется соотношением.

(2).

гдедлина волны, коэффициент имеет порядок единиц и зависит от радиального и осевого распределения интенсивности пучка в резонаторе. Формула (2) справедлива для пространственно когерентного излучения, когда справедливо условие. Если же это условие нарушено, то в (2) вместо должно стоять. Пучок, направленность которого определяется из (2), называется дифракционно-ограниченным и обычно имеет минимальную для лазера расходимость. Типичные значения у газовых лазеров рад, у твердотельных рад, у полупроводниковых инжекционных рад.

4. Поляризация. Электромагнитные волны называются поляризованными, если направление векторов E и H сохраняется неизменным в пространстве или изменяется по определенному закону. Различают линейно поляризованное, поляризованное по кругу и эллиптически поляризованное излучение. С квантовой точки зрения поляризация объясняется выполнением правил отбора при излучении фотона, так что фотон может иметь магнитное квантовое число,, соответствующее его магнитному моменту, а также спин, направленный противоположно этому моменту и имеющий строго дискретную ориентацию в пространстве, что и определяет анизотропию поляризации фотона. Так, если, то излученный квант не имеет спина и линейно поляризован, если — спин направлен в сторону движения фотона и излучение имеет правую круговую поляризацию, если спин направлен в другую сторону и излучение имеет левую круговую поляризацию. В зависимости от того, какие кванты когерентного излучения преобладают, будет тот или иной характер поляризации всего излучения. Если излучение не когерентно — говорить о поляризации не приходится, и такой свет называют естественным, но его можно сделать поляризованным с помощью поляризаторов.

• 5. Мощность излучения. Наибольшие импульсные мощности Вт, а наибольшие непрерывные (или средние для импульсно-периодического излучения) Вт, причем плотность излучения достигает Вт/.
• 6. Длительность импульса излучения. Минимально достижимые импульсы имеют c, т. е. имеют протяженность в пространстве см.

Квантовая эффективность лазерного перехода — отношение энергии квантов сигнала к энергии квантов накачки — определяет максимальный возможный КПД лазера.

8. КПД лазера бывает физический и полный. Под физическим КПД понимается отношение энергии излучения к энергии, поглощаемой активным элементом лазера. Полный КПД — отношение энергии излучения ко всей энергии, затраченной системой. Параметры, указанные в п. 1, 3,5,6 — уникальны, характерны именно для лазеров и не имеют аналогов среди других источников излучения.