ПРЕИМУЩЕСТВА ЛАЗЕРОВ

Лазеры как источники излучения обладают следующими преимуществами:

1) лазеры дают весьма монохроматическое когерентное излучение.

Напомним, что монохроматичность и когерентность излучения взаимосвязаны. Если в данную точку приходят два цуга волн одинаковой

частоты и плоскости поляризации, то в течение короткого времени пока в этой точке существуют обе волны, их можно полагать когерентными, так как в течение этого времени результат их интерференции изменяться не будет. Некогерентность таких ограниченных цугов волн проявляется в том, что в следующие промежутки времени через ту же точку проходят уже другие цуги волн с иной разностью фаз и, следовательно, с иным результатом интерференции. Поэтому чем длиннее цуги волн, тем в большей степени (в течение большего времени) они будут когерентны. Совершенно когерентными будут бесконечно длинные, т. е. гармонические, волны. С другой стороны, короткие цуги волн не являются монохроматическими; если их разложить на гармонические составляющие, то получается широкая спектральная линия, содержащая непрерывный интервал частот тем больший, чем короче волн. Длинные цуги волн имеют малые и поэтому являются более монохроматическими. Таким образом, чем больше степень когерентности излучения (т. е. длиннее цуги испускаемых волн), тем более монохроматическим является это излучение; бесконечная гармоническая волна является идеально когерентной и одновременно идеально монохроматической. Следовательно, всякое устройство, которое обеспечивает (повышает) когерентность излучения, способствует также монохроматизации этого излучения (уменьшению разброса частот в пределах спектральных линий). Заметим кстати, что при импульсном режиме работы лазера, когда электромагнитная волна прерывается, излучение получается менее когерентным, чем при непрерывном режиме;

2) мощность излучения лазеров весьма велика. Например, если рубиновый стержень получил от лампы при импульсной накачке энергию и высветился за то поток излучения будет равен

При помощи линз можно сфокусировать это излучение на небольшой площадке и получить на ней колоссальные концентрации мощности; например, если диаметр фокального пятна равен то и

При такой концентрации мощности (энергетической освещенности) можно произвести почти мгновенные процессы в различных телах. Однако не следует забывать, что энергия, содержащаяся в излучении лазера, все же невелика, поэтому процессы, требующие большой затраты энергии, не могут быть осуществлены излучением, не содержащим этой энергии, как бы ни были велики поток излучения или концентрации мощности на площади или в объеме. Очевидно, необходимую энергию можно получить, увеличивая размеры лазера, повторяя импульсные выбросы лучистой энергии с большой частотой либо используя лазеры непрерывного действия. Таким образом, лазер работает

как прибор, концентрирующий поступающую извне и разбросанную во времени энергию;

3) напряженности электрического и магнитного полей в лазерной волне весьма велики. Если, например, в солнечном свете , то в излучении лазера средней мощности напряженность достигает десятков и сотен киловольт на сантиметр. Расчет производится следующим образом: допустим, что из рубинового стержня за время с выходит поток излучения с сечением и мощностью . В объеме (с — скорость света) будет содержаться энергия . Так как плотность энергии в электромагнитной волне

то

Следовательно, лазерный луч может осуществить процессы, требующие больших напряженностей электрического и магнитного полей;

4) направленность излучения лазеров может быть сделана очень точной (угловое расхождение в пучке — очень малым).

Если зеркала лазера строго параллельны, то лазерный луч будет представлять собою плоскую волну. Дифракция этой волны на круглом отверстии (торец рубинового стержня) диаметра дает угловое расхождение для пятна Эйри (см. § 5)

Рис. IV.98

При рад, или около 0,75 мин Если воспользоваться двумя линзами (рис. IV.98), то можно увеличить диаметр лазерного пучка до 10 раз и получить угол расхождения порядка нескольких секунд. При такой направленности лазерного излучения пятно, образованное на Луне имело бы радиус

Заметим, что при использовании коротковолновых радиоволн, например см, для получения пятна таких размеров понадобилось бы фокусирующее зеркало диаметром около

5) спектральная плотность энергетической светимости в излучении лазеров значительно превосходит соответствующую плотность спонтанного излучения, а также теплового излучения при той же температуре. Например, в рубиновом лазере атомы хрома излучают волну с разбросом, равным при спонтанных переходах в лазерном режиме

Следовательно, одна и та же мощность спектральной линии в лазерном режиме приходится на интервал длин волн, в 270 раз меньший, чем при спонтанном излучении; поэтому яркость лазерной спектральной линии будет во столько же раз больше.

Если лазерное устройство предназначено для получения когерентного излучения, то его качество может быть оценено по содержанию в этом излучении некогерентных волн. Кроме вынужденных переходов в активной среде лазера происходят также и спонтанные переходы. Та часть излучения, которая приходится на долю спонтанных переходов, является некогерентной и должна рассматриваться как помеха по отношению к основному когерентному излучению; эту часть излучения называют шумом (термин, принятый в радиотехнике). Характеристикой когерентного источника света является отношение интенсивности шума к интенсивности «упорядоченного» когерентного излучения. С этой точки зрения тепловые источники света являются генераторами шумов в широкой области спектра. Радиотехнические генераторы электромагнитных волн имеют малый уровень шумов, благодаря чему возможна передача обширной информации при помощи модуляции и демодуляции этих волн;

6) коэффициент полезного действия лазеров, использующих различные «активные» вещества, колеблется в широких пределах: от долей процента до значений, приближающихся к 100%.

К. п. д. газового лазера на гелии и неоне очень мал (около 1%). Более высокий к. п. д. (до 10%) получен у газового лазера, содержащего смесь углекислого газа с азотом (иногда с небольшой примесью гелия). В газе вызывается электрический разряд, при котором энергия электронов оказывается достаточной для перевода молекул азота на низший колебательный уровень Однако для атомов азота переход с этого уровня на основной с испусканием фотона запрещен (имеет очень малую вероятность реализации), но возможна безызлучательная передача энергии молекулам при тепловых столкновениях; эта передача облегчена тем, что энергия мало отличается от энергии, необходимой для возбуждения молекул на «лазерный уровень» . У молекул имеются еще и другие, более низкие уровни энергии; существенно, что они освобождаются значительно быстрее, чем уровень Ел (вследствие столкновений с невозбужденными молекулами и переходом энергии возбуждения в теплоту). Таким образом, у молекул верхние уровни (и в том числе главный уровень ) оказываются более заполненными по сравнению с низшими уровнями, что обеспечивает возможность появления лазерного эффекта. Большим преимуществом лазеров на углекислом газе является (кроме высокого к. п. д.) возможность получения больших мощностей.

Полупроводниковые лазеры имеют к. п. д., близкий к 100%. Это особенно ценно в приборах, где используются миниатюрные лазеры (полупроводниковые лазеры имеют активный слой толщиной в несколько микрон, а сам кристалл может иметь размеры порядка Недостатком полупроводниковых лазеров по сравнению с газовыми является большая «размытость» спектральных линий. Даже если (для устранения «шумов») поместить лазер на арсениде галлия в

термостат с температурой жидкого азота то излучаемая им линия имеет ширину размытость линии в газовых лазерах эта величина значительно меньше и менее).