Основы лазерной техники: Понимание основных характеристик

Обычный источник света излучает свет во всех направлениях и ослабевает с увеличением расстояния. Это ослабление происходит в основном потому, что свет от таких источников является результатом того, что множество молекул или атомов внутри источника испускают фотоны независимо друг от друга во время спонтанного излучения. Лазеры, напротив, усиливают падающие фотоны за счет вынужденного излучения.

Благодаря иным механизмам лазерной генерации по сравнению с обычными источниками света, лазеры обладают уникальными характеристиками, не присущими обычному свету, которые можно свести к четырем аспектам: направленность, монохроматичность, когерентность и высокая интенсивность.

Направленность лазеров

Лазеры испускают свет посредством вынужденного излучения; каждый фотон сохраняет ту же частоту, фазу и состояние поляризации, что и падающий свет, и все это под контролем оптического резонатора. Этот контроль позволяет лазерному лучу распространяться строго вдоль оси резонатора с очень малым углом расхождения, приближающимся к углу расхождения параллельного света.

Высокая направленность лазеров обусловлена механизмом вынужденного излучения и ограничительным влиянием оптического резонатора на направление колеблющегося светового пучка. Точные данные показали, что лазерный луч, испущенный с Земли на Луну, расстояние между которыми составляет около 380 000 километров, приводит к образованию на Луне пятна диаметром менее 1000 метров.

Эта превосходная направленность привела к широкому использованию лазеров в дальнометрии, связи и позиционировании. Высокая направленность лазеров позволяет эффективно передавать излучение на большие расстояния и фокусировать его до очень высоких плотностей мощности, что крайне важно для лазерная обработка.

Монохроматичность лазеров

Цвет света определяется длиной волны. Ширина между двумя длинами волн, при которых интенсивность составляет половину от максимума, обычно определяется как ширина спектральной линии. Чем меньше ширина спектральной линии, тем лучше монохроматичность света. Видимый свет состоит из семи цветов, каждый из которых имеет ширину спектральной линии от 40 до 50 нанометров.

Монохроматичность лазеров намного превосходит монохроматичность обычных источников света. Например, ширина спектральной линии красного лазерного излучения, испускаемого гелий-неоновым лазером, составляет всего 10^-8 нанометров, что значительно монохроматичнее криптоновой лампы. Некоторые специальные лазеры имеют еще более высокую монохроматичность.

Чрезвычайно высокая монохроматичность лазеров практически исключает хроматическую дисперсию (изменение показателя преломления в зависимости от длины волны) фокусирующих линз, что позволяет точно сфокусировать пучок света на фокальной точке и добиться высокой плотности мощности. Превосходная монохроматичность лазеров обеспечивает преимущество при проведении точных инструментальных измерений и стимулировании определенных химических реакций в научных экспериментах.

Когерентность лазеров

Когерентность в основном описывает фазовые отношения между различными частями световой волны, охватывая два аспекта: временную когерентность и пространственную когерентность. Для лазеров пространственное распределение светового поля обычно разлагается на распределение вдоль направления распространения (оси резонатора) E(z) и распределение по поперечному сечению, перпендикулярному направлению распространения E(x, y).

Таким образом, моды лазерного резонатора можно разделить на продольные и поперечные моды, представляющие собой продольное и поперечное распределения светового поля мод резонатора соответственно.

(1) Временная когерентность

Временная когерентность лазера относится к фазовым соотношениям между точками вдоль направления распространения луча. В практических приложениях время когерентности часто используется для описания временной когерентности лазера. Чем меньше ширина спектральной линии, то есть чем выше монохроматичность, тем больше время когерентности.

Одномодовые газовые лазеры со стабилизированной частотой обладают наилучшей монохроматичностью, обычно достигающей 10⁶ до 10¹³ Гц; полупроводниковые лазеры имеют худшую монохроматичность, в основном потому, что их кривая усиления широка, что затрудняет обеспечение работы в одной продольной моде; полупроводниковые лазеры имеют худшую монохроматичность.

Одномодовый режим работы (технология выбора режима) и стабилизация частоты имеют решающее значение для повышения когерентности. Стабилизированный по частоте лазер с одной поперечной модой излучает свет, близкий к идеальной монохроматической плоской волне, т. е. полностью когерентный.

(2) Пространственная когерентность

Пространственная когерентность лазера - это фазовые отношения между точками на плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. Она относится к масштабу, на котором свет, испускаемый лучом, может сходиться в одной точке пространства, образуя интерференционные картины, и пространственная когерентность связана с размером источника света.

Идеальная плоская волна полностью пространственно когерентна и имеет угол расходимости, равный нулю. Однако на практике из-за дифракционных эффектов наименьший угол излучения пучка, достижимый лазером, не может быть меньше предельного угла дифракции при прохождении через выходную апертуру.

Для улучшения пространственной когерентности лазера необходимо, во-первых, ограничить его работу в одной поперечной моде; во-вторых, правильно выбрать тип оптического резонатора и увеличить длину резонатора для улучшения направленности пучка. Кроме того, неоднородности в активной среде, ошибки при обработке и настройке резонатора и другие факторы также могут ухудшить направленность пучка.

Высокая интенсивность лазеров

Благодаря отличной направленности лазерных лучей излучаемая энергия ограничивается очень узким телесным углом, а сама энергия концентрируется в пределах узкой ширины спектральной линии. Это значительно увеличивает спектральную яркость лазеров по сравнению с обычными источниками света. В импульсных лазерах, где излучение энергии дополнительно сжимается в очень короткий промежуток времени, спектральная яркость может быть еще больше увеличена.

В настоящее время увеличение выходной мощности и эффективности является важным направлением в развитии лазеров. Газовые лазеры, такие как CO₂Лазеры могут вырабатывать самую высокую непрерывную мощность, а твердотельные лазеры - самую высокую импульсную мощность.

Особенно при использовании методов модуляции оптического резонатора и лазерных усилителей время лазерного колебания может быть сжато до очень малых значений (порядка 10^-9 секунд), а выходная энергия может быть усилена, что приводит к чрезвычайно высокой мощности импульса. С помощью методов блокировки мод и сжатия длительности импульса длительность лазерного импульса может быть еще больше сжата до 10^-15 секунды.

Самое главное, мощность лазера (энергия) может быть сконцентрирована в одной (или нескольких) модах, что позволяет достичь очень высокой степени вырождения фотонов. Когда лазерный луч фокусируется через линзу, он может генерировать температуру в несколько тысяч и даже десятков тысяч градусов Цельсия вблизи фокальной точки, что позволяет обрабатывать любые материалы.

Например, мощные CO₂ лазерная резка Обычно используемые в промышленности аппараты имеют фокусное расстояние от 127 до 190 мм, диаметр фокусного пятна от 0,1 до 0,4 мм, а плотность энергии может достигать 10 Вт/см².