Оптическая галография - Кольер Р.
Скачать (прямая ссылка):
х) В последнее время для импульсного голографирования все шире используется вторая гармоника излучения рубинового лазера (X 3472 fA), вторая гармоника излучения неодимового лазера (X 5300 A), а также вынужденное комбинационное рассеяние и жидкостные лазеры.— Прим. ред.
МНОГОМОДОВЫЙ РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР
351
ФИГ. 11.2. Фотография голографического изобра-
жения небольшой автомобильной свечи, воспламеняющей ацетилено-кислород-ную смесь во время одной из двух экспозиций.
352
ГОЛОГРАФИЯ G ИМПУЛЬСНЫМИ ЛАЗЕРАМИ
ГЛ. 11.
§ 1. Многомодовый рубиновый лазер
В оптической голографии пока что широкое применение нашел только один импульсный лазер, а именно рубиновый лазер, излучающий красный свет с длиной волны 6943 А. Пока еще будущему принадлежит использование в голографии лазеров на алюмо-жттриевом гранате (АИГ) и лазеров на стекле, мощное инфракрасное излучение которых может быть преобразовано с помощью нелинейного элемента (удвоителя частоты) в зеленый свет высокой интенсивности. Мы ограничимся здесь рассмотрением лишь тех свойств рубиновых лазеров [11.3], которые имеют отношение к голографии.
Генерация в лазере возникает благодаря возбуждению ионов Cr3+, входящих в состав розового рубина (Al2O3 с 0,05 вес.% Cr2O3). Обычно рубин вырезают в виде цилиндрического стержня; типичные размеры такого стержня—5 мм в диаметре и 4 см в длину. Торцы стержня шлифуются до параллельности. На торцы наносится серебряное или диэлектрическое покрытие, так чтобы один был полностью, а другой — частично отражающим. При оптической накачке стержня импульсными ксеноновыми лампами излучается импульс линейно поляризованного красного света с энергией порядка 1 Дж и длительностью около 0,25 мс. Направление поляризации света перпендикулярно плоскости, в которой лежат ось стержня и ось с кристалла.
Как мы увидим, длительность импульса такого рубинового лазера, равная 0,25 мс, оказывается слишком большой для получения голограмм целого ряда объектов. С помощью устройства, называемого модулятором добротности, длительность импульса может быть сокращена до десятков наносекунд. Модулятор добротности представляет собой быстродействующий оптический затвор, помещенный внутрь лазерного резонатора. Для осуществления модуляции на один конец рубинового стержня наносят просветляющее покрытие или срезают этот конец под углом Брюстера, а внешнее зеркало помещают после стержня и затвора. Затвор остается закрытым и препятствует генерации лазера в течение всей оптической накачки, за время которой большое число ионов Cr3+ в рубиновом стеряше переходит на возбужденный уровень. В момент открытия затвора лазер дает короткую вспышку огромной мощности.
Хотя рубиновые стержни по своим оптическим свойствам значительно превосходят многие другие оптические прозрачные среды, они все еще уступают по однородности газу или плазме гелий-неонового и аргонового лазеров. Из-за высокого коэффициента усиления рубинового лазера неустранимые остаточные напряжения и неоднородности вызывают одновременную генерацию большого
ОДНОЧАСТОТНЫЙ РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР
353
числа поперечных мод по всему сечению стержня. Поскольку частоты генерации поперечных мод не связаны между собой, то пространственная когерентность излучаемого света очень низка.
Временная когерентность и длина когерентности излучения лазера сильно зависят от числа продольных мод, которые могут генерироваться одновременно (см. гл. 7, § 1, п. 3). Частотный интервал, разделяющий две соседние продольные моды, определяется формулой (7.13):
M = /п+1 fn — 1
где с — скорость света в воздухе, a Z — полная оптическая длина пути в рубине и воздухе между зеркалами резонатора лазера. Типичное значение длины Z = 20 см, так что Af = 0,75•1O9 Гц. При комнатной температуре полная ширина AfL линии флуоресценции рубина с длиной волны 6943 А составляет 420•1O9 Гц. Полагая, что на всех модах, частоты которых /п = пс/21 лея^ат внутри интервала А/ь, коэффициент усиления достаточен для поддержания генерации, определим количество генерируемых мод: AfJ Af = 560. Следовательно, длина когерентности лазера не может быть много больше длины когерентности линии флуоресценции. Пусть линия флуоресценции имеет лоренцеву форму и ширину AfL = 420•1O9 Гц. Тогда, согласно (7.12), длина когерентности линии флуоресценции равна AL11 = 0,11 с/AfL « 80 мкм. Из-за такой малой длины когерентности многомодовый лазер не может быть использован в обычных схемах регистрации голограмм. Даже при получении голограмм прозрачных объектов, освещенных на просвет, оптические длины опорного и предметного пучков должны быть очень точно уравнены для всех точек голограммы.
§ 2. Одночастотный рубиновый лазер
Как и в гл. 7, § 1, п. 3, будем называть рубиновый лазер, генерирующий одну поперечную и одну продольную моду, одночастот-ным. Одночастотный лазер обладает наивысшей возможной временной и пространственной когерентностью, но его выходная мощность в импульсе значительно меньше, чем у многомодового лазера. Однако выходную энергию одночастотного импульсного рубинового лазера можно увеличить с помощью рубиновых усилителей и достичь при этом даже большей энергии, чем в режиме многомодовой генерации. Усиленное излучение имеет практически ту же степень пространственной и временной когерентности, что и излучение одночастотного генератора.
