Начиная с момента создания твердотельных лазеров и по настоящее время происходит непрерывное наращивание мощности их излучения. Однако, если в первые годы темпы роста были для всех основных типов твердотельных лазеров примерно одинаковы, то в последнее время произошло заметное снижение темпов роста мощности излучения лазеров на рубине и гранате по сравнению с лазерами на стекле с неодимом.
Излучение лазера обусловлено индуцированным испусканием, в результате которого излучение фотонов частично синхронизовано. Степень синхронизации и число квантов, испущенных в любой момент времени, характеризуются статистическими параметрами, такими, как среднее число испускаемых фотонов и средняя интенсивность испускания. Поэтому спектр мощности излучения лазера оказывается более или менее узким и его автокорреляционная функция ведет себя подобно автокорреляционной функции генератора синусоидальных колебаний, выходной сигнал которого нестабилен по фазе и по амплитуде.
Это объясняется главным образом тем, что газовые лазеры с приемлемыми параметрами выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью и практически могут использоваться телеграфистами. Однако у этих лазеров имеется ограниченное количество дискретных длин волн излучения, пригодных для съемки монохромных и цветных голографических изображений. Выбор длины волны определяется не только мощностью излучения лазера на этой длине волны, но также возможностью максимального согласования длин волн записи и воспроизведения с точки зрения создания оптимального изображения для субъективного восприятия зрителем.
На рис. 147, б показаны варианты размещения датчиков при реализации данного способа измерения. При использовании для измерения одного датчика его целесообразно поместить в место дифракционной картины, соответствующее точке А. Однако в случае использования одного датчика сильное влияние на результат измерения оказывают нестабильность мощности излучения лазера и неравномерность распределения интенсивности в поперечном сечении пучка, проявляющаяся при поперечном смещении измеряемого изделия.
Их свойства рассмотрены выше. Число типов, выпускаемых серийно, составляет многие десятки. Диапазон длин волн их излучения охватывает УФ, ВИ и ИК диапазоны области спектра. Мощность излучения лазеров колеблется от 0 1 мВт до 10 Вт.
В микрофлуоресценции применяется лазерное возбуждение, которое, естественно, имеет преимущества перед возбуждением обычными источниками света. Высокая когерентность и направленность излучения лазеров позволяет достигать чрезвычайно высоких плотностей мощности излучения. В табл. 8.2 приведено сравнение плотностей мощности, достигаемых различными источниками. Освещение лазером является наиболее интенсивным, и благодаря высокой плотности мощности излучения лазеров микрофлуоресцентный анализ получает ряд преимуществ.
Однако большинство из них изучено в растворах, и только несколько детальных исследований с поляризационными измерениями выполнено на монокристаллах. Ситуация полностью изменилась с появлением лазера непрерывного действия, сколлимированное, поляризованное и практически монохроматическое излучение которого является идеальным для спектроскопии КР монокристаллов даже небольшого размера. Сразу после открытия эффекта КР стало ясно значение измерений анизотропии комбинационного рассеяния кристаллов для отнесения колебаний. Однако такие исследования смогли стать рутинными лишь после того, как в качестве источника излучения был использован лазер. Коллимация пучка более важна, чем мощность излучения лазера, а последняя часто меньше мощности хороших ламп типа Торонто, применение которых стимулировало развитие спектроскопии КР в течение 50 - х и начале 60 - х годов.
Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.
Такая возможность реализуется на практике путем модуляции добротности лазера. Осуществляется это следующим образом. Представьте себе, что одно из зеркал полости лазера удалено. С помощью подсветки осуществляется накачка лазера, и заселенность верхнего уровня достигает своего максимального значения, однако стимулированного излучения пока еще нет. Пока заселенность все еще остается инвертированной, удаленное ранее зеркало быстро вдвигается на место. При этом возникает вынужденное излучение, происходит быстрое уменьшение заселенности верхнего уровня и возникает гигантский импульс продолжительностью всего 10 - 8 с. При излучаемой в импульсе энергии 25 Дж мощность излучения лазера составляет 2 5 - 109 Вт - весьма внушительная величина, приблизительно равная мощности крупной электростанции. Правда, электростанция работает на этом уровне мощности круглый год, а не 10 - - 8 с. В первых моделях лазеров перемещение зеркал производилось механическим способом, но сейчас это делается электрооптическим способом с помощью ячейки Керра или Поккельса.
Длительность действия лазерного излучения
Длительность определяется конструкцией лазера. Можно выделить следующие типичные режимы распределения излучения во времени:
Непрерывный режим;
Импульсный режим, длительность импульса определяется при этом длительностью вспышки лампы накачки, типичная длительность Дфл~10-3с;
Режим модуляции добротности резонатора (длительность импульса излучения определяется превышением накачки над порогом генерации и скоростью и скоростью включения добротности, типичная длительность лежит в интервале 10-9 - 10-8 с, это так называемый наносекундный диапазон длительностей излучения);
Режим синхронизации и продольных мод в резонаторе (длительность импульса излучения Дфл~10-11с - пикосекундный диапазон длительностей излучения);
Различные режимы принудительного укорочения импульсов излучения (Дфл ~10-12с).
Плотность мощности излучения
Лазерное излучение может быть сконцентрировано в узконаправленном луче с большой плотностью мощности.
Плотность Ps мощности излучения определяется отношением мощности излучения, проходящего через сечение лазерного пучка, к площади сечения и имеет размерность Вт см-2.
Соответственно плотность Ws энергии излучения определяется отношением энергии, проходящей через сечение лазерного пучка, к площади сечении и имеет размерность Дж см-2
Плотность мощности в луче лазера достигает больших величин вследствие сложения энергии огромного множества когерентных излучений отдельных атомов, приходящих в выбранную точку пространства в одинаковой фазе.
Когерентное излучение лазера с помощью оптической системы линз можно сфокусировать на малую, сравнимую с длиной волны площадку на поверхности объекта.
Плотность мощности лазерного излучения на этой площадке достигает огромной величины. В центре площадки плотность мощности:
где Р - выходная мощность лазерного излучения;
D - диаметр объектива оптической системы;
л - длина волны;
f - фокусное расстояние оптической системы.
Излучение лазера с огромной плотностью мощности, воздействуя на различные материалы, разрушает и даже испаряет их в области падающего сфокусированного излучения. Одновременно в области падения лазерного излучения на поверхность материала на нем создается световое давление в сотни тысяч мегапаскалей.
В итоге отметим, что фокусируя излучение ОКГ до пятна, диаметр которого приблизительно равен длине волны излучения, можно получить световое давление в 106МПа, а так же огромные плотности мощности излучения, достигающие величин 1014-1016Вт.см-2, при этом возникают температуры до нескольких миллионов кельвин.
Блок схема оптического квантового резонатора
Лазер состоит из трех основных частей: активная среда, устройство накачки и оптический резонатор. Иногда добавляют и устройство термостабилизации.
Рисунок 3 - Блок-схема лазера
1) Активная среда.
Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка: E2 - E1 = hn. Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана: n=n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.
2) Резонатор.
Оптический резонатор представляет собой систему специально согласованных двух зеркал, подобранных таким образом, чтобы возникающее в резонаторе за счет спонтанных переходов слабое вынужденное излучение многократно усиливалось, проходя через активную среду, помещенную между зеркалами. Вследствие многократных отражений излучения между зеркалами происходит как бы удлинение активной среды в направлении оси резонатора, что определяет высокую направленность лазерного излучения. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является для качества полученной лазерной системы. Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства дли получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.
Резонатор -- основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела.
Жидкость, например в лазерах на красителях состоит из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюминиевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.
3) Устройство накачки.
Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) -- сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры -- энергию химических реакций.
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 величина
определяется 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 (λ
0
= 0,63 мкм) и имеющего добротность резонатора
10 8 ,
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
и
вблизи выбранных точек экрана, можно
определить функцию
,
характеризующую степень взаимной
когерентности первого порядка.
.
(2)
Для
наблюдения только пространственной
когерентности в точках х
1
и х
2
,
т.е. производить измерения вблизи точки
0 (см. рис. 2.10). Для наблюдения только
временной когерентности отверстиях
1
и х
2
должны быть расположены сколь угодно
близко (совпадать), но для двух
интерферирующих волн должна быть
обеспечена задержка во времени на
,
например, путем разделения волны от
отверстиях
1
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 10 11 Вт/см 2 (плотность излучения Солнца составляет только 7∙10 3 Вт/см 2).
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.
Во многих интернет магазинах мощность портативных лазеров и лазерных указок неоправданно завышается в целях коммерческой выгоды. Рядовому покупателю достаточно сложно разобраться в этом вопросе и определить, насколько мощность приобретённого портативного лазера или лазерной указки соответствует действительности. В связи с этим мы предлагаем прочитать данную статью, в которой расскажем о том, какие бывают мощности у портативных лазеров и лазерных указкок, а также о том, как измеряется мощность в нашем интернет магазине.
Мощность портативных лазеров и лазерных указок
На данный момент наиболее мощными представителями портативных лазеров являются синие лазеры с длиной волны 445-450нм. Некоторые самостоятельно собранные модели при использовании нескольких лазерных диодов и сведения луча достигают мощности в 6,3Вт. Однако мощность у существующих отдельных лазерных диодов не превышает 3,5Вт. Важно отметить, что данные мощности были получены при аномально больших токах, на которые данные диоды не расчитаны. Максимальная выходная мощность , при которой синий портативный лазер будет работать стабильно на данный момент не превышает 2000мВт (2000 милливатт = 2Вт, 2000mW).
Следующие по мощности идут красные (650-660нм) и фиолетовые (405нм) портативные лазеры. Их мощность не превышает 1000мВт .
Наконец, наиболее популярные и яркие зелёные (532нм) лазеры имеют максимальную мощность 750мВт . Важно отметить, что зелёные лазеры по принципу действия отличаются от синих и красных: зелёные 532нм лазеры - полупроводниковые лазеры с диодной накачкой. Поэтому, мощность зелёного лазера складывается из трёх компонент: инфракрасной 808нм (лазерный диод накачки), 1064нм (лазерное излучение алюмо-иттриевого граната, («YAG», Y 3 Al 5 O 12) легированного ионами неодима (Nd)) и 532нм (зелёный лазерный свет после удвоения частоты в кристалле KTP). Чтобы на выходе получить 750мВт мощности зелёного 532нм лазера нужно более 5Вт мощности 808нм диода накачки! Проверяя мощность зелёного лазера с помощью ваттметра необходимо удостовериться, что у него есть фильтр, способный отсечь инфракрасные длины волн. В противном случае ваттметр покажет суммарную мощность лазера (из которых лишь 10-15% приходится на 532нм).
Об измерении мощности в интернет-магазине LaserMag
В нашем интернет магазине имеется уникальная возможность проверять оптическую мощность портативных лазеров и лазерных указок благодаря специальному оптическому ваттметру.
Принцип его работы основан на термоэлементе, который поглощает лазерное излучение и формирует электрический сигнал. Электрический сигнал попадает в ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Далее, с помощью специальной программы, поставляемой с оптическим ваттметром на экран компьютера выводится динамическая характеристика мощности (зависимость мощности от времени). При желании клиента мы готовы предоставить график мощности любого приобретаемого лазера.
