Основные свойства, параметры и характеристики лазеров

Излучение лазера является монохроматическим, когерентным, направленным, высоко интенсивным и поляризованным. Эти свойства обеспечивают эффективное применение лазеров в промышленности, в том числе в полиграфии.

Монохроматичность

Лазер генерирует электромагнитное излучение определенной длины волны λ или частоты ( = u/λ, где u— скорость света в среде, заполняющей резонатор). Для излучения, генерируемого лазером, должно выполняться определяемое резонатором условие резонанса – на длине резонатора L должно укладываться целое число q полуволн λ/2, то есть L = qλ/2. Переходя от длины волны к частоте, это условие: ν= qu/2L.

В действительности энергетический уровень атомов всегда в какой-то степени «размыт»: ему соответствует энергия, непрерывно изменяющаяся в пределах некоторого интервала значений. Поэтому рождающееся лазерное излучение характеризуется не какой-то одной определенной частотой, а частотами в некотором интервале ∆ . Когда говорят о частоте, соответствующей тому или иному излучению, то подразумевают среднюю частоту. Набор частот, отвечающий данному излучению, называют его спектральной линией; величина ∆ есть ширина спектра.

Понятие монохроматичности характеризует ширину спектра излучения. Идеально монохроматическим можно считать излучение, ширина спектра которого близка к нулю. Отклонение от монохроматичности характеризуется степенью монохроматичности:

,

где ∆λ и ∆ – ширина спектра, выраженная соответственно в длинах и частотах; λ₀ и ₀ – центральная длина волны и частота.

Величины ∆λ и ∆ оцениваются на уровне интенсивности спектральной линии, равной половине максимального значения.

Ориентировочная ширина спектра, выраженная в длинах, составляет для газовых лазеров 10^-3 - 10^-4 нм, для твердотельных – 10^-1 - 10^-2 нм, для полупроводниковых – 1^-10 нм.

С каждой генерируемой в данном резонаторе резонансной частотой связывают понятие «продольная мода». Вместо того чтобы говорить, что в излучении данного лазера представлены такие-то резонансные частоты, говорят, что излучение состоит из таких-то продольных мод.

Физическая природа активной среды определяет участок спектра, в пределах которого возможна генерация, объем – мощность (энергию) излучения, а длина и показатель преломления активной среды влияют на частотные свойства генерации.

Излучение лазеров бывает многомодовым и одномодовым. На рис. 3.10 представлены спектральные характеристики лазерных диодов, то есть распределение излучения Р_изл по длинам волн.

Рисунок 3.10 - Спектральные характеристики лазерных диодов

Наиболее распространенный метод реализации одномодового режима работы лазера состоит в использовании коротких резонаторов так, чтобы усиливалась одна продольная мода. Другой метод заключается в применении составных концевых зеркал, с помощью которых создаются два резонатора разной длины, а лазер работает на частоте, резонансной для обоих резонаторов.

Пространственные диаграммы излучения газовых лазеров определяются «поперечными модами», их представляют в виде символов TEMmn, гдеm и n – малые целые числа (ТЕМ — Transverse Electromagnetic).

Поперечные моды определяются условиями резонанса внутри резонатора и представляют собой определенные конфигурации электромагнитного поля, задаваемые граничными условиями в резонаторе. Индексы m и n у символа TEMmn интерпретируются в прямоугольной системе координат как число нулей на пространственной диаграмме по каждому из ортогональных направлений в плоскости поперечного сечения пучка. На рис. 3.11а приведены примеры пространственного распределения световой интенсивности в виде прямоугольных диаграмм поперечных мод. Цифрами обозначено число наблюдаемых минимумов интенсивности при сканировании поперечного сечения пучка соответственно по горизонтали и вертикали.

Во многих случаях распределение интенсивности оказывается очень сложным из-за суперпозиции нескольких мод.

На рис. 3.11б приведены примеры поперечных мод с осевой симметрией. Здесь первая цифра означает число минимумов интенсивности вдоль радиуса поперечного сечения, вторая равна половине числа минимумов интенсивности в азимутальном направлении.

Рисунок 3.11 – Поперечные моды с прямоугольной (а) и осевой (б) симметрией

Для лазерной обработки материалов предпочтительнее использовать ТЕМ₀₀, называемую гауссовой.

При распространении (в том числе при прохождении через оптические системы) пространственная форма гауссова пучка остается неизменной, в то время как моды более высокого порядка не сохраняют первоначального пространственного распределения.

В допечатных процессах для записи изображения находят применение следующие типы лазеров (рис. 3. 12):

Рисунок 3.12 – Диапазоны мощностей и длины волн лазеров

• красные гелий-неоновые (He-Ne) газовые лазеры с длиной волны λ = 633 нм;

• голубые аргон-ионные (Ar+) газовые лазеры с длиной волны λ = 488 нм;

• красные маломощные лазерные диоды с длиной волны λ = 670-680 нм;

• ультрафиолетовые аргон-ионные (Ar+) газовые лазеры с длиной волны λ = 350-364 нм;

• инфракрасные мощные газовые СО₂­лазеры с длиной волны λ = 10 600 нм;

• инфракрасные мощные лазерные диоды (IR) с длиной волны λ = 830-870 нм;

• инфракрасные мощные твердотельные лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (ND:YAG) с длиной волны λ = 1064 нм (с ламповой или полупроводниковой накачкой);

• зеленые твердотельные лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом утроенной частоты (FD:YAG) с длиной волны λ = 532 нм;

• ультрафиолетовые твердотельные лазеры на иттрий­алюминиевом гранате с неодимом удвоенной частотой (ND:YAG) с длиной волны λ = 354 нм;

• фиолетовые лазерные диоды с длиной волны λ = 400-410 нм;

• инфракрасные волоконные лазеры (Faser оr Fibre Laser) с полупроводниковой накачкой с длиной волны λ = 1112 нм.

Когерентность

Когерентность (от латинского cohaerens – находящийся в связи) рассматривается как согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называют когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания. Два гармонических (синусоидальных) колебания одной частоты когерентны.

При сложении двух гармонических колебаний с одинаковой частотой, но с различными амплитудами A₁иA₂ и фазами φ₁иφ₂ образуется гармоническое колебание той же частоты ν:

причем амплитуда результирующих колебаний

а фазовый сдвиг

Амплитуда результирующих колебаний может изменяться от A₁ + A₂ до A₁ - A₂ в зависимости от разности фаз φ₁ - φ₁ .

Когерентность проявляется как свойство двух (или большего числа) колебательных процессов, способных при сложении взаимно усиливать или ослаблять эффект взаимодействия.

Вынужденное излучение фотонов имеет существенные особенности. Во-первых, частота кванта света, излученного под действием внешнего монохроматического поля, точно совпадает с частотой внешнего поля. Во-вторых, направление распространения и поляризация излученного фотона совпадают с направлением распространения и поляризацией внешнего электромагнитного поля, вызывающего излучение. Таким образом, излучения отдельных элементарных излучателей, находящихся под действием общего внешнего поля, будут когерентными. Эти особенности вынужденного излучения квантов света характерны для активной среды лазеров и эффективно используются для усиления и формирования мощного монохроматического излучения.

Для пояснения понятия когерентности удобно воспользоваться волновым представлением света. На рис. 6 излучение изображено в виде «элементарных волн», зарождающихся в активной среде; их обычно называют цугами. Ситуация на рис. 3.13а соответствует некогерентному свету, а на рис. 3.13б — идеально когерентному. В последнем случае все волновые цуги распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом. Все это есть следствие вынужденного испускания света. При вынужденном испускании вторичный цуг точно копирует первичный цуг по направлению распространения, по длине волны, по фазе. На рис. 3.13б штриховой прямой показана поверхность одинаковой фазы (волновой фронт).

Рисунок.3.13 Схема распространения некогерентного (а) и когерентного (б) света

Когерентность лазерного луча проявляется, в частности, в исключительно высокой степени его монохроматичности, а также в очень малой расходимости лазерного луча.

Направленность

Направленность является одним из основных свойств излучения лазеров. Направленным является излучение, распространяющееся в пределах небольшого телесного угла.

Мерой параллельности излучения является расходимость лазерного пучка.

Расходимость лазерного излучения – это плоский θ или телесный угол с вершиной, совпадающей с точкой пересечения оси резонатора с плоскостью перетяжки.

Эту расходимость также называют угловой. Пространственные параметры лазерного пучка получают экспериментальным путем или рассчитывают по известным параметрам резонатора. Связь параметров пучка с параметрами резонатора определяется типом резонатора.

На рис. 3.14 представлен конфокальный резонатор, состоящий из двух зеркал 1, 2 с радиусами r₁ и r₂ соответственно. В случае r₁ = r₂ перетяжка излучения будет находиться в центре резонатора, ее диаметр (для одномодового излучения) определяется выражением:

,

где = 2 /λ — волновое число; d — длина резонатора.

Диаметр излучения на расстоянии z от перетяжки выражается формулой:

.

Рисунок 3.14 – Схема конфокального резонатора

Расходимость пучка при равномерном распределении энергии, что соответствует многомодовому характеру излучения, определяется равенством:

,

где 2у — размер диафрагмы на выходном зеркале; k_Ф — коэффициент, зависящий от распределения энергии и формы активного элемента.

При равномерном распределении энергии для круглой диафрагмы k_Ф = 1, для гауссового пучка k_Ф = 1,22.

Без применения дополнительных оптических систем расходимость газовых лазеров составляет единицы угловых минут, твердотельных – до нескольких десятков минут, полупроводниковых – до десятков градусов.

Расходимость пучка можно уменьшить путем его коллимации с фокусировкой лазерного пучка (в фокусе оптической системы помещают диафрагму малого диаметра — пространственный фильтр) и без фокусировки лазерного пучка — путем пропускания пучка через телескоп (рис. 3.15), который преобразует параллельный пучок лучей, входящий в систему, также в параллельный пучок лучей на выходе из нее с увеличенной апертурой (диаметром) пучка.

Рисунок 3.15 – Коллимация пучка с помощью двухлинзового телескопа

При этом расходимость лазерного излучения обратно пропорциональна увеличению β используемого телескопа (β = D2/D1):

,

где 1, 2 — расходимость пучка на входе в телескоп и на выходе из него соответственно; D₁, D₂ — диаметр пучка на входе в телескоп и на выходе из него соответственно. При этом лазерный пучок должен полностью заполнять телескоп.

Минимальное достижимое значение расходимости определяется дифракционными явлениями оптического волнового фронта на выходном компоненте коллимирующей системы.

В технической характеристике (паспорте) обычно указывают в качестве расходимости угол 2θ.

Интенсивность

Понятие интенсивности применяется для оценки фотометрических величин, с помощью которых характеризуется излучение лазера: силы излучения, яркости, потока и т.д. При больших значениях этих величин обычно утверждается, что излучение является интенсивным. Излучение лазера, благодаря высокой степени направленности излучения, может быть интенсивным даже в том случае, когда мощность излучения сравнительно невелика.

Сила излучения лазера характеризует пространственную плотность потока излучения, то есть величину лучистого потока, приходящегося на единицу телесного угла, в котором распространяется излучение, и определяется по формуле:

,

где Фэ — мощность излучения, Вт; Ω= α² — телесный угол, стер; α — апертурный угол конуса, которым образован телесный угол, рад.

При одномодовом излучении лазера, расходимость которого 2θ (телесный угол соответственно равен α = 4 θ²), сила излучения в направлении, характеризуемом апертурным углом 2θ к оси, равна

Вт/стер.

Если сравнивать, например, по силе излучения лампу накаливания и лазер, то при одной и той же потребляемой мощности лазеры оказываются более интенсивными, обладая более низким КПД. Например, лампа накаливания мощностью 66 Вт обладает средней силой излучения

Вт/стер,

а лазер типа ЛГ-55 с потребляемой мощностью 66 Вт, мощностью излучения 2•10^-3 Вт и расходимостью 10' характеризуется силой излучения

Вт/стер.

Поток излучения (мощность лазера) Фэ представляет энергию вынужденного излучения (энергию генерации), проходящего через поперечное сечение в единицу времени: Фэ = dQe/dt. Если излучение происходит на основной моде, то величина потока Фэ определяется соотношением радиуса рассматриваемого сечения r и размера пятна моды ω:

,

где Ф₀ — полный поток лазера, измеренный при r>>ω.

Переход энергетической величины потока (Вт) к световому (лм) осуществляется по формуле

Ф=638Фэ,

где 683 лм/Вт — световой эквивалент лучистой энергии на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности глаза (λ = 0,55 мкм).

Переход от светотехнической величины потока к энергетической осуществляется по формуле

Фэ=АФ,

где А = 0,00146 Вт/лм — механический эквивалент света (А = 1/683).

При импульсном излучении режим регулярной последовательности импульсов характеризуется средним потоком излучения, то есть средним значением потока за заданный промежуток времени:

Фср=Фи∆t/T,

где Фи — поток в импульсе; ∆t — длительность импульса; Т — период повторения импульсов.

В допечатных процессах при записи изображения осуществляют управление интенсивностью лазерного луча по принципу «да — нет», при котором интенсивность меняется от максимального значения до нуля, для формирования печатающих или пробельных элементов формы, а также для приведения в соответствие интенсивности с свето- или термочувствительностью записываемых материалов. Для управления интенсивностью служат специальные устройства – модуляторы излучения.

Поиск по сайту: