8.1.3. Главные конструктивные характеристики лазеров для голографии

Твердотельные лазеры, используемые в голографии, характеризуются высокой степенью пространственной и временной когерентности. Способность лазера излучать два импульса с коротким промежутком между ними также оказывается полезной для некоторых целей голографии. С целью получения больших голограмм с высоким разрешением желательно иметь опорный пучок с высокой степенью пространственной когерентности. Временная когерентность лазера определяет глубину объекта или сцены, которую может обеспечить голограмма. Способность к формированию двойного импульса существенна для некоторых применений при проведении неразрушающего контроля. Обычно две голограммы регистрируются на одну и ту же пластинку с интервалом между экспозициями Любое возмущение испытуемого объекта в течение этого интервала будет обнаружено по интерференционным полосам на дважды экспонированной фотопластинке. Метод двух экспозиций позволяет применить голографию для анализа напряжения, распространения удара, изучения вибраций и визуализации полета снаряда в воздухе. Более подробно эти применения рассматриваются в § 10.4.

8.1.3.1. Пространственная когерентность

Накачка лазерного стержня диаметром помещенного в типовой лазерный резонатор длиной 50—100 см, вызовет большое число поперечных мод, которые генерируют одновременно по диаметру стержня. Поскольку частоты генерации поперечных мод не связаны друг с другом, пространственная когерентность выходного излучения оказывается очень низкой. За счет введения в резонатор апертуры диаметром около лазер можно заставить работать в режиме моды. Работа лазера в одномодовом режиме приводит к гауссову распределению интенсивности по поперечному сечению пучка и однофазному волновому фронту.

8.1.3.2. Временная когерентность

Если в лазере не предусмотрены какие-либо элементы для селекции аксиальных мод резонатора, то спектр выходного излучения будет содержать большое число дискретных частот, определяемых продольными модами. Ширина линии лазерного излучения ограничивает число мод, которые имеют коэффициент усиления, достаточный для генерации.

Рис. 2. Схематическое представление спектрального распределения мощности выходного излучения лазера без селекции мод. а — в оптическом резонаторе; б - в излучении флуоресценции активной среды; в — в выходном излучении лазера; ширина спектра флуоресценции; ширина спектра излучения лезера.

Эта ситуация схематически представлена на рис. 2, на котором показаны резонансные частоты оптического резонатора и линии флуоресценции активной среды. Излучение лазера происходит на тех длинах волн, для которых произведение усиления лазерного излучения на коэффициент отражения зеркал превышает единицу. В идеализированном примере показано, что лазер должен генерировать 27 аксиальных мод.

Разделение по длинам волн двух смежных продольных мод определяется выражением

где оптическая длина резонатора. При см и получаем В зависимости от уровня накачки

рубинового и мы находим, что ширина линии излучения лазера без селекции мод составляет приблизительно Следовательно, эти лазеры генерируют обычно около 100—150 продольных мод.

Длина временной когерентности лазера сильно зависит от числа продольных мод, которые могут генерировать одновременно. Определим длину когерентности как разность путей, при которой видность интерференционных линий в интерферометре Майкельсона уменьшается в раз; тогда

где число продольных мод.

Длина когерентности одномодового лазера дается выражением

где длина резонатора, коэффициент отражения переднего зеркала (в предположении, что Выходной импульс излучения с одной аксиальной модой от рубинового лазера с длиной резонатора 75 см и коэффициентом отражения переднего зеркала будет иметь длину когерентности

Управление шириной линии. Помещая в основной резонатор дополнительные отражающие поверхности, можно отселектировать большинство аксиальных мод. Если между зеркалами резонатора поместить интерферометр Фабри — Перо, то это вызовет сильную амплитудную модуляцию близко расположенных друг к другу пиков отражения основного лазерного излучения, что в свою очередь будет препятствовать достижению порога генерации для большинства мод.

Роль резонансных приборов, применяемых для интерферометрической селекции мод, заключается в обеспечении сильной обратной связи на отдельной длине волны вблизи центра линии флуоресценции и одновременно подавлении излучения на соседних длинах волн. Например, можно существенно уменьшить число генерируемых мод, заменяя стандартное переднее зеркало с диэлектрическим покрытием на однопластинчатый резонансный отражатель.

Резонансные отражатели, содержащие две, три или четыре пластины, имеют пики отражения, более узкие по сравнению с пиками отражения одиночного однопластинчатого сапфирового эталона. Это делает резонансный рефлектор лучшим селектором мод. Толщина эталонов, изготовленных из кварца или сапфира, составляет что гарантирует достаточно большое спектральное разделение максимумов отражения в пределах кривой флуоресценции, а значит, генерация излучения может произойти только в одном пике отражения. Для того чтобы достичь сужения главного пика,

промежуток между эталонами в многопластинчатых резонаторах делают в пределах 20-25 мм.

Зависимость коэффициента отражения идеального резонатора от длины волны представляет собой очень узкие пики, разделенные друг от друга большим расстоянием. Комбинируя различные методы селекции мод, такие, как добавление в резонатор многопластинчатого отражателя, использование режима работы вблизи порога генерации, применение модулятора добротности на насыщающемся поглотителе или модулятора добротности на ячейке Поккельса с очень медленным временем нарастания импульса, можно получить излучение рубинового лазера на одной аксиальной моде.

Селекция мод значительно улучшается при работе вблизи порога генерации и применении модулятора добротности, который позволяет получить в резонаторе большое число полных проходов.

Селекция продольных мод в лазере происходит в то время, когда световой импульс постепенно нарастает из шума. В течение времени формирования светового импульса моды, которые имеют более высокое усиление или меньшие потери, будут возрастать по амплитуде быстрее, чем другие моды. Это различие по амплитудам между двумя модами становится тем больше, чем больше число полных проходов в резонаторе. Следовательно, для хорошей селекции мод при данном различии в потерях между ними важно обеспечить как можно больше полных проходов света в резонаторе.

В лазере с модуляцией добротности на красителе импульс излучения формируется дольше, чем, например, в системе с модуляцией добротности на ячейке Поккельса. Однако в некоторых случаях модулятор добротности на ячейке Поккельса может действовать таким образом, что время формирования светового импульса в нем увеличится за счет увеличения времени нарастания или при работе модулятора в две ступени.

8.1.3.3. Многоимпульсный режим

Методы извлечения многих световых импульсов из рубинового лазера зависят от величины временного промежутка между импульсами.

а. Время между импульсами 1 мкс - 1 мс. Такой временной интервал оказывается наиболее широко применяемым в двухэкспозиционной голографии. Выходное излучение от стандартной одно-импульсной системы получают за счет модуляции добротности лазера дважды за период накачки. Наибольшее достижимое разделение световых импульсов определяется длительностью импульса свечения лампы-вспышки. Кратчайший временной интервал определяется временем переключения (осуществляемого электронным устройством) ячейки Поккельса и временем формирования импульса

с модулированной добротностью. Применение лазера для двухэкспозиционной голографии требует, чтобы энергии обоих световых импульсов были одинаковы. Этого можно достичь регулированием задержки между моментом поджига лампы-вспышки и импульсом с модулированной добротностью, регулировкой напряжения на ячейке Поккельса и выбором энергии, потребляемой лампой. Изменяя один или все эти параметры, можно получить одинаковые энергии обоих импульсов, если расстояние между ними находится в пределах, указанных выше.

б. Время между импульсами 20 нс - 1 мс. Метод, который позволяет уменьшить временной интервал между импульсами по существу до нуля, подразумевает использование лазера с двойной модуляцией добротности. В этих системах с различных участков рубинового стержня извлекают два гигантских импульса. Система использует две отдельные ячейки Поккельса и двойную апертуру в резонаторе, для того чтобы выбрать раздельные выходные моды каждая из них имеет добротность, модулированную собственной ячейкой Поккельса. Такое выходное излучение лазера состоит из двух пучков, разнесенных приблизительно на с разделением по времени по существу от нуля до Оба вышедших пучка можно объединить с помощью светоделителя и нескольких зеркал или призм. О технике многорезонаторных лазеров можно также прочитать в [6].

в. Время между импульсами 1 мс - 1с. Для того чтобы расширить временной интервал между импульсами за пределы миллисекундного диапазона, необходимо поджигать лампу-вспышку дважды. Поскольку такой временной промежуток, после того как прошел первый импульс, слишком короток для перезарядки схемы, формирующей второй импульс, обычно прибегают к способу одновременного заряда двух батарей конденсаторов. Две такие батареи конденсаторов, связанные одна с другой посредством диодов или игнитронов, разряжаются с временным интервалом, который определяется требуемым временем разделения импульсов света.

г. Время между импульсами более 1 с. В этом случае система работает в режиме одиночного импульса с модулированной добротностью, причем частота повторения импульсов соответствует требуемому промежутку между импульсами. Конструктивные аспекты голографических лазеров подробно рассмотрены автором в книге [5],

в одном корпусе. Чтобы удовлетворить этим требованиям, рядом фирм разработаны так называемые голографические камеры.

Голографическая камера, показанная на рис. 3, содержит рубиновый лазер, детектор для контроля энергии импульса, оптические элементы для управления пучком и газовый Не — Ne-лазер для восстановления изображений. Объектный пучок выходит из левого окна кожуха, в то время как опорный пучок отражается на фотопластинку, установленную в камере, с помощью зеркала, помещенного в телескопическое устройство на передней стенке камеры.

Система из двух усилителей (рис. 3, а) на рубиновых стержнях размером 15 X 1 см с энергией накачки до позволяет получать выходное излучение в одиночной поперечной и продольной моде с энергией В режиме двойного импульса генерируются два импульса с энергией каждый и с временным интервалом между ними

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)