в каком диапазоне длин волн генерируется лазерное излучение области видимой части спектра

Спектр лазерного излучения

Часть I. Формирование спектра генерации лазера.

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 [9].

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 [10]. 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.

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:

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 d n ₂:

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 [11]:

Подставляя данные в формулу (5), в т.ч., полную ширину спектра d n 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 d n 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 d n 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.

Источник

Спектр лазерного излучения

Спектр лазерного излучения

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.

В случае генерации одной моды с частотой ν 0 ширина линии лазерного излучения может быть оценена по формуле

где Р — мощность излучения. Рост мощности излучения соответствует большей

§ 15.4. Когерентность, монохроматичность и направленность лазерного излучения

В применении к оптическим колебаниям когерентность характеризует связь (корреляцию) между фазами световых колебаний. Различают временную и прострaнcтвенную когерентность, с которыми в лазерах связаны монохроматичности и направленности излучения.

В общем случае, когда исследуется корреляция полей излучения вдвух точках прострaнcтва соответственновмоментывремени, смещенные на некоторуювеличину τ, используется понятие функции взаимнойкогерентности

где I ( r 1 ) и I ( r 2 )—интенсивность излучения в выбранных точках. Модуль γ 12 ( τ ) изменяется от нуля до единицы. При γ 12 τ =0 когерентность отсутствует, в случае | γ 12 ( τ )|=l имеется полная когерентность

Временная когерентность и монохроматичность связаны между собой. Количественно монохроматичность определяется степенью монохроматичности ∆ ν / ν 0 (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 длительности τ 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

Свойства лазерного излучения

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно выpaбатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.

Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры

Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.

Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.

Физические свойства излучения

Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.

Длина волны лазера

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в прострaнcтве с конечной скоростью.

Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равное расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колeблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) ( 1мкм=1000нм).

Частота импульсов лазера

Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.

Мощность лазера

Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.

Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Дж – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1Дж=1Вт/1с

Длина волны лазерного излучения

Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.

Спектр лазерного излучения (цвет лазера)

Ультрафиолетовый диапазон

Видимый спектр:

Инфракрасный диапазон

В физиотерапии наиболее часто применяют красный и ближнего инфракрасного диапазона, которое обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.

Интенсивность лазерного излучения

В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:

Автор статьи Комaнда профессионалов АЮНА Professional

Многообразие лазеров, часть 1.

Аббревиатура LASER расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет вынужденного излучения. В этой статье мы поговорим о том, как лазеры устроены, и о том, что влияет на одну из основных характеристик лазера – его длину волны, а во второй части рассмотрим всевозможные типы лазеров и узнаем, каковы их длины волн и где они применяются.

История лазеров началась с предсказания Эйнштейном в 1916 году эффекта вынужденного излучения. О том, что это такое мы поговорим чуть позже. К 1928 году этот эффект был подтвержден на практике, а к 1940 родилась идея использовать его для усиления света. В 1954 году Басов, Прохоров и Таунс создали первый мазер, работающий на том же принципе, что и лазер, но излучающий волны микроволнового диапазона (отсюда и буква М в его названии). Первый же лазер как таковой (излучающий вблизи оптического диапазона, конкретно в этом случае – на длине волны 0.694 мкм) был создан в 1960 году Мейманом. Это был твердотельный лазер на рубине с оптической накачкой с помощью газоразрядной лампы.

На сегодняшний день лазеры работают в суммарном диапазоне длин волн от долей ангстрема (лазеры на свободных электронах) до десятков микрометров (например, CO2 лазер излучает на длине волны 10.6 мкм), что многократно превышает видимый спектр, составляющий всего от 0.38 до 0.74 мкм. Однако, существующие лазеры не полностью заполняют весь этот промежуток.

Чем же лазер отличается от обычного источника света, например, газоразрядной лампы? Принципиальных различия два: во-первых, лазер, в отличии от лампы, излучает очень узкие линии (рекорд, если не ошибаюсь, составляет ширину линии в сотые доли Герца на фоне 10^15 Герц несущей), а во-вторых, он излучает волны высокой когерентности.

Необходимо остановиться на этих двух понятиях – спектре и когерентности.

Электромагнитный спектр – это распределение энергии электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.

На следующих изображениях показаны спектры излучения солнца, ртутной лампы и гелий-неонового лазера. Видно, насколько сильно они различаются – практически сплошной спектр у Солнца (лишь несколько изрезанный), множество линий у ртутной лампы и одна-единственная узкая линия у лазера.

Спектр излучения Солнца.

Спектр излучения ртутной лампы.

Спектр излучения гелий-неонового лазера.

Когерентность излучаемого света означает, что электромагнитные колебания в разных точках лазерного пучка (как по прострaнcтву, так и по времени) происходят взаимосвязано, с постоянной разницей фаз. Наличие когерентности приводит к наблюдению такого явления как интерференция, когда складываются амплитуды волны, а не их интенсивности (пропорциональные квадрату амплитуды), как это происходит с некогерентным светом. При интерференции волны могут как усиливать, так и гасить друг друга – это, в частности, проявляется в виде интерференционных полос, появляющихся в плоскости интерференции. Энергия при этом, разумеется, никуда не пропадает (при гашении) и не появляется из ниоткуда (при усилении) – она перераспределяется между областями максимумов и минимумов когерентности.

Типов лазеров великое множество: газовые, твердотельные, волоконные, жидкостные, на парах металлов, на свободных электронах, полупроводниковые, на центрах окраски, газодинамические, эксимерные, химические и даже лазеры с накачкой ядерным взрывом.

Но все они построены по одному и тому же принципу генератора — усилителя с положительной обратной связью. В качестве усилителя работает так называемая активная среда лазера — рабочее тело, в котором создана инверсия населенности, а в качестве положительной обратной связи используется система зеркал (в основной массе), образующая резонатор. Энергию в активную среду передает система накачки.

По сути, свет, зародившийся в активной среде выходит из нее, частично отражается зеркалами резонатора обратно, вновь проходит через активную среду, где усиливается, снова выходит из нее и отражается обратно, и так до бесконечности. В конце концов, лазер (непрерывный) выходит на установившийся режим, при котором усиление равно потерям – сколько энергии за один обход светом выходит резонатора из лазера, столько же энергии добавляется в свет за один проход через активную среду.

Основной процесс, приводящий к усилению света в лазерах, называется вынужденным излучением. Его суть в следующем.

Существует среда, в которой какая-то доля атомов находится в возбужденном состоянии (на т.н. верхнем лазерном уровне), при этом в атоме (или молекуле) существует еще один, более низкий уровень энергии (нижний лазерный уровень), на который электрон способен перейти с излучением кванта света (т.н. разрешенный переход). Если в такую среду снаружи прилетает квант света, имеющий ту же энергию, что и разница энергий между этими уровнями, то существует вероятность, что один из возбужденных электронов «свалится» с верхнего лазерного уровня на нижний за счет «взаимодействия» с налетающим фотоном, при этом он излучит еще один квант света, имеющий ту же энергию, что и налетающий фотон (и равную разнице энергий между уровнями), и будет с ним когерентен (т.е. разница фаз их колебаний остается постоянной). Слово «взаимодействие» я взял в кавычки, так как в этом процессе налетающий фотон никак не изменяется. В этом месте можно привести цитату из учебника Нагибиной Ирины, которую из года в год закрашивали в старых учебниках: «и фотоны, как груши, падающие с дерева, увлекают друг друга в полёт».

Существует и другой процесс, с которого стартует излучение лазера – спонтанное изучение, при котором электроны сваливаются с верхнего лазерного уровня на нижний самопроизвольно, излучая фотон со случайной фазой.

Процессы поглощения, спонтанного и вынужденного излучения.

Усиление света происходит в активной среде – веществе, в котором создана инверсия населенностей. Населенность означает доли атомов, находящихся на тех или иных уровнях энергии. В тепловом равновесии населенность распределяется по закону Больцмана, т.е. чем выше энергия уровня, тем экспоненциально меньше атомов находится на нем. При инверсии населенностей с помощью внешнего источника энергии создается обратная ситуация – на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем.

Распределение атомов при тепловом равновесии и инверсии населенностей.

Именно активная среда в основном определяет, какую длину волны будет иметь лазер. У каждой активной среды имеется спектр люминесценции, т.е. излучения света, энергия для которого получена с помощью внешнего источника (накачки) – электричества, другого света, химического возбуждения или, например, резкого расширения газа в газодинамических лазерах.

Спектр люминесценции рубина.

Резонатор в лазере выполняет сразу две функции – создание положительной обратной связи и частотной селекции.

Простейший резонатор образован парой зеркал. Обычно одно из них полностью отражающее, а второе – частично отражающее и частично пропускающее (прошедшее излучение и есть выходное). Свет, отражаясь от зеркал резонатора попадает обратно в активную среду, где далее усиливается. Так реализуется положительная обратная связь.

Резонатор назван так, поскольку в нем происходит резонанс – сложение волн одной частоты, при котором они усиливают друг друга. Резонатор обладает своим собственным спектром длин волн, которые в резонаторе складываются конструктивно. Волны, не попадающие в спектр резонатора, гасят сами себя. При этом этот спектр является бесконечным числом равноотстоящих линий. Так как одно из зеркал резонатора частично прозрачно, то эти линии не бесконечно узкие, а имеют некоторую ширину.

Спектр лазерного резонатора накладывается на спектр люминесценции активной среды, и происходит частотная селекция – выбор узкой полосы излучения (с шириной, обычно равной ширине линии резонатора) из всего (довольно широкого) спектра люминесценции активной среды. При этом в генерацию вылезает та из линий резонатора, которая соответствует наибольшей величине люминесценции. Иногда линий, имеющих одинаковое усиление несколько, и тогда между ними начинается конкуренция, и энергия постепенно перераспределяется между ними.

Наложение спектра резонатора на спектр люминесценции.

Управление длиной волны

Как мы выяснили, длина волны излучения определяется, во-первых, активной средой лазера, а во-вторых – его резонатором. Однако, существуют методы управления длиной волны.

Самым простым видом управления длиной волны является установка внутри резонатора дополнительных фильтров, которые изменяют его частотный спектр – например, с помощью поглощения света с ненужными длинами волн. При этом для отфильтрованных длин волн возрастают потери, и доминирующими линиями генерации становятся другие.

Основные типы таких фильтров – это, разумеется, поглощающие вещества (например, ячейка с газом). Следующим типом фильтра является дифракционная решетка – пластинка, на которой с некоторой периодичностью нанесены отражающие штрихи. В зависимости от угла падения света на пластинку она отражает обратно ту или иную длину волны, все прочие же уходят в сторону и не возвращаются в активную среду. Аналогичным образом используется и призма. Наконец, в некоторых резонаторах устанавливают специальный прибор – интерферометр. За счет эффекта интерференции он отфильтровывает определённый набор длин волн, внося в резонатор дополнительные потери, распределенные по основному спектру резонатора. Простейшим из таких приборов является плоскопараллельная пластинка, расположенная под углом к направлению распространения света.

Лазер с дифракционной решеткой.

Другим способом управления длиной волны является метод преобразования частоты излучения (или деления длины волны, что одно и то же). При этом в лазере устанавливается дополнительный элемент, осуществляющий это преобразование – специальный нелинейный кристалл (такой, в котором взаимодействие вещества со светом нелинейно зависит от поля, например, кристалл KDP).

Самая частая используемая разновидность такого явления это т.н. генерация второй (или более высоких) гармоники, при которой частота излучения удваивается (длина волны уменьшается в два раза). Электромагнитное поле, возникающее в кристалле и переизлучающееся в свет при этом пропорционально квадрату поля падающего света, что приводит к появлению компоненты с удвоенной частотой (квадрат синуса, описывающего волну, представляется как сумма постоянной величины и величины, колeблющейся на удвоенной частоте). Такие кристаллы установлены, например, в китайских зеленых лазерных указках. Вообще говоря, это поистине hi-tech устройство: такая указка является полноценным твердотельным лазером с продольной диодной накачкой и генерацией второй гармоники. В излучении таких указок можно найти как компоненту, собственно, зеленого цвета (0.53 мкм), так и остаточное излучение основной гармоники (1.06 мкм), и излучение диодного лазера накачки (0.808 мкм).

В нелинейных кристаллах так же возможна генерация суммарной (или разностной) частоты. Происходит это, опять же, благодаря нелинейным явлениям. При этом из двух взаимодействующих в кристалле фотонов возникает один, с частотой, являющейся суммой частот исходных фотонов. Такой подход позволяет заполнить лазерным излучением ультрафиолетовый диапазон, в котором обычных лазерных источников практически не существует.

Плавная перестройка частоты в некотором пределе возможна благодаря параметрическому усилению света в нелинейных кристаллах (явление основано на генерации суммарной и разностных частот). При этом сам нелинейный кристалл накачивается интенсивным светом какой-либо длины волны (генерируемой лазером), а этот свет внутри него преобразуется в две (или более) волн другой длины, свет которых гуляет по дополнительному резонатору. Таким образом получаются как бы два лазера внутри одного. При этом перестройка по длине волны осуществляется путем поворота или нагрева кристалла, что меняет условия нелинейного взаимодействия для разных длин волн за счет зависимости коэффициента преломления кристалла от угла и температуры.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Спектр — излучение — лазер

Спектр излучения лазеров на неодимовом стекле определяется как спектроскопическими параметрами стекла, так и характеристиками резонатора. [3]

Спектр излучения лазера обычно настолько узок, что его невозможно исследовать оптическими спектрометрами высокого разрешения, используя, например, спектрометры на основе дифракционных решеток или даже интерферометры Фабри — Перо. Уже в 1961 г. Джаван и др. [3] показали, что монохроматичность Не-Ne — лазера на волне 1 153 мкм достигает ДАД10 — И. [5]

Ширина спектра излучения лазера определяется главным образом числом генерирующих мод. Вследствие этого лазер обычно излучает набор различных частот, которые лежат внутри линии люминесценции активного вещества. Например, для твердотельных лазеров, работающих в многомодовом режиме, ширина линии излучения Avreil может быть порядка 1 ГГц. Следует отметить, что многомодовый режим работы генератора ухудшает когерентность и направленность излучения. [6]

Однако вследствие узости спектра излучения лазера ( А ( ол С J 0 01 см 1) и большим по сравнению с Дол ангармонизмом молекулярных колебаний ( а0 — BI а 10 см 1) поглощение излучения, резонансного по отношению к переходу ( 5), оказывается далеким ют резонансного для других одноквантовых переходов и соответственно настолько слабым, что практически при любой плотности газа им можно пренебречь по сравнению с перераспределением энергии, поглощаемой в процессе ( 5) путем столкновений. Иными словами, канал фотодиссоциации, образуемый цепью последовательных переходов АВП Й ( 00 — ABn i, который был бы очень эффективен в системе гармонических осцилляторов, для двухатомного газа практически закрыт. [7]

Как указывалось выше, спектр излучения лазера не непрерывен, а состоит из линий строго определенной частоты. [8]

Таким образом, структура спектра излучения лазеров зависит как от положения участков спектра, где удается получить достаточно большое усиление световых волн, так и ( внутри этих участков) от положения собственных частот оптических резонаторов. [10]

Как уже было указано, спектр излучения лазера определяется собственными колебаниями резонатора, имеющими наиболее высокую добротность. Раньше всего ( при наименьшем уровне подкачки Р) будут генерироваться продольные типы колебаний, частоты которых лежат в центре линии флуоресценции активного материала. Кроме того, будут генерироваться колебания, распространяющиеся под небольшим углом 9 к оси резонатора, имеющие собственные частоты, близкие к частотам соответствующих продольных колебаний. Величина угла 6, в пределах которого лежат генерирующиеся типы колебаний, определяется добротностью этих колебаний и уровнем подкачки. [11]

Поэтому можно ожидать, что спектры излучения лазеров с небольшой расходимостью, работающих на средах с однородным уширением в квазистаиионарном режиме, должны удовлетворительно описываться изложенной выше теорией даже в присутствии разных поперечных мод. [12]

Лазерное излучение. Спектр электромагнитного излучения

Спектр электромагнитного излучения

Методы снижения вибрации

1. Снижение вибрации в источнике ее возникновения.

2. Конструктивные методы (виброгашение, виброденфирование — подбор опр. видов материалов, виброизоляция).

3. Организационные меры. Организация режима труда и отдыха.

4. Использование ср-в инд. защиты (защита опopных пов-тей)

Лазерное излучение: l = 0,2 — 1000 мкм.

Основной источник — оптический квантовый генератор (лазер).

Особенности лазерного излучения — монохроматичность; острая направленность пучка; когерентность.

По виду излучение лазерное излучение подразделяется:

— прямое излучение; рассеянное; зеркально-отраженное; диффузное.

По степени опасности:

I. Класс. К лазерам первого класса относятся такие, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи.

II. Класс. К лазерам второго класса относятся такие лазеры, эксплуатация которых связана с воздействием прямого и зеркально-отраженного излучения только на глаза.

III. Класс. Лазеры характеризуются опасностью воздействия на глаза прямого, и зеркально и диффузно отраженного излучения на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности на глаза, а также прямого и зеркально отраженного излучения на кожу.

IV. Класс. Лазеры характеризуются опасностью воздействия на кожу на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

Биологические действия лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения, поэтому весь диапазон длин волн делится на области:

— ультрафиолетовая 0.2-0.4 мкм

b) дальняя свыше 1.0

93.79.221.197 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Важно знать родителям о здоровье:

Источник