При применении лазеров на практике почти всегда возникает за-дача формирования лазерного пучка с целью получения заданных па-раметров. Например, формирование пучка с заданным распределением плотности мощности в поперечном сечении, получение пучка с ми-нимальной расходимостью, фокусирование излучения в пятно мини-мальных размеров и т.д. Эти задачи решаются с помощью известных, обычных оптических элементов и систем. Однако, лазерные оптиче-ские системы обладают рядом особенностей, связанных со свойствами лазерного излучения.
Известно, что лазерное излучение монохроматично. В связи с этим действие (работа) оптических элементов может отличаться от работы этих элементов с обычным (широкополосным) излучением. Например, коэффициент пропускания оптических материалов зависит от ширины спектра используемого излучения и может сильно отличаться для ла-зерного и обычного излучения. Поэтому при точных энергетических расчетах необходимо иметь данные не об интегральных, а о спектраль-ных коэффициентах пропускания (особенно, когда длина оптического пути в материале велика).
| τ | В связи с монохроматично- | |||
| стью лазерного излучения уве- | ||||
| личивается | критичность | работы | ||
| узкополосных (интерференцион- | ||||
| ных) светофильтров к внешним | ||||
| Δλсвет | условиям: давлению, влажности | |||
| и температуре. В большинстве | ||||
| случаев ширина полосы спектра | ||||
| лазерного излучения во много раз | ||||
| Δλлаз | меньше ширины полосы пропу- | |||
| скания даже узкополосного свето- | ||||
| Рис. 2.1. К определению действия | фильтра (рис. 2.1). Вместе с тем, | |||
| светофильтра | положение | центральной | длины |
|
|
волны и ширина полосы пропускания светофильтра зависят от указан-ных внешних условий. При этом коэффициент пропускания лазерного излучения светофильтром может измениться в несколько раз.
Положение максимума и ширина полосы пропускания узкополос-ного светофильтра зависят также от угла падения на светофильтр па-раллельных лучей и от угла сходимости (расходимости) непараллель-ных лучей. Очевидно, при использовании лазерного излучения в каче-стве полезного сигнала условия работы светофильтра сильно влияют на коэффициент пропускания.
Свойство монохроматичности необходимо учитывать также при оценке работы нейтральных светофильтров, применяющихся для осла-бления излучения. Коэффициент кратности светофильтра (число, пока-зывающее, во сколько раз ослабляется прошедшее через светофильтр излучение) для лазерного излучения может сильно отличаться от ко-эффициента, измеренного по отношению к обычному излучению. Из-вестно, что показатель преломления оптических материалов зависит от длины волны излучения. В ГОСТе на оптическое стекло и в таблицах для оптических кристаллов приводятся показатели преломления для дискретных длин волн, которые не совпадают с длинами волн излуче-ния известных лазеров. Поэтому для лазерного излучения показатели преломления необходимо рассчитывать. Наконец, монохроматичность лазерного излучения приводит к тому, что в оптических системах от-сутствуют хроматические аберрации.
Когерентность лазерного излучения также отражается на работеоптических систем. В основном это связано с возможностью образо-вания нежелательных интерференционных эффектов в некоторых оп-тических деталях. В ряде случаев необходимо выбирать толщину оп-тических деталей определенным образом и рассчитывать системы так, чтобы избежать появления интерференционных эффектов в плоскости наблюдения (измерения).
|
|
Интенсивность лазерного излучения может стать причиной раз-рушения оптических деталей и покрытий. Поэтому при использовании мощных лазеров оптическую систему рассчитывают на лучевую проч-ность. Расчет заключается в определении плотности мощности (энер-гии) в критических сечениях пучка, совпадающих с поверхностью или объемом оптических деталей. Полученную величину сравнивают с допустимой (пороговой) плотностью, которую обычно определяют
из эксперимента. Установлено, что оптическое стекло в зависимости от марки характеризуется пороговой плотностью мощности порядка 109…1010 Вт/см2, а порог разрушения покрытий, как правило, несколь-ко порядков меньше. Величина пороговой плотности зависит от марки стекла, качества обработки поверхности, длины волны излучения, дли-тельности импульса и т.д.
Поляризация лазерного излучения приводит к тому,что коэффици-енты отражения от границы раздела двух сред зависят не только от угла падения, но и от состояния поляризации. Напомним, что существуют та-кие углы падения, при которых коэффициент отражения при определен-ном состоянии поляризации равен нулю (угол Брюстера). Если состоя-ние поляризации выходного лазерного излучения желательно сохранить
|
|
и на выходе из оптической системы, то необходимо ее рассчитать таким образом, чтобы углы падения не превышали критических значений, при которых состояние поляризации еще не меняется (до 10÷15º).
При расчете оптических систем, формирующих лазерное излуче-ние, наиболее важным является случай формирования одномодового и многомодового гауссова пучка. Если пренебречь дифракцией и аберра-циями, то расчет можно вести по известным законам геометрической оптики. Однако, особая структура гауссова пучка (см. § 1.2) приводит к тому, что расчет имеет некоторые специфические особенности.