Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы оценить условность рассматриваемой операции монохроматизации излучения (выделение отдельной линии из спектра реального источника света), на рис. 1.9 приведена структура зеленой линии ртути (см. § 5.7). Наличие множества различных компонент этой линии связано со сложным изотопическим составом ртути и взаимодействием ядра атома ртути с его электронной обо-1.9. Структура дочкой. Если попытаться выделить один из зеленой линии ртути, таких пиков, т. е. в еще большей степени зарегистрированной монохроматизировать излучение, что бывает
на приборе, мало ис- л ,
кажающем ее ис- необходимо при интерференционном опреде-тинный контур лении длины и в других задачах, то придется значительно усложнить методику эксперимента (например, возбуждать спектр одного изотопа).
Излучение лазера представляется наиболее близким к идеальной монохроматической волне. Эффективная ширина каждой из компонент линии газового лазера в результате ряда причин оказывается даже меньше указанного выше предела (10~6—10~7А, тогда как «естественная» ширина линии составляет ~10-4 А), а мощность, излучаемая в столь узком интервале волн, относительно велика. Так, неон-гелиевый лазер, генерирующий излучение с длиной волны 6328 А, обычно имеет мощность порядка нескольких милливатт. В некоторых других газовых лазерах
§ ¦
1 -Э ¦
_ сг> .
«а 1
1
|
1 -F5» -
1
I -
1
4
¦ —L-
I
-S3 -1 1
I 1
А _ _i_
1 tr Л
ОАА
34
(например, в ионном аргоновом) излучается мощность порядка нескольких ватт, а инфракрасный лазер на СО2 (X = 10 мкм) излучает громадную мощность (несколько киловатт).
Существуют лазеры, излучающие энергию импульсами, длительность и частоту повторений которых можно варьировать. В частности, очень распространены импульсные лазеры на рубине (X » 0,69 мкм) и неодимовом стекле (X » 1,06 мкм), мощность которых может достигать нескольких мегаватт, а в специальном режиме «гигантских импульсов» — значений я 109 Вт и более. Однако при столь большой мощности уширяется спектр и уменьшается монохроматичность излучения.
За последние годы существенно развилась физика лазеров, включающая в себя как создание новых типов лазеров, так и использование их для решения различных научных и практических задач. Указанные выше свойства лазерного излучения (в первую очередь монохроматичность и направленность) определяют возможность применения этих новых источников света для передачи сигналов, взаимодействия света с веществом и других актуальных задач.
Однако утверждение о высокой монохроматичности лазерного излучения нуждается в уточнении. Ниже будет показано (см. § 1.6, 5.7), что в силу ряда причин линия любого излучателя будет уширена. Для газовых лазеров Не—Ne, Аг+ и др. это уширение обусловлено хаотическим тепловым движением атомов (эффект Доплера) и будет определяться длиной излучаемой волны, температурой газа и массой его атомов (см. § 7.3). Но при исследовании излучения такого лазера приборами высокого разрешения (см. §5.7) можно показать, что вся излучаемая энергия сосредоточена в нескольких аномально узких линиях внутри контура усиления — продольных модах, соответствующих определенным типам колебаний (рис. 1.10,а). Физическая причина
а)
б)
1.10. Модель возникновения продольных мод и получение одномодовой генерации лазера
35
возникновения этого эффекта связана с набегом фазы (дополнительной разностью хода 2L) при многократном прохождении резонатора усиливающейся волной и определяется его линейными размерами. Простейший способ выделения одной продольной моды, что необходимо в некоторых экспериментах, сводится к использованию резонатора столь малой длины L2, что все моды (кроме центральной) выйдут за пределы контура усиления, так как расстояние между ними c/(2Lz) возрастет (рис. 1.10,б)-
В излучении лазера существуют поперечные моды, существенно зависящие от условий юстировки резонатора. В этом легко убедиться, проецируя линзой излучение лазера на удаленный экран и меняя юстировку зеркал. Поперечные моды могут быть уничтожены (или ослаблены) введением диафрагмы D, отсекающей дополнительные пути прохождения волны в резонаторе (рис. 1.11).
Поляризатор Анализатор
1.11. Ограничение поперечных мод путем вве- 1.12. Два случая взаимной
дения диафрагмы в резонатор лазера ориентации поляризатора и
анализатора. Стрелками показано направление пропускаемых колебаний: а - анализатор пропускает свет, б — анализатор не пропускает света
В дальнейшем изложении мы будем возвращаться к обсуждению физических процессов в лазерах, а сейчас приводим эти данные для пояснения некоторых опытов.
3. Поляризация излучения является третьей основной характеристикой монохроматической волны. Наиболее простой случай линейной поляризации имеет место в УКВ-области, и его можно искусственно создать и в оптическом диапазоне. Существует множество различных типов оптических поляризаторов — устройств, на выходе которых получается линейно поляризованный свет (кристаллы исландского шпата или кварца, призма Николя и различные другие приспособления). С помощью таких устройств можно не только поляризовать излучение, но и проверить, характеризуется ли неизвестная радиация линейной поляризацией. Методика подобных исследований ясна из рис. 1.12, где показаны две взаимные ориентации поляризатора и анализатора, при которых свет проходит целиком или нацело задерживается . Метод исследования эллиптически поляризованного света
