Оптимальное пространственное распределение лазерного излучения
ВВЕДЕНИЕ
К лазерной технике относятся приборы (устройства, установки), при реализации функций которых используется лазерное излучение. Например, в информационно-измерительных лазерных приборах про-исходит выделение информации об объекте, которая заключена в лазер-ном излучении; в медицинских и технологических установках лазерное излучение формируется надлежащим образом для воздействия на объ-ект, в приемо-передающих лазерных системах происходит формирова-ние лазерного излучения и его обработка.
Лазерные приборы и системы составляют в настоящее время такой большой круг, что перечисление их заняло бы большое место. Можно отметить, например, такие как дальномеры, локаторы, системы связи, гироскопы, интерферометры, геодезические приборы, широкий спектр медицинских установок и т.д.
Технические характеристики лазерных приборов в значительной степени определяются свойствами лазера как источника излучения. По-этому при выборе конкретного лазера из всего их многообразия перво-степенное значение приобретает знание параметров и характеристик, описывающих свойства лазера. Часть этих параметров и характеристик приводится в паспорте (описании) лазера, а некоторые приходится опре-делять экспериментально или расчетным путем. Даже когда параметр или характеристика приведены в паспорте, необходимо ясное знание того, что понимается под приведенным значением или определением. Поэтому вопрос о параметрах и характеристиках лазера как источника излучения является важным разделом курса, усвоение которого необхо-димо для эффективного применения лазера в приборе. Мы будем, как обычно, понимать под параметрами те величины, которые можно вы-разить числом, а под характеристиками – зависимости параметров друг от друга, а также понятия, которые характеризуют работу лазера.
В лазерных приборах выходное излучение лазера, как правило, каким-то образом формируется с целью получения заданных параме-тров. Например, иногда бывает необходимым уменьшить расходимость
лазерного пучка, в других случаях требуется получить пятно минималь-ных размеров или заданной формы и т.д. Эти задачи решаются с помо-щью оптических элементов и систем. Лазерные оптические системы обладают рядом особенностей по сравнению с системами, предназна-ченными для формирования обычного излучения. В связи с эти возни-кает вопрос о выборе и расчете оптических систем для формирования лазерного излучения.
Использование лазеров в приборах требует также знания законов распространения лазерного излучения в оптических средах и его воз-действия на приемники излучения. Ввиду большого объема информа-ции об этих процессах, в данном пособии рассмотрены лишь те из них, которые связаны с энергетическими (светотехническими) расчетами лазерных приборов. При этом рассмотрение ограничено только теми процессами, при которых возникают линейные эффекты.
Изучение данного пособия предполагает, что читатель знаком с принципом действия лазеров и их устройством.
ПАРАМЕТРЫИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ КАК ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБЫИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Спектральные (частотные) параметры и
характеристики лазерного излучения
Эти параметры и характеристики описывают спектр лазерного из-лучения, т.е. распределение энергии (мощности) излучения по длинам волн или частотам. К ним относятся: частота лазерного излучения; длина волны лазерного излучения; ширина линии лазерного излучения; ширина огибающей спектра лазерного излучения; ширина активной ча-сти огибающей спектра; число спектральных линий излучения.
Частота лазерного излучения n0 – это средняя (центральная) часто-та, соответствующая максимуму спектральной линии спонтанного из-лучения, возникающего при переходе частиц с верхнего инвертирован-ного уровня на нижний. Известно, что лазерное излучение возникает лишь на переходах между энергетическими уровнями частиц, на кото-рых получено инверсное распределение населенностей. Спектральная линия спонтанного излучения на переходах между этими же уровнями имеет некоторый вид (контур) j(n), который определяет и частотную зависимость усиления на этом переходе: j(n)=χ(n) (рис. 1.1).
Центральная частота ν0 кон-
тура φ(ν) и есть частота лазерного Δν φ(ν)= χ(ν) излучения. Аналогичным обра-
зом определяется и длина вол-
| ны лазерного излучения λ 0 = | c | χ n | ν | ||
| . | ν0 | ||||
| n | |||||
| Конкретная частота (длина вол- | δν δν | ||||
| ны) лазерного излучения может | no a .c. | ||||
| и не совпадать с центральной | Δνо.с. | ||||
| частотой (длиной волны) данно- | |||||
| Рис. 1.1. К определению | |||||
| го перехода. Однако, ввиду того, | |||||
| что ширина спектра лазерного из- | спектральных (частотных) | ||||
| параметров и характеристик | |||||
| лучения, за которую можно при- | лазерного излучения |
нять, например, ширину активной части огибающей спектра, очень мала по сравнению с частотой (длиной волны), то в пределах всей ширины спектра все частоты (длины волн) излучения можно выразить одним и
тем же числом с достаточной точностью. Например, если n o.c. a /n =10−6, то все частоты (длины волн) будут иметь одно и то же значение с точ-
ностью до шестого знака после запятой.
В активной среде лазера может быть реализовано сразу же несколько инвертированных переходов. Если они расположены (по шкале частот) достаточно близко друг к другу, то излучение лазера происходит одновре-менно на нескольких частотах (длинах волн), как, например, происходит в аргоновом лазере. Если же переходы расположены достаточно далеко друг от друга, то излучение происходит, как правило, на частоте одного выбранного перехода, как в гелий-неоновом лазере. Наконец, если состав активной среды плавно меняется, то частота излучения также меняется в пределах некоторого спектрального интервала. Таким образом, часто-та (длина волны) лазерного излучения определяется природой активной среды. Для данной активной среды в некоторых случаях она зависит от температуры среды (рубиновый и полупроводниковый лазеры).
Частота (длина волны) лазерного излучения определяет многие стороны практического применения лазеров:
видимо излучение или нет;
условия прохождения излучения через оптические элементы и сре-ду распространения излучения;
величину расходимости излучения и размер сфокусированного пятна;
оптические материалы, применяемые для изготовления оптиче-ских систем;
приемники излучения, которые можно использовать для детекти-рования сигнала;
величину фона, принимаемого вместе с сигналом.
Ширина линии лазерного излучения Δ(ν) –это расстояние междуточками контура линии лазерного излучения (имеется в виду отдельная спектральная линия), соответствующее половине интенсивности линии в максимуме (см. рис. 1.1). Если излучение происходит на единствен-ной спектральной линии, то ее ширина представляет собой ширину спектра лазерного излучения и определяет степень монохроматичности и когерентности излучения.
Ширина огибающей спектра лазерного излучения Δ(ν)о.с. представ-ляет собой расстояние между точками линии, огибающей спектр лазер-ного излучения, т.е. линии спонтанного излучения, соответствующей заданному уровню спектральной плотности мощности лазерного из-лучения. Заданный уровень определяется отношением спектральной плотности мощности в выбранной точке к ее значению в максимуме, например, ширина огибающей может быть выражена по уровню 0,1 или 0,5 и т.д. Ширина огибающей спектра определяет максимально возмож-ную ширину спектра лазерного излучения на частоте данного перехода.
Как уже говорилось, контур спектральной линии спонтанного из-лучения является одновременно и контуром усиления. Поэтому, если на графике φ(ν) отложить потери энергии в виде линии χ n, параллельной оси частот (это можно сделать, так как потери практически не зави-сят от частоты), то эта линия отсечет на огибающей спектра участок,
в пределах которого усиление превышает потери. Эта часть контура перехода называется активной частью контура (огибающей спектра) no a .c. и определяет реальную ширину спектра лазерного излучения в зависимости от уровня потерь энергии (мощности). Ширина активной части контура определяет и число спектральных линий лазерного из-лучения, соответствующих данному переходу. Очевидно, что это число
для одной моды равно no a. c. ±1, где δν – расстояние между спектраль- n
ными линиями (дробь округляется в сторону ближайшего меньшего натурального числа). Напомним, что расстояние между линиями опре-
деляется длиной резонатора n = 2 nLc, где n – показатель преломления
среды внутри резонатора; L – длина резонатора. При многомодовом из-лучении число спектральных линий увеличивается в число раз, равное числу мод в излучении.