1. ФИЗИЧЕСКИЕ  ПРИНЦИПЫ  ПРИМЕНЕНИЯ

ЛАЗЕРОВ

 

     Основным источником энергии   ЛТ  является лазер. Название этого прибора,  составлено из начальных букв английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of  Radiation (LASER),  обозначающего физическое явление - усиление света вынужденным испусканием.  Русский вариант названия - квантовый  генератор когерентного света.  В обоих вариантах названия заложены основные характеристики,  физические явления и принципы, которые  позволили  создать  лазер и найти ему широкое применение. Рассмотрим смысл двух ключевых слов из названия  лазера -  "квантовый"  и "когерентного".  Если в первом заложен физический принцип явления, лежащего в основе работы лазера, то во втором - свойство лазера, позволившее его широко использовать.

 

     1.1. КВАНТОВОСТЬ

 

     Работа лазеров основана на использовании запасов  внутренней энергии атомов и молекул вещества, поведение которых подчиняется законам квантовой механики.  Основным свойством квантовых  систем является дискретность их энергетических состояний (уровней),  то есть внутренняя энергия квантовой системы имеет строго определенное значение, а разность энергий между энергетическими состояниями будет постоянной и равна

           e_1,2 = Е₂ - Е₁,                                                                                        (1.1)

здесь  Е₁  и  Е₁, соответственно, значения энергий нижнего и верхнего уровня. 

     Переход атомов и  молекул  с  одного  энергетического уровня  на  другой можно вызвать  различными способами, например оптическим излучением, электрическим разрядом и т.д. На рис.1.1  представлена  схема  различных квантовых переходов под воздействием оптического излучения на атом, имеющий два энергетических состояния (двухуровневая система).  Эта схема позволяет упрощенно представить основные процессы получения  лазерного излучения.   

     Если    атом  с энергией  Е₁  (в обычных  условиях  система,  состоящая  из   двухуровневых  атомов,  находится в состоянии с  наименьшим запасом  энергии)   взаимодействует  с   пролетающим   фотоном   с   энергией

e_{1,2   =}  Е₂ - Е_{1 ,} то поглощение фотона  переводит атом  на  верхний энергетический уровень Е₂ (рис.1.1).  Это элементарный акт инвертирования энергетического состояния атома.  В случае,  когда  число атомов с заселенными уровнями Е₂ превысит число атомов с заселенными нижними уровнями  n₂ (E₂)  >  n₁ (E₁),  такая система называется инвертированной активной средой.  В этой  среде возможен самопроизвольный   переход   электрона  с  уровня  Е₂  на  уровень  Е₁ (рис.1.1,в).  Такой процесс называется спонтанным, энергия  родившегося  фотона  e_{1,2  =}   Е ₂  - Е ₁ ,  а  остальные характеристики (импульс, поляризация) будут произвольными, то есть излучение не когерентно. Подобное излучение получило название "люминесценция".

 

                                      

Рис. 1.1.  Схема  квантовых  переходов  в  веществе, процессов испускания  и поглощения света:

а - поглощение;

б - вынужденное испускание;

в - спонтанное испускание

 

     В инвертированной  активной среде всегда возникают многочисленные акты люминесценции.  Образовавшиеся фотоны в свою  очередь вызывают сверхлюминесценцию, которая имеет короткие дуги, и если их импульс не направлен вдоль резонирующей системы (рис.1.2), то они быстро затухают.

 

Рис. 1.2. Активная  среда в оптическом

резонаторе:

1 - инвертированная активная  среда;

2 - элементы   (зеркала)  резонатора

 

     Фотоны с энергией e_1,2, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отражаясь от зеркал,  инициируют  переходы    Е₂  - Е₁ практически сразу во всех инвертированных атомах, вызывая целую  лавину вторичных фотонов, то есть формируют лазерное излучение.  Элементарный акт излучения показан на рис.1.1,б. При этом все параметры  фотонов   будут   аналогичны   первичному   фотону,  а  длины    их  волн  будут соответствовать нормальным колебаниям резонатора - модам. Этот  процесс называется - вынужденным (индуцированным)  испусканием  света (см. американский вариант названия лазера), а само излучение будет  когерентным.

 

     1.2. КОГЕРЕНТНОСТЬ

                     

     Когерентная волна имеет строго определенную длину l и частоту f,  плоский фронт и является поляризованной.  Реальная световая волна представляет собой,  в отличие от когерентной,  набор плоских монохроматических поляризованных волн с разной f,  с разными  направлениями распространения и плоскостями поляризации.  В идеально когерентном излучении весь набор состоит из единственной волны.  В  реальном лазерном излучении содержится некоторое количество мод - волн с разной f (рис.1.3),  причем максимальной интенсивностью  I  будут обладать моды,  для которых выполняется условие возникновения стоячих волн и направление выдержано строго вдоль оси резонатора,  то есть это те моды,  l  которых совпадает  с  вершиной  спектральной  линии  активной  среды  (рис.3).

      

 

Рис. 1.3. Спектральная  лини активной

среды (линия  генерации)  и моды оп-

тического резонатора

 

     Для достижения наивысшей когерентности излучения стремятся к  одномодовому режиму генерации,  при котором в пределах спектральной линии активной среды оказывается лишь одна из мод резонатора. Для  этого обычно в резонатор вводят дополнительные селектирующие элементы (оптические призмы,  дифракционные решетки),  которые позволяют выделить одну моду и подавить другие.

     Характеризуя когерентное излучение, вводят такие понятия, как временная и пространственная когерентность. Временная когерентность определяется изменением фазы световой волны в данной  точке пространства.  Отрезок времени, в течение которого изменение фазы световой волны меньше  p ,  называется  временем  когерентности. Время  когерентности  t_к  связано с шириной линии генерации  Df_г  (рис.1.3) как  t_{к =}  1/Df_{г ,}  а  Df _г  физически определяется  оптической длиной резонатора  и  ее флуктуации  Dl :

         Df_г  = i ×[ c / ( 2 l² ) ] ×Dl,                                                    (1.2)

где l - длина резонатора; с - скорость света; i - индекс моды. Для многих метрологических измерений важное  значение  имеет  понятие длины когерентности  L_k, связанное с  t_k  соотношением  L_k  = c×t_k. Пространственная когерентность характеризуется  изменением фазы световой волны между различными точками пространства, через которые проходит волновой фронт. Если разность фаз между двумя точками остается постоянной, то говорят,  что имеет место полная  когерентность.  Если это условие выполнено  для любых пар точек волнового фронта,  то данная волна характеризуется  полной  пространственной когерентностью .

     Степень когерентности  g можно определять из простых интерферометрических измерений как функцию  видности интерференционной картины:

        g = (E_max - E _min ) /  (E_max  + E_min ),                                        (1.3)

где Е_max  и  Е_min  - максимальная и минимальная освещенности интерференционных полос. Величина  g  означает долю когерентного света в интерферирующих  световых  пучках  и в общем виде включает пространственную и временную составляющие.  В качестве  примера  можно указать  характерные оценочные параметры для лазера,  работающего на нескольких модах:  t_k @ 10^-10 с,  что соответствует длине когерентности  L_k = 10 см; для лазера, работающего в одномодовом режиме  с t_к   » 10^-6с,   L_k  будет соответствовать  » 10⁵ см.

     Лазер является  единственным источником когерентного излучения, возможность получения которого произвела подлинную революцию  в нау-    

ке и технике, так как когерентность предполагает наличие таких замечательных свойств излучения, как: монохроматичность, направленность (малая расходимость),  высокая  яркость  и  мощность  излучения.

 

     1.3. МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ

 

     Монохроматичность излучения определяется тем диапазоном, который занимает излучение в спектральном интервале и  определяется техническими флуктуациями длины резонатора, но даже если удастся устранить эти флуктуации,  то все равно ширина линии  генерации  Df_г не  будет  бесконечно узкой,  так как всегда присутствует вклад спонтанного излучения в лазерную моду.  Оценки, приведенные в ряде работ, показывают, что предельная  монохроматичность,   например,  для лазера с активной  средой  He-Ne  может составлять  Df _г/f_г  = 10^-17, однако экспериментально достигнутая величина равна 10^-15.

     Высокая монохроматичность  необходима  в  экспериментах   по атомной,  молекулярной  и ядерной физике и химии.  Так как в этом случае  Df_г  меньше, чем характерные расстояния между уровнями в атомах и молекулах, то лазером удается селективно возбуждать и исследовать определенные состояния среды, а также "разрезать" молекулярные связи.

     Монохроматичность позволяет сфокусировать лазерное излучение на  поверхности обрабатываемого материала с помощью несложной оптической системы.  На рис.1.4 показаны механизмы фокусирования  монохроматического  и  немонохроматического (белого) излучений.  Из рисунка видно,  что линейные размеры  сфокусированного луча  d_г могут достигать малых размеров  ( » 0,01 - 0,0005 мм )  для  монохроматического и сравнительно  больших  для  белого  излучения  ( d_б  >  2 - 3 мм ), так как излучение, состоящее из набора отдельных  волн,  проходя через фокусирующую  систему, не может быть сведено в пятно малого размера.

 

 

       Рис. 1.4. Принципы фокусирования монохроматического - б  и  немоно-

       хроматического (белого) излучений - а

 

     1.4. НАПРАВЛЕННОСТЬ

 

     Высокая направленность  лазерного излучения объясняется тем, что в резонаторе возбуждаются лишь моды,  которые параллельны или почти параллельны оси резонатора. Однако даже для полностью когерентного излучения расходимость лазера будет иметь конечную величину, определяемую явлением дифракции  света.  Если диаметр пучка d_о, то для расходимости излучения получено выражение

          Q_d = k_I×(l/d_o)  (рад),                                                          (1.4)

где  k_I  - распределение интенсивности по сечению пучка (для  однородного пучка  k_I = 1,22, для гауссовских пучков   k_I = 2/p, d_о - диаметр пучка излучения.  Отметим,  что  выражение (1.4) справедливо лишь для пучков, обладающих  полной пространственной когерентностью, и называется дифракционно-ограниченной направленностью. Если излучение имеет частичную пространственную когерентность,  то ее расходимость будет больше, чем расходимость, обусловленная только дифракцией,  и  описывается  выражением

         Q_c = k_I × (l/[S_k] ^1/2),                                                            (1.5)

где S_k - область когерентности.

     Расходимость излучения уменьшается при  его  телескопическом  расширении до величины

          Q_г = Q_d (d_o / d_o^г),                                                              (1.6)

где  d_о  и  d_о^г   - исходный и конечный диаметры пучков.  В качестве  примера приведем данные по  Q  для некоторых типов лазеров (табл. 1.1).

 

                                                                                               Таблица 1.1

  ___________________________________________________________

              Тип лазеров                                                      Q, рад

  ^{_________________________________________________________________________________________}

   Газовые  непрерывные с телескопическим              10^-5 - 10^-6

   расширением

   Газовые  непрерывные                                              10^-3 - 10^-4

   Твердотельные  импульсные                                     10^-2

   Полупроводниковые                                                  10^-1

  ___________________________________________________________

 

     Следствием малой расходимости лазерного пучка  является  его высокая яркость.

 

     1.5. ЯРКОСТЬ

 

     Под яркостью источника понимают мощность излучения с единицы поверхности в единичный телескопический угол. В силу малой расходимости лазерного пучка энергия излучения  переносится  в  данном  направлении с небольшими потерями,  определяемыми  Q.  Кроме того, яркость находится в прямой зависимости  от  мощности  излучателя. Как  правило,  мощность  лазеров имеет величину от 10 до 100 кВт. Чтобы получить такую мощность  когерентного  (монохроматического)  излучения путем разогрева тела,  последнее должно иметь температуру порядка 10¹³ К.  Поэтому яркость даже  маломощных  газовых лазеров  на  много порядков превышает яркость Солнца,  равную  130 Вт/см^2××ср , а яркость мощных твердотельных лазеров составляет величину  » 10¹⁷ Вт/см² ×ср.

     До недавнего времени одной из фундаментальных теорем  оптики утверждалось,  что яркость источника нельзя повысить с помощью  оптической системы.  С появлением лазеров это  утверждение  стало  уже несправедливым, а  на практике были разработаны   лазерные усилители яркости.

 

     1.6. ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА

 

     Свойство лазеров генерировать короткие импульсы подразумевает концентрацию энергии во времени  и в некотором смысле  аналогично свойству монохроматичности,  означающему концентрацию энергии в узком диапазоне длин волн.  Однако генерация  коротких  импульсов является менее фундаментальным свойством,  чем монохроматичность. Хотя  любой лазер можно в принципе изготовить таким, что он будет генерировать достаточно монохроматическое излучение, тем не менее, для  этого наилучшим образом подходят только газовые лазеры, обладающие узкими  линиями  генерации  Df_г  с длительностью импульса  t_и  примерно 0,1 - 1 нс. И все-таки такие импульсы не рассматриваются как очень короткие, поскольку даже некоторые лампы-вспышки способны излучать импульсы длительностью менее 1 нс. Для создания же  сверхкоротких импульсов применяются твердотельные  или  жидкостные лазеры, наоборот, с широкой линией излучения,  а для укорочения импульса используется специально разработанный метод синхронизации  мод, с помощью которого можно получать импульсы света с длительностью, приблизительно обратно пропорциональной ширине линии генерации.   Длительность  импульсов,  обработанных  методом  синхронизации  мод,  может  иметь  величину  от  1 пс  до 30 фс.

     Другой метод получения коротких импульсов заключается в смене режима генерации. Описанный выше способ лазерной генерации носит название "режим свободной генерации" (РСГ).  Его особенностью  является свободный выход излучения из резонатора по мере накопления  цуга  волн достаточной мощности (моды).  При этом за время  вспышки лампы накачки, дающей оптическое излучение, необходимое  для инвертирования активной  среды  ( t_ил  =  10^-3 с.),  сможет  образоваться  до  сотни  мод  ( см. рис.1.5а ).

     Теперь закроем выходное зеркало резонатора с помощью  специального устройства, например, электроно-оптического затвора, на  все время вспышки импульсной лампы - лампы накачки.  Заселенность  верхнего рабочего уровня максимальна,  а генерация подавлена затвором. Если в конце вспышки лампы на мгновение открыть затвор, то все  возбужденные атомы активной среды одновременно испустят световые кванты,  спрессованные в один  импульс,  названный  гигантским,  длительность которого будет на 5 - 6 порядков меньше длительности импульса РСГ (рис.1.5,в).  Режим генерации с задержкой излучения называется режимом модулированной  добротности  (РМД).

 

 

       Рис. 1.5.  Режимы лазерной генерации:  а - режим свободной генерации;

       б - частотная структура каждой отдельной моды;  в - режим модуляции добротности

 

     1.7. МОЩНОСТЬ  ГЕНЕРАЦИИ

 

     Энергия и мощность лазерного излучения, впрочем  как и  другие его характеристики, определяются свойствами активной среды  и параметрами резонатора.  С учетом эффекта насыщения для интенсивности генерации   I_г   выражение  имеет  вид

        I_г = I_н [(q_н××l )^1/2  - Q ^1/2)]²,                                                     (1.7)

где  I_н - интенсивность насыщения (интенсивность,  при которой коэффициент усиления уменьшается вдвое по сравнению с ненасыщенным значением коэффициента); q_н - ненасыщенный коэффициент усиления,  Q - потери в резонаторе за один проход;  l - длина активной  среды.  Если  усиление на проход значительно больше потерь, то (1.7) записывается как

          I_г = I_н × q_н × l .                                                                      (1.8)

В принципе q_н и  I_н  для различных лазеров меняются в широких пределах,  и это определяет широкий диапазон изменения мощности для  них.  Так, для газовых лазеров, работающих в непрерывном режиме,  достигнут уровень мощности в десятки киловатт. Для импульсных лазерных систем мощность определяется как  энергетическими,  так  и временными характеристиками:

        W_и  =  Е_и  / t_{и ,}                                                                                       (1.9)

где W_и  - мощность,  Вт;  Е_и - энергия,  Дж.;  t_и   »  10^-8 с.  Поэтому пиковая мощность  импульсных лазерных установок  с  твердотельной активной  средой  в режиме  РМД  достигает значений  ~ 10¹² - 10¹³ Вт за счет очень коротких  импульсов.  Большой прогресс за последние годы достигнут в укорочении  длительности  импульса  генерации.  Так,  для  эксимерных  лазерных  систем  достигнута  длительность  импульса  ~ 10^-14 с.

     Большинство приложений лазеров обусловлено возможностью концентрировать гигантскую  мощность излучения на малую площадь (размером  до микрона). Плотность мощности лазерного излучения существенно повышают  фокусировкой излучения с помощью оптических систем в пятно малого, но конечного размера. Поскольку расходимость  излучения  увеличивается  за счет явления  дифракции, то минимальный размер пятна d_г (рис.1.4) в фокусе линзы  равен

        d_г  = Q × Ф,                                                                         (1.10)

где  Ф  - фокусное расстояние линзы. Учитывая (1.4), получим, что минимальный размер пятна в фокусе линзы  ~ l.  Аберрации оптической  системы приводят к увеличению размера пятна примерно на  порядок.  Для многих случаев промышленных применений   d_г  »  10² - 10³ мкм, то есть при таких размерах удельная мощность (плотность) современных  твердотельных лазеров может достигать  ~ 10¹⁷ Вт/см².  Для сравнения, Солнце выделяет  ~ 7 × 10³ Вт  с каждого сантиметра поверхности,  а  если взять излучение с одной длиной волны,  то эта мощность не  превысит сотых долей ватта.