Московский государственный университет печати

Сидоров А.С.


         

Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии

Учебное пособие


Сидоров А.С.
Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

Лазерное излучение

1.1.

Физические принципы

1.2.

Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.3.

Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

2.

Лазеры

2.1.

Сведения общего характера

2.2.

Твердотельные лазеры

2.3.

Газовые лазеры

2.4.

Полупроводниковые лазеры

3.

Преобразователи лазерного излучения

3.1.

Базовые физические эффекты

3.2.

Поляризационные призмы и пластины

3.3.

Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.4.

Акустооптические преобразователи

4.

Оптико-электронное оснащение лазеров

4.1.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.2.

Способы и средства лазерного сканирования

4.3.

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.4.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.5.

Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

5.

Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

5.1.

Сканеры, читающие автоматы

5.2.

Голография

5.3.

Измерительная техника

5.4.

Волоконно-оптические линии связи

6.

Лазерная техника отображения и записи информации

6.1.

Фотонаборные машины и автоматы

6.2.

Принтеры, электрофотографические аппараты

6.3.

Системы компьютер - печатная форма

6.4.

Оптические запоминающие устройства и среды

Библиографический список

Указатели
37  именной указатель
349  предметный указатель
534  указатель иллюстраций

1.
Лазерное излучение

Спонтанное и вынужденное излучение фотонов. Когерентность оптического излучения. Инверсия населенностей, активная среда. Резонатор Фабри-Перо; добротность, частотная избирательность оптических резонаторов. Возбуждение, автоматическая фокусировка, направленность лазерного излучения. Энергетические характеристики, режимы формирования лазерных колебаний.

1.1.
Физические принципы

1.1. Сформулировать определение, выделить существенные условия (принципы) построения и действия лазеров, расшифровать аббревиатуру ЛАЗЕР.

ЛазерЛазер - источник (генератор) когерентного электромагнитного (оптического) излучения, формируемого путем вынужденного (стимулированного) излучения микрочастиц (атомов, молекул) вещества.

Термин «лазер» (от аббревиатуры LASER, составленной из начальных букв английских слов фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation») отражает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Для генерации лазерных колебаний необходимо:

  • использование квантовой структуры (системы) с избирательным «заселением» (возбуждением) одного или нескольких энергетических уровней, позволяющих обеспечить Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсию населенностей (избыточную концентрацию возбужденных микрочастиц);

  • создание путем внешней электрической или оптической накачки активной среды, обладающей избыточной концентрацией возбужденных микрочастиц и способной существенно усиливать электромагнитное (оптическое) излучение;

  • помещение активной среды в оптический резонатор, обеспечивающий эффективное возбуждение и систематическую генерацию лазерных колебаний путем многократного отражения оптического (лазерного) луча и, как следствие, положительной обратной связи, систематически подпитывающей (регенирующей) лазерные колебания.

1.2. Пояснить и сравнить механизмы поглощения, спонтанного (самопроизвольного) и вынужденного (стимулированного) излучения фотонов, используя зонные энергетические диаграммы ссылка на источники литературы.

На рис. 1.1 показаны энергетические переходы микрочастиц при поглощении (рис. 1.1, аРис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение), спонтанном (рис. 1.1, б Рис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение) и вынужденном (рис. 1.1, вРис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение) излучении фотонов. Выделены энергетические уровни: низкий (невозбужденный) уровень E1 и более высокий (возбужденный) уровень E2. В варианте рис. 1.1Рис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение, а на полупроводниковую структуру падает фотон с энергией

здесь h - постоянная Планка (h = 6,62610-34 Дж×с), а ν - частота оптических колебаний (волн).

В результате фотон поглощается, а невозбужденный электрон переходит на энергетический уровень E2 и освобождается, увеличивая фотопроводимость полупроводниковой структуры.

Возбужденная микрочастица с энергией E2 неустойчива и может перейти на более низкий энергетический уровень E1 (рис. 1.1, бРис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение) спонтанно (самопроизвольно), испуская квант излучения (фотон) с энергией hν1,2=E2-E1. Частота оптических колебаний (волн)Частота оптических колебаний (волн), излучаемых таким путем, определяется условием Бора:

Спонтанное излучение фотоновСпонтанное излучение микрочастиц в квантовой системе (рис. 1.1, бРис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение) имеет случайный и хаотический характер: фотоны излучаются микрочастицами в различные моменты времени (несинхронно), имеют неодинаковую частоту, по-разному поляризованы, распространяются в различных направлениях.

Вынужденное излучение фотоновВозбужденные микрочастицы (электроны, атомы, молекулы) могут испускать фотоны, переходя с верхнего энергетического уровня E2 на начальный уровень E1 (рис. 1.1, в Рис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение) под действием внешнего оптического излучателя (вынужденно), если частота ν этого внешнего излучения соответствует условию . В такой процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный (вынуждающий) и вторичный (испущенный возбужденной микрочастицей). Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных квантов света. Согласно Дираку, они обладают одинаковой (тождественной) частотой, фазой, поляризацией и направленностью дальнейшего распространения. По существу, вторичные фотоны в квантовой системе (рис. 1.1, вРис. 1.01. Основные энергетические взаимодействия микрочастиц: а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение) формируют Оптическая волнаоптическую волну, которая является точной (но усиленной) копией исходного (вынуждающего) излучения.

1.3. С ориентацией на некогерентное оптическое излучение:

  • указать его естественные источники;

  • пояснить причины некогерентного излучения светодиодов.

В источниках некогерентного Оптическое излучениеоптического излучения происходят Спонтанное излучение фотоновспонтанные (самопроизвольные, невынужденные) энергетические переходы излучающих микрочастиц. Некогерентным оказывается оптическое излучение многих (нелазерных) источников; в их числе тепловые источники света (включая первичный источник - Солнце), лампы накаливания, газоразрядные и электролюминесцентные источники оптического излучения, включая светоизлучающие диоды.

Светодиоды создают оптическое излучение благодаря действию (энергетическим переходам) множества микрочастиц (атомов, молекул) вещества, излучающих кванты света (фотоны). Такие микроисточники оптического излучения расположены в объеме светодиода хаотично, процесс излучения каждой микрочастицы происходит спонтанно (самопроизвольно, независимо, случайно) в разнообразных направлениях. Существенно различаются моменты энергетических переходов, длины волн и частоты оптических колебаний микрочастиц излучающего вещества. Такое спонтанное излучение атомов и молекул в светодиодной структуре оказывается некогерентным.

1.4. Определить термин «когерентность», представить поясняющие математические соотношения.

Согласно ссылка на источники литературы Когерентностькогерентность (от латинского cohaerens - находящийся в связи) рассматривается как согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Когерентность оптического колебанияКолебания 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 A1 и A2 и фазами φ1 и φ2 образуется гармоническое колебание той же частоты ν:

причем амплитуда результирующих колебаний

а фазовый сдвиг

Согласно амплитуда результирующих колебаний может изменяться от A1 + A2 до A1 - A2 в зависимости от разности фаз φ1 - φ1

Линейная комбинация нескольких синусоидальных процессов, действующих с одинаковой частотой, развивается как синусоидальный процесс

с той же частотой ν.

Таким образом, Когерентностькогерентность проявляется как свойство двух (или большего числа) колебательных процессов, способных при сложении взаимно усиливать или ослаблять эффект взаимодействия. Когерентное воздействие синфазных (φ1 = φ2 = ... = φn) колебательных процессов усиливает результирующий процесс.

1.5. Представить технический пример когерентного взаимодействия оптических колебаний.

Простой пример получения двух когерентных оптических колебаний реализуется по схеме ссылка на источники литературы, представленной на рис. 1.2.Рис. 1.02. Формирование когерентных оптических колебаний. Два световых пучка, создаваемых одним точечным источником оптического излучения, распространяются по различным направлениям и путям, отражаются от зеркал в точках А и В и сходятся на экране в одной точке С. Непрозрачная заслонка препятствует прямолинейному воздействию источника света на экран.

В месте (на плоскости) схождения оптических пучков наблюдается интерференционная картина. Базовой в этом физическом процессе является Интерференция волнинтерференция волн - сложение в пространстве двух (или нескольких) волн с усилением или ослаблением результирующей волны. При интерференции света наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности I света, показанное на рис. 1.2.Рис. 1.02. Формирование когерентных оптических колебаний в виде чередующихся всплесков и спадов (реально светлых и темных полос). Естественно еще раз подчеркнуть, что интерференция возникает только в случае, если разность фаз не изменяется во времени, т.е. волны когерентны.

1.6. Выделить условия и факторы, обеспечивающие когерентность вынужденного излучения лазеров ссылка на источники литературы.

Вынужденное излучение фотоновИзлучение фотона микрочастицей (атомом, молекулой) вещества может вызываться (индуцироваться) внешним электромагнитным полем. При этом вероятность вынужденного (индуцированного) излучения фотона данной частоты, направления и поляризации в системе, где уже имеется N таких фотонов, оказывается пропорциональной N и в N раз превышает вероятность невынужденного (спонтанного) излучения.

Вынужденное излучение фотоновВынужденное 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.

1.7. Показать и пояснить распределение микрочастиц по энергетическим уровням зонной диаграммы в состоянии термодинамического равновесия (по статистике Больцмана). Оценить эффект воздействия оптического излучения на квантовую структуру с естественным энергетическим распределением микрочастиц.

По Больцману, в состоянии динамического равновесия верхние энергетические уровни «населены» возбужденными частицами существенно меньше, чем нижние энергетические уровни - невозбужденными частицами. На рис. 1.3, аРис. 1.03. Энергетическое распределение микрочастиц: а - нормальное; б - инверсное показано распределение частиц по уровням A1 ...A5 энергии в соответствии со статистикой Больцмана; здесь Ni - число частиц на энергетическом уровне Ei.

Для одной частицы вынужденный переход с верхнего уровня (например, с E2)на нижний уровень E1 (испускание фотона) и с нижнего уровня на верхний (поглощение фотона) равновероятны. Поэтому при взаимодействии Оптическое излучениеоптического излучения с квантовой энергетической структурой (рис. 1.3, аРис. 1.03. Энергетическое распределение микрочастиц: а - нормальное; б - инверсное) происходит (преобладает) Поглощение изученияпоглощение излучения. Усиление Оптическая волноптической волны возможно, если возбужденных частиц больше, чем невозбужденных.

1.8. Показать и пояснить распределение микрочастиц по энергетическим уровням зонной диаграммы при Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсии населенностей уровней. Оценить эффект воздействия оптического излучения на квантовую структуру с инверсным энергетическим распределением микрочастиц.

В ряде специальных случаев нестандартными техническими средствами удается обеспечить избыточную концентрацию возбужденных микрочастиц. При этом число частиц (например, N1) на верхнем энергетическом уровне (E2) превосходит «заселенность» N1 нижнего уровня E1 (рис. 1.3, бРис. 1.03. Энергетическое распределение микрочастиц: а - нормальное; б - инверсное). В такой ситуации преобладают вынужденные переходы возбужденных микрочастиц (с уровня E2 на уровень E2) с излучением фотонов, а потери оптического излучения, связанные с возбуждением микрочастиц (при переходах с уровня E1 на уровень E2), менее значительны. Таким образом, Оптическое излучениеоптическое излучение в квантовой структуре с инверсией населенностей не ослабляется, а усиливается.

1.9. Пояснить механизмы, выделить стадии мощного возбуждения (накачки), создания инверсной населенности микрочастиц, вынужденного излучения фотонов в трех- и четырехуровневых квантовых системах ссылка на источники литературы.

Диаграммы рассматриваемых переходов представлены на рис. 1.4.Рис. 1.04. Стимулированное излучение фотонов в трехуровневых (а) и четырехуровневых (б) квантовых системах

В трехуровневой системе (рис. 1.4, аРис. 1.04. Стимулированное излучение фотонов в трехуровневых (а) и четырехуровневых (б) квантовых системах) путем внешней мощной (например, оптической) накачки микрочастицы возбуждаются и переводятся с исходного основного энергетического уровня E1 на более высокий уровень E3. Энергия такой накачки поглощается в узком спектральном диапазоне в окрестности частоты ν1,3=(E3-E1)/h. Далее возбужденные микрочастицы весьма быстро переходят (без излучения фотонов) на более низкий энергетический уровень E2 и накапливаются там, создавая необходимую Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсную населенность. Возвращение возбужденных микрочастиц на исходный уровень E1 происходит под действием внешнего Оптическое излучениеоптического излучения с энергией hν1,2=E2-E1 и сопровождается усиленным излучением вторичных фотонов с той же энергией и частотой.

В четырехуровневом лазере (рис. 1.4, бРис. 1.04. Стимулированное излучение фотонов в трехуровневых (а) и четырехуровневых (б) квантовых системах) нижний лазерный уровень E2 заметно выше основного уровня E1. В такой системе путем интенсивной накачки микрочастицы с основного уровня E1 переводятся на высокий энергетический уровень E4, быстро (без излучения фотонов) переходят на уровень E3 и совершают лазерный переход (с излучением фотонов) на уровень E2. Заключительным безызлучательным переходом оказывается возвращение возбужденных микрочастиц с уровня E2 на основной уровень E1.

1.10. Пояснить термин Активная среда«активная среда», иллюстрировать процесс усиления оптического излучения микрочастицами активной среды.

Среду с инверсией населенностей какой-либо пары энергетических уровней E1 и E2, способную усиливать оптическое излучение, воздействующее на квантовую систему с частотой ν1,3=(E3-E1)/h принято называть активной.

Спонтанное излучение фотоновСпонтанное излучение возбужденной микрочастицы в активной среде способно вызвать вынужденные переходы и дополнительное оптическое излучение других микрочастиц и тем самым существенно усилиться (рис. 1.5Рис. 1.05. Усиление оптических колебаний в активной среде). Вторичные фотоны вынужденного (усиленного) излучения форсируют новые вынужденные переходы микрочастиц и формируют более мощные пакеты фотонов. Процесс идет с нарастающей интенсивностью (лавинообразно).

1.11. Рассмотреть методы и технические средства создания активной среды в лазерных структурах.

Активная средаАктивная среда создается избирательным возбуждением (накачкой) микрочастиц, обеспечивающим интенсивное «заселение» одного или нескольких верхних энергетических уровней. Весьма быстрый безызлучательный переход возбужденных микрочастиц на более низкий энергетический уровень обеспечивает инверсную населенность этого уровня относительно исходного энергетического уровня.

Простым и эффективным является метод оптической накачки, которую осуществляют мощные импульсные газоразрядные (ксеноновые, криптоновые, ртутные) лампы. Такой метод успешно применяется для возбуждения лазерной среды (твердого тела, жидкости) с большой концентрацией микрочастиц. При интенсивном освещении квантовой структуры переход микрочастиц на высокие энергетические уровни связан с селективным поглощением света в узких спектральных диапазонах.

Активная среда эффективно формируется путем электрического разряда в газах. Необходимую инверсию населенности энергетических уровней удается получить в достаточно разреженных газах.

Возможно создание Активная средаактивной среды лазеров в результате химических реакций, поскольку химические связи микрочастиц (молекул) являются весьма энергоемкими.

В полупроводниковых лазерах необходимая Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсия населенности энергетических уровней достигается «чисто» технологическим путем. Электронно-дырочная структура (гомоструктура с p-n-переходом или гетероструктура) вырождена: в зоне проводимости n-области полупроводника весьма высока концентрация возбужденных электронов, в валентной зоне р-области полупроводника множество электронных состояний не заполнено и «готово» принять возбужденные электроны; однако в исходном электрическом состоянии вырожденные р- и n-области структуры разделены потенциальным барьером. При смещении полупроводникового лазера (лазерного диода) в прямом направлении возникают массовый переход возбужденных электронов в смежную р-область структуры и активная рекомбинация возбужденных микрочастиц, вызывающая интенсивное излучение фотонов.

Успешно используется электронное возбуждение полупроводниковых лазеров. Инверсия населенностей энергетических уровнейИнверсия населенности энергетических уровней обеспечивается воздействием на полупроводниковую структуру потока электронов с высокой энергией. Таким путем поверхностный слой полупроводника ионизируется.

1.12. Представить и пояснить конструкцию резонатора (интерферометра) Фабри - Перо.

Резонатор состоит из двух зеркал, размещенных параллельно и обращенных друг к другу (рис. 1.6, аРис. 1.06. Оптический резонатор Фабри - Перо в лазерной системе: а - структура резонатора; б - размещение активной среды; в - формирование лазерных колебаний). Пучки света в такой оптической системе в результате многократных отражений образуют параллельные когерентные световые потоки, перпендикулярные плоскости зеркал. Высокий коэффициент отражения света (85-98%) обеспечивают стеклянные или кварцевые пластины с зеркальным покрытием. Резонатор Фабри - ПероРезонатор Фабри - Перо является базовой конструкцией для оптических резонаторов лазеров. В реальных конструкциях предусматривается вывод лазерного излучения за пределы резонатора (через полупрозрачное зеркало).

1.13. Рассмотреть:

  • механизм возникновения и формирования оптических колебаний в лазере, построенном на базе резонатора Фабри - Перо (рис. 1.6, аРис. 1.06. Оптический резонатор Фабри - Перо в лазерной системе: а - структура резонатора; б - размещение активной среды; в - формирование лазерных колебаний);

  • действие положительной обратной связи в оптическом резонаторе лазера.

Активная средаАктивная среда размещается в оптическом резонаторе между двумя параллельными зеркалами (рис. 1.6, бРис. 1.06. Оптический резонатор Фабри - Перо в лазерной системе: а - структура резонатора; б - размещение активной среды; в - формирование лазерных колебаний). В процессе многократного усиления кванты света (фотоны) могут распространяться в различных направлениях. Однако в наиболее благоприятные условия попадает пучок фотонов, который формируется вдоль горизонтальной оси оптического резонатора перпендикулярно плоскости зеркал. Достигая одного из зеркал, такой пучок отражается, дополнительно усиливается в активной среде, снова отражается уже от другого зеркала, вновь усиливается и продолжает строго направленное движение по горизонтальной оси резонатора (рис. 1.6, вРис. 1.06. Оптический резонатор Фабри - Перо в лазерной системе: а - структура резонатора; б - размещение активной среды; в - формирование лазерных колебаний).

Оптическое излучениеОптическое излучение не только усиливается в активной среде лазера, но и в ходе развития и формирования несет определенные потери. Заметными оказываются потери на отражение от зеркал и частичный (рабочий) вывод лазерного излучения во внешнюю среду (например, через полупрозрачное зеркало). Существенны энергетические потери на возбуждение микрочастиц. В результате в оптическом резонаторе факторы усиления и ослабления фотонов выравниваются, и лазерное излучение стабилизируется на определенном энергетическом уровне.

При отражении от зеркала фотоны, следующие вдоль горизонтальной оси резонатора, остаются в общем оптическом потоке и пополняют (усиливают) его. Такая систематическая «подпитка» луча света по существу эквивалентна действию положительной обратной связи, периодически усиливающей поток фотонов и обеспечивающей устойчивую генерацию лазерного излучения.

1.2.
Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.14. Пояснить механизм автоматической фокусировки лазерного излучения в оптическом резонаторе. Сравнить в этом плане действие резонаторов с плоскими и вогнутыми зеркалами.

Волна лазерного излучения, распространяющаяся вдоль горизонтальной оси резонатора (перпендикулярно плоским зеркалам), попадает на очередное зеркало под прямым углом и отражается, не отклоняясь от горизонтальной оси; поэтому такая волна усиливается в активной среде резонатора наиболее эффективно (без дифракционных потерь). Вместе с тем даже при небольшом отклонении от горизонтальной оси резонатора оптическая волна при отражении от плоского зеркала отклоняется от оси в большей степени и за один или несколько проходов оказывается за пределами резонатора. Важно учитывать, что Резонатор Фабри - Перорезонатор Фабри - Перо является открытым и несфокусированная Оптическая волнаоптическая волна покидает его пределы без каких-либо ограничений.

Таким образом, Лазерное излучениелазерное излучение естественно (по существу автоматически) локализуется вблизи горизонтальной оси оптического резонатора. Эффективность фокусировки зависит от длины L резонатора. Угловое расхождение лазерного излучения с длиной волны λ весьма невелико для резонатора значительной длины L >>λ.

Автофокусировка лазерного излучения четко проявляется в Резонатор Фабри - Перорезонаторе Фабри - Перо с плоскими зеркалами. Более эффективную локализацию лазерного излучения обеспечивают вогнутые зеркала, которые не только сохраняют в общем потоке излучения оптические волны, распространяющиеся вдоль горизонтальной оси резонатора, но и фокусируют при отражении волны других направлений. Таким путем уменьшаются дифракционные потери лазерного излучения.

1.15. Пояснить термин «мода» применительно к оптическому резонатору лазерных колебаний.

МодаМода - определенный вид электромагнитных колебаний, которые возбуждаются, генерируются, распространяются в сложных колебательных системах (объемных резонаторах, протяженных волноводах). Формирование моды зависит от пространственной конфигурации (узловых точек, линий, поверхностей) колебательной системы.

В лазерном резонаторе Оптическое излучениеоптическое излучение многократно отражается, формируется, распространяется вдоль горизонтальной оси резонатора в виде электромагнитных (оптических) колебаний строго определенного вида - лазерной (фокусируемой, направляемой, канализируемой) моды. Такая световая волна горизонтальна, ее волновой фронт перпендикулярен направлению света, электромагнитное поле в вертикальном сечении резонатора действует как стоячая волна, собственная частота оптических колебаний строго определена и фиксирована.

1.16. Пояснить и сформулировать фазовое условие лазерной генерации, определить возможные частоты лазерных колебаний в оптическом резонаторе (рис. 1.6Рис. 1.06. Оптический резонатор Фабри - Перо в лазерной системе: а - структура резонатора; б - размещение активной среды; в - формирование лазерных колебаний).

Полагаем, что Монохроматическая волнамонохроматическая (с длиной волны λ и частотой ν=c/λ ) электромагнитная (оптическая) волна распространяется в резонаторе длиной L вдоль горизонтальной оси х. Действие обратной связи в такой системе проявляется при полном (двойном) проходе фотонов от одного (например, первого) зеркала резонатора с отражением от другого (второго) зеркала и возвращением в исходную позицию (к первому зеркалу). Обратная связь является «чисто» положительной, если оптический сигнал возвращается при полном проходе резонатора в фазе с начальным оптическим воздействием, что обеспечивается при фазовом сдвиге, кратном 2π:

где m = 1, 2, 3, ...

Для резонатора длиной L фазовое условие накладывает жесткое ограничение на длину волны λm Лазерные колебаниялазерных колебаний. Максимальная длина волны λ1 гарантирующая положительную обратную связь, получается, если две смежные полуволны оптического колебания с частотой ν1=c/λ1 строго «укладываются» в интервале 2L (при однократном, но полном, двойном обходе резонатора):

где с (как и ранее) - скорость света.

В оптическом резонаторе возможны лазерные колебания с другими (кратными) длинами волн и частотами:

где по-прежнему m - целое положительное число (1, 2, 3, ...).

Таким образом, фазовое условие «разрешает» неограниченное множество длин волн λm и соответствующих частот νm лазерных колебаний, но в строго определенном (дискретном) наборе.

1.17. Использовать закон Бугера - Ламберта - Бера ссылка на источники литературы для аналитического описания изменений оптического потока в лазерной среде.

Согласно этому закону поток Ф оптического излучения по мере распространения в определенной среде в направлении x изменяется согласно экспоненциальной функции

где начальное значение Φ0=Φ(x = 0) показатель а зависит от конкретных свойств среды.

Для активной (лазерной) среды оптического резонатора существенны два фактора. Усиление Оптическое излучениеоптического излучения с коэффициентом k (ΔN, ν) достигается благодаря Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсии населенностей ΔN = N2 - N1 когда концентрация N2 возбужденных микрочастиц на верхнем энергетическом уровне E2 превосходит концентрацию N1 на нижнем энергетическом уровне E1. Коэффициент усиления k существенно зависит от частоты ν распространяющегося оптического излучения.

Одновременно в лазерной среде действуют факторы и процессы, определяющие частичное поглощение потока света (что отмечено в 1.13.). При равномерном поглощении потока света по всей лазерной структуре потери излучения можно оценивать постоянным коэффициентом α

Таким образом, закон Бугера - Ламберта - Бера применительно к лазерной среде можно представить в форме

1.18. Пояснить и сформулировать амплитудное условие лазерной генерации в оптическом резонаторе (рис. 1.6Рис. 1.06. Оптический резонатор Фабри - Перо в лазерной системе: а - структура резонатора; б - размещение активной среды; в - формирование лазерных колебаний).

В замкнутой системе (рис. 1.7Рис. 1.07. Модель генерации лазерных колебаний), содержащей канал прямой связи с усилителем К и цепь положительной обратной связи γ, систематическая генерация колебаний возможна лишь при обеспечении баланса амплитуд:

Для Резонатор Фабри - Перорезонатора Фабри - Перо с активной средой можно в первом приближении использовать такую же модель, учитывая для определенности, что каналом прямой оптической связи служит активная среда при распространении Электромагнитная волнаэлектромагнитной волны от первого до второго зеркала, а цепь и сигнал обратной связи формируются при обратном движении той же электромагнитной волны от второго зеркала к первому. В таком резонаторе каналы прямой и обратной связи, по существу, однотипны и равноценны, а изменение оптического потока Ф при полном (двойном) обходе резонатора длиной L согласно оценивается соотношением

Важно, однако, учитывать потери на неполное отражение оптической волны от первого зеркала (с коэффициентом отражения ρ1< 1) и от второго зеркала (с коэффициентом ρ2< 1). С учетом этого фактора и соотношения () записываем амплитудное условие лазерной генерации по аналогии с условием () в виде

Выполнение условия возможно, если усиление Оптическое излучениеоптического излучения в активной среде резонатора

Поскольку ρ1ρ2< 1 логарифмическая составляющая потерь на неполное отражение имеет положительный знак (увеличивает суммарные потери света в резонаторе).

1.19. Пояснить зависимость коэффициента усиления k (ΔN, ν) оптической волны в активной среде резонатора от инверсии населенностей ΔN и частоты ν до (на грани) возникновения лазерных колебаний.

Такая зависимость непосредственно влияет на возможность одновременного выполнения фазового и амплитудного условий лазерной генерации.

В первую очередь подчеркнем, что до (на грани) возникновения лазерных колебаний излучение в активной среде Резонатор Фабри - Перооптического резонатора является «чисто» спонтанным (самопроизвольным, невынужденным). Поэтому частотная зависимость коэффициента усиления k (ν) определяется спектром нелазерного (спонтанного) излучения активной среды, который имеет четко выраженную, но не очень резкую частотную избирательность (рис. 1.8Рис. 1.08. Зависимость коэффициента усиления оптической волны от инверсии населенностей и частоты). Пик такого излучения согласно () приходится на частоту . Например, активная среда полупроводникового лазера (лазерного диода) до возбуждения лазерных колебаний генерирует спонтанное излучение и действует, по существу, как светодиод.

Коэффициент усиления Активная средаактивной среды удается увеличить внешней накачкой, создавая большую инверсию населенностей ΔN2>ΔN1 что объясняет зависимость k (ΔN) и отражено на рис. 1.8.Рис. 1.08. Зависимость коэффициента усиления оптической волны от инверсии населенностей и частоты

1.20. Совместить амплитудное и фазовое условия возбуждения, определить частотный спектр лазерных колебаний.

Иллюстрируя выполнение амплитудного условия возбуждения лазерных колебаний, используем частотную зависимость (рис. 1.9Рис. 1.09. Определение частотного спектра лазерных колебаний) коэффициента усиления k (ν) при ΔN = const, подобную кривым, представленным на рис. 1.8Рис. 1.08. Зависимость коэффициента усиления оптической волны от инверсии населенностей и частоты, и неравенство (). Суммарные потери излучения во внутренней (регенерационной) среде лазера определяет коэффициент

Уровень k = α показан на рис. 1.9Рис. 1.09. Определение частотного спектра лазерных колебаний горизонтальной линией, пересекающей зависимость k(ν) в двух точках а и b, соответствующих частотам νa и νb . Только в диапазоне частот νa <ν<νb амплитудное условие возбуждения () выполняется и лазерная структура генерирует вынужденное (стимулированное) излучение.

Диапазон частот νa ...νb ограничивает частотный спектр лазерных колебаний. Однако конкретные частоты этого спектра согласно жестко фиксированы фазовым условием () возбуждения Лазерные колебаниялазерных колебаний. В примере (рис. 1.9Рис. 1.09. Определение частотного спектра лазерных колебаний) в разрешенном диапазоне νa ...νb возникают лазерные колебания семи строго определенных частот νn ...νn+6.

1.21. Выделить факторы, ограничивающие развитие лазерных колебаний в оптическом резонаторе ссылка на источники литературы.

Для возбуждения лазерных колебаний важно, чтобы коэффициент усиления k активной среды заметно превышал суммарные потери: k >α*. При сохранении этого неравенства амплитуда (интенсивность, мощность) лазерных колебаний в резонаторе непрерывно нарастает. Ограничение, стабилизация энергетических параметров лазерного излучения достигаются, если факторы усиления и потерь выравниваются:

Условие обеспечивается по двум каналам: по мере развития Лазерные колебаниялазерных колебаний снижается коэффициент усиления k и увеличиваются суммарные потери α*.

Потери лазерного излучения в Резонатор Фабри - Перооптических резонаторах возникают и возрастают в силу ряда существенных факторов и причин. Выделим, в первую очередь, поглощение и рассеяние излучения в лазерной среде. Механизм таких потерь заключается в поглощении лазерного излучения атомами вещества при их переходе с уровней, возбужденных в процессе накачки, на вышележащие уровни. В твердотельных лазерах особенно существенно рассеяние на неоднородностях и дефектах.

Вторую группу составляют дифракционные потери. Существенно, что энергия распространяющихся Модамод распределяется на некотором расстоянии от оси резонатора. Если резонатор формирует пучок путем «захвата» его между зеркалами, то при конечных размерах зеркал часть энергии лазерного излучения окажется вне отражающих поверхностей зеркал и будет потеряна. Для зеркал определенного (заданного) размера дифракционные потери больше для поперечных мод с высокими индексами, так как энергия таких мод сконцентрирована дальше от оси резонатора. Такие потери существенно уменьшаются при замене плоскопараллельных зеркал вогнутыми (сферическими).

Третью группу определяют потери, возникающие из-за неполного отражения Оптическое излучение оптического излучения от зеркал Резонатор Фабри - Перорезонатора. Такие потери неизбежны, поскольку часть энергии в объеме лазера необходимо выводить через зеркала во внешнюю среду (в виде выходного излучения лазера). К тому же даже технически совершенные зеркала реального оптического резонатора не имеют 100%-ного коэффициента отражения, частично поглощая и рассеивая падающее излучение.

1.22. Определить и сформулировать показатель качества «добротность» оптического резонатора; выделить факторы, определяющие и ограничивающие добротность лазера ссылка на источники литературы.

Резонатор Фабри - ПероОптические резонаторы, так же как их радиочастотные и микроволновые аналоги, генерируют (запасают) значительную энергию электромагнитного поля при небольшой входной мощности. Универсальным показателем, характеризующим это свойство, является добротность Q резонатора.

Добротность колебательной системыДобротность колебательной системы определяется отношением энергии Wk, запасенной в резонаторе, к энергии Wπ = PπT0, теряемой в системе за один период колебаний T0=1/(2πν0), следующих с резонансной частотой (модой) ν0

здесь ρπ - теряемая (рассеиваемая) мощность. В добротной системе потери энергии за одно колебание весьма невелики.

Рассеиваемая мощность ρπ уменьшает энергию ρπ уменьшает энергию Wkπ = –dWk/dt. Суммарные относительные потери β* = α*L энергии Wk в оптическом резонаторе длиной L определяются в процессе обхода резонатора со скоростью света c/n (где n - коэффициент преломления активной среды резонатора). В этой ситуации мощность потерь . Таким образом, добротность Q по определению формулируется для оптического резонатора лазера в виде

или с учетом соотношения λ0 = c/ (nν0) в компактной форме

Например, в варианте α* = 0,1 м-1, λ0 = 1 мкм добротность оптического резонатора Q = 63 000 000, а в естественном диапазоне α* = 0,01 - 0,3 м-1, λ0 = 0,5 - 3 мкм составляет (7-1250) × 106. Для сравнения укажем, что добротность радиочастотного колебательного LC-контура составляет 30-100, камертона - 10 000, кварцевого резонатора - 100 000, объемного резонатора СВЧ-колебаний - 100-100 000.

Отметим также, что в оптическом резонаторе может возбуждаться большое число Модамод с различными пространственными характеристиками, причем в закрытом резонаторе добротность всех этих мод примерно одинакова. Этот существенный недостаток не характерен для открытых оптических резонаторов с двумя плоскими или вогнутыми зеркалами. В таких резонаторах излучение большинства мод попадает на зеркала не под прямым углом и отклоняется от горизонтальной оси, так что энергия мод теряется за один-два прохода. При этом энергия нескольких оставшихся мод локализуется около оси резонатора, сохраняя высокую энергию колебаний.

1.23. Оценить частотную избирательность лазера, ограниченную добротностью Q оптического резонатора.

Добротная колебательная система обеспечивает высокую энергию и амплитуду колебаний в весьма узкой окрестности резонансной циклической частоты ω0 (рис. 1.10Рис. 1.10. Частотная избирательность оптического резонатора). Ширина резонансной кривой Δω определяется по уровню 0,7(1/) амплитуды колебаний. При этом Добротность колебательной системыдобротность

а ширина резонансной кривой

в окрестности циклической частоты ω0

и

в окрестности частоты ν0 = ω0/(2π).

Например, для оптического резонатора с добротностью Q = 108, генерирующего монохроматические колебания с длиной волны λ0 = 1 мкм и частотой ν0 = c/λ0 = 3 ×1014 Гц, спад амплитуды колебаний на 30% происходит в весьма (относительно) узком диапазоне частот ν = ν0 ± 1,5 МГц.

1.24. Составить представление о характере распространения и естественной расходимости лазерного излучения в оптическом резонаторе.

Такое представление можно получить ссылка на источники литературы, рассматривая конфокальный резонатор с двумя сферическими зеркалами 1 и 2 одинакового радиуса (рис. 1.11Рис. 1.11. Расходимость лазерного излучения в оптическом резонаторе). На рисунке показано, что лазерный пучок имеет минимальный диаметр в центре пучка лазерного излучения. К границам (зеркалам) оптического резонатора лазерный пучок заметно расходится. Этот фактор оценивается углом θ, вершина которого находится в плоскости перетяжки, а раствор угла фиксируется на границах оптического резонатора. Расходимость лазерного пучка минимальна для основной моды (гауссова пучка) лазерного излучения.

1.25. Оценить степень направленности (угол расходимости) лазерного излучения.

В оптических резонаторах обеспечивается автоматическая Фокусировка лазерного излученияфокусировка лазерного излучения (см. ); поэтому Направленность лазерного излучениястепень направленности лазерного пучка оказывается весьма высокой. Однако угол расходимости θ лазерного излучения зависит от ряда факторов, включая параметры (диаметр D и форму зеркал, длину L) резонатора и длину волны λ лазерного излучения (Модамоды).

Принципиально важной является расходимость лазерного пучка из-за дифракции. Даже в технически совершенных лазерных системах нижний (дифракционный) предел расходимости лазерного излучения имеет определенную (заметную) величину ссылка на источники литературы

Коэффициент K (порядка единицы) для однородных лазерных пучков равен 1, 22, а для гауссовых пучков бесконечной протяженности K = 2/π. Существенным в соотношении оказывается диаметр D зеркал оптического резонатора. Практически полезной является приближенная оценка угла расходимости

При λ = 1 мкм и D = 1 см угол θ = 0,2 мрад.

Для лазеров значительной длины (в первую очередь газовых лазеров) угол расходимости θ лазерного излучения оценивается с использованием известного соотношения ссылка на источники литературы.

Определяющим в этом случае является соотношение λ/L. Если λ = 1 мкм, L = 30 см, то θ = 1,5 мрад.

В конфокальном резонаторе, состоящем из двух сферических зеркал, пучок лазерного излучения имеет сложную структуру, а угол его расходимости оценивается соотношением

где χ - коэффициент, зависящий (в пределах 1,5-6) от формы зеркал и типа колебаний. Для такой системы в уже принятом варианте (λ = 1 мкм, L = 30 см) угол расходимости θ = 3-10 мрад.

1.3.
Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

1.26. Пояснить существование порога возбуждения лазерных колебаний.

Согласно амплитудному условию возбуждение Лазерные колебаниялазерных колебаний в оптическом резонаторе возможно лишь при достаточно большом усилении k активной среды, превосходящем (компенсирующем) суммарные потери α* излучения в резонаторе. Если коэффициент k меньше потерь α* (рис. 1.9Рис. 1.09. Определение частотного спектра лазерных колебаний), то лазерные колебания не возбуждаются.

Коэффициент усиления k зависит от Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсии населенностей ΔN =N2 - N2 и относительно невелик при небольших значениях ΔN. Увеличение коэффициента усиления k(ΔN), преодоление порога и возбуждение лазерных колебаний достигаются интенсивной накачкой активной среды и существенным увеличением инверсии населенностей ΔN до порогового значения ΔN*.

1.27. Оценить пороговое значение мощности, необходимой для возбуждения лазерных колебаний.

Рассматривая для определенности трехуровневую лазерную систему (рис. 1.4, аРис. 1.04. Стимулированное излучение фотонов в трехуровневых (а) и четырехуровневых (б) квантовых системах), отметим, в первую очередь, что для возбуждения лазерных колебаний необходимо создать инверсию населенностей ΔN = N2 - N2, превышающую пороговое значение ΔN*. Для этого требуется определенная энергия

которая зависит от энергии возбуждения микрочастиц hν = E3 - E1 (для перевода на более высокий энергетический уровень E3) и общего (порогового) числа возбуждаемых микрочастиц ΔN*V в объеме V активной области лазера.

Далее возбужденные микрочастицы весьма быстро переходят на энергетический уровень E2, где находятся (накапливаются) в течение интервала Δt2&nbso;– времени жизни возбужденных носителей заряда на уровне E2. За это время путем внешней накачки необходимо сообщить активной среде лазера критическую (пороговую) энергию W*. Таким образом, пороговое значение мощности, необходимой для возбуждения лазерных колебаний, определяется соотношением

1.28. Определить зависимость мощности лазерных колебаний от скорости и мощности накачки Активная средаактивной среды лазера.

Скорость накачки R = ΔN/Δt определяет избыточную плотность (инверсию населенностей) ΔN, создаваемую в интервале времени Δt. Пороговая скорость накачки R* = ΔN*/Δt2t2, где, как и ранее, Δt2 - время жизни возбужденных микрочастиц на энергетическом уровне E2. Если скорость накачки R превышает пороговое значение R*, то лазер начинает генерировать и излучать энергию Pген.

Анализ показывает, что на этой стадии (выше порога возбуждения) мощность лазерных колебаний определяется соотношением

т.е. линейно связана со скоростью R внешней накачки.

Мощность, поступающая в активную среду лазера,

пропорциональна скорости накачки R и, в первом приближении, линейно зависит от мощности Pвх внешней накачки. Поэтому зависимость с учетом можно записать в форме

отражающей линейную зависимость мощности Pген Лазерное излучениелазерного излучения от мощности Pвх внешней накачки выше порога Pвх*.

Эта зависимость, иллюстрируемая рис. 1.12Рис. 1.12. Зависимость мощности лазерных колебаний от мощности накачки, характерна для лазеров различного типа и назначения.

1.29. Определить зависимость выходной мощности лазера от коэффициентов пропускания отражающих зеркал оптического резонатора ссылка на источники литературы.

Выходная мощность лазераВыходная мощность Pвых лазера выводится через частично прозрачные зеркала оптического резонатора; доля этой мощности зависит от коэффициентов пропускания τ1 = 1 - ρ2 первого зеркала и τ2 = 1 - ρ2 второго зеркала. Эти потери лазерного излучения в оптическом резонаторе являются полезными, но затрудняют возбуждение лазерных колебаний.

Возможны два крайних варианта. Если коэффициенты пропускания τ1, τ2  0, то порог возбуждения лазерных колебаний минимален, но мощность лазера не выводится из резонатора (Pвых  0). При существенном повышении прозрачности зеркал и, как следствие, коэффициентов t1, t2 растут потери лазерного излучения в резонаторе и колебания срываются; в этом случае также Pвых = 0.

Очевидно, что зависимость Pвых = φ( τ) имеет четко выраженный максимум. При этом определенную роль играют внутренние потери А в активной среде резонатора. Варианты зависимости Pвых = φ( τ) в конкретном случае t1 = τ (первое зеркало частично прозрачно), t2 =0 (второе зеркало непрозрачно) представлены на рис. 1.13Рис. 1.13. Зависимость выходной мощности Рвых лазера от коэффициентов пропускания т зеркал резонатора для различных значений внутренних потерь Ai  в гелий-неоновом лазере с l = 6928 нм. . Если внутренние потери А = A1 значительны, то максимальная мощность Pвых относительно невелика, а колебания срываются при меньшем значении τ. Уменьшение внутренних потерь до уровня A2<A1 позволяет увеличить коэффициент пропускания τ и, как следствие, максимальную мощность Pвых.

1.30. Указать и пояснить режимы действия лазеров; выделить условия реализации импульсного режима.

В качестве базового режима действия Лазерлазера обычно рассматривается систематическая внешняя накачка активной среды оптического резонатора и дальнейшее почти синхронное формирование выходного импульса лазерного излучения. При этом длительность Δτн(~ 1 мс) импульса накачки и длительность Δτл лазерного импульса почти одинаковы. Указанные особенности характерны для режима свободной генерации или непрерывного действия лазера.

Новые энергетические и технические возможности достигаются переводом лазера в импульсный режим действия, позволяющий формировать интенсивные и кратковременные лазерные импульсы. Такой режим обеспечивается методом модулированной добротности. С этой целью Добротность колебательной системыдобротность Q оптического резонатора в начале процесса накачки искусственно (определенными техническими приемами) резко уменьшается, что существенно увеличивает порог возбуждения лазерных колебаний и генерация не возникает. Как только инверсия населенностей ΔN = N2 - N1 путем интенсивной накачки достигает заданного (максимального) уровня, добротность резонатора весьма быстро восстанавливается до исходного высокого значения. Порог возбуждения Лазерные колебаниялазерных колебаний эффективно преодолевается, и большая часть энергии, запасенной возбужденными микрочастицами, превращается в фотоны и высвечивается в форме кратковременного импульса света. На заключительной стадии процесса энергия лазерного излучения (Модамоды) постепенно (без дополнительной накачки или подпитки) угасает (за характерное время жизни фотонов) и лазерный импульс заканчивается.

1.31. Рассмотреть технические средства реализации импульсного режима действия лазеров.

Первым техническим средством может служить оптический затвор, который размещается в резонаторе Лазерлазера (например, между зеркалом и активной средой). Такой управляемый (например, электрооптический) элемент в процессе накачки закрыт, надежно перекрывает оптический канал резонатора и исключает возникновение лазерных колебаний. Управляемый оптический затвор весьма быстро открывается, как только инверсия населенностей в активной среде достигает максимального уровня.

Во втором техническом варианте в оптический резонатор лазера вводится обесцвечивающийся краситель, меняющий прозрачность при воздействии света. На начальной стадии накачки, когда интенсивность генерируемого оптического излучения невелика, краситель (поглотитель) вносит дополнительные потери в оптический резонатор, исключая возбуждение и генерацию Лазерные колебаниялазерных колебаний. При интенсивной накачке поглотитель просветляется, затвор-краситель автоматически выключается, что гарантирует интенсивное возбуждение лазерных колебаний.

В третьем техническом варианте одно из зеркал резонатора или призма, заменяющая одно из таких зеркал, вращаются синхронно с импульсами накачки. Только в кратковременном временном интервале, когда оптические элементы (зеркала, призмы) резонатора располагаются параллельно, лазерные колебания возбуждаются и генерируются (в импульсном режиме).

1.32. Выделить физические факторы, оценить характер и длительность спада оптического излучения в импульсном режиме действия лазера.

Полагаем, что в момент t = t0 импульс Лазерное излучениелазерного излучения достигает максимального (амплитудного) уровня. Далее в процессе движения фотонов в объеме оптического резонатора и в ходе многократных (неполных) отражений от зеркал лазерное излучение (не имеющее подпитки за счет внешней накачки) непрерывно ослабевает (угасает). В первом приближении спад энергии Wk такого излучения происходит со скоростью

по экспоненте

В представленных соотношениях постоянная времени τΦ постепенного уменьшения энергии оптического излучения Wk(t) часто рассматривается как время жизни фотона в объеме оптического резонатора. В рамках уже получено соотношение

С учетом этой связи время жизни фотона

где (как и ранее) α* - суммарные (относительные) потери лазерного излучения в оптическом резонаторе (на единицу длины), с - скорость света, n - коэффициент преломления активной среды.

Если α* = 0,2 м-1, n = 1, то с учетом с = 3 ×108 м/с получаем, что постоянная τΦ = 17 нс.

1.33. Оценить уровни энергии и мощности оптического излучения, генерируемого в импульсном режиме действия лазера.

Анализ ссылка на источники литературы и экспериментальные данные ссылка на источники литературы показывают, что энергия лазерного импульса наносекундной длительности составляет десятки джоулей, что соответствует пиковой мощности, достигающей 1010 Вт. Такие исключительно мощные импульсы лазерного излучения принято называть гигантскими.

1.34. Рассмотреть изменение амплитуды электромагнитного поля (интенсивности) по сечению основной моды лазерного (гауссова) пучка ссылка на источники литературы.

Лазерный пучокЛазерный пучок генерируется и распространяется как плоская волна электромагнитного излучения. Однако распределение интенсивности излучения по сечению такой волны неодинаково (неоднородно). Наибольшего значения интенсивность достигает на оси распространения (при отклонении или радиусе r = 0), а по мере удаления r зоны (кольца) лазерного пучка от этой оси резко спадает.

При излучении на основной Модамоде изменение амплитуды электромагнитного поля E(r) лазерного (гауссова) пучка в любом поперечном сечении описывается гауссовой экспонентой

представленной на рис. 1.14.Рис. 1.14. Изменение амплитуды электромагнитного поля в поперечном сечении лазерного (гауссова) пучка Ширина такого лазерного пучка характеризуется его эффективным радиусом. На расстоянии r = w амплитуда электромагнитного поля E(r) уменьшается в е раз по сравнению с максимальной амплитудой E0 на оси пучка (при r = 0).

1.35. Иллюстрировать физические процессы и технические эффекты воздействия мощного лазерного излучения на поглощающую поверхность вещества (материала) ссылка на источники литературы.

Рассматривая энергетические возможности Лазерное излучениелазерного излучения, выделим ряд характерных процессов и эффектов (рис. 1.15Рис. 1.15. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность вещества (металла)). Лазерное излучение с интенсивностью I0 падает на поверхность материала и поглощается (с минимальными потерями на отражение) по закону Бугера - Ламберта - Бера

Здесь I(x) - интенсивность лазерного излучения, проникающего на глубину х; а - коэффициент поглощения. Например, в материалах а ~ 105 cм-1; поэтому в металлическом слое толщиной 0,1 мкм интенсивность I0 уменьшается почти в три раза и лазерное излучение в основном поглощается.

Выделенное тепло по мере повышения мощности обеспечивает нагревание (рис. 1.15, аРис. 1.15. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность вещества (металла)), плавление (рис. 1.15, бРис. 1.15. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность вещества (металла)), испарение (рис. 1.15, вРис. 1.15. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность вещества (металла)) и образование плазмы (рис. 1.15, гРис. 1.15. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность вещества (металла)). Представленные стадии и эффекты лишь иллюстрируют богатые энергетические возможности лазерного излучения при непосредственном воздействии на вещества и среды.

© Центр дистанционного образования МГУП