Оптическая галография - Кольер Р.
Скачать (прямая ссылка):
Существуют различные типы конструкций одпочастотных лазеров [11.4—11.7]. Простой применяемый на практике вариант
23—0990
354
ГОЛОГРАФИЯ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЛАЗЕРАМИ
ГЛ. 11.
лазера изображен на фиг. 11.3. (Лампы накачки и система охлаждения ламп и лазера на схеме не показаны.) Рубиновые стержни, применяющиеся в таких лазерах, должны быть очень высокого оптического качества, а их полированные торцы должны быть оптически плоскими. При проверке стеряшя в интерферометре на его торце должно наблюдаться не более двух полос. Обычно на торцы стержня, а также на поверхность других элементов внутри резонатора наносят просветляющее покрытие. Часто бывает необходимым поместить внутрь резонатора диафрагму (обычно около 2 мм в диаметре), чтобы получить лазерный пучок от наиболее однородной части рубинового стержня и таким образом осуществить селекцию поперечных мод. Селекция продольных мод
Диафрагма внутри резонатора
Модулятор добротности на насыщающемся нрасителе
л
_ Оптичесни накачиваемый
^ рубиновый стержень
Полностью отражающее зеркало
Выход
Ч астично\этражающее зеркало или эталон
ФИГ. 11.3.
Расположение элементов одночастотного рубинового лазера.
достигается с помощью пассивного затвора, служащего для модуляции добротности [11.8]. Кроме того, можно поместить внутрь резонатора эталон (см. гл. 7, § 1, п. 4). В качестве затвора используется жидкостная ячейка, содержащая насыщающийся краситель, например раствор криптоцианина в метаноле. Ее роль заключается в следующем: пока рубин подвергается оптической накачке, в результате которой создается инверсная заселенность уровней ионов Cr3+, краситель поглощает излучение, испускаемое при этом рубином, и препятствует возникновению генерации. Это поглощение нелинейно зависит от интенсивности света. При достаточно высокой интенсивности излучения рубина энергетические уровни красителя, участвующие в поглощении, обедняются и в результате краситель, как принято говорить, просветляется. Теперь он становится прозрачным для излучения рубинового стержня, и лазер генерирует короткий импульс. До начала генерации световые волны, соответствующие различным модам резонатора, многократно проходят через поглощающий краситель. При
§ 3. ДЛИНА КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРА 355
этом из-за нелинейности поглощения красителя потери для одних продольных или поперечных мод возрастают сильнее, чем для других. Уровень накачки можно выбрать так, чтобы усиление превышало пороговое значение только для одной моды. Тогда вся запасенная в рубине энергия высветится на одной частоте.
Форма выходного импульса одночастотного рубинового лазера (изменение интенсивности во времени) примерно соответствует гауссовой кривой. Если лазер генерирует поперечную моду самого низкого порядка, TEM00, то кривая зависимости интенсивности от радиуса пучка тоже близка к гауссовой. Зависимость интенсивности х) от радиуса г и времени t можно представить в виде
М'.о-(4ГтАг«р(-5-Ы-1&]. (Ii.«
где
OO OO
Я = J J I (г, t)2nrdrdt
О -оо
— полная энергия в импульсе; w — полуширина пучка, а At — половина длительности импульса. При значении радиуса г = w интенсивность в е2, раз меньше ее максимальной величины при г = 0. Аналогично при t = At интенсивность импульса в е2 раз меньше, чем при Z = O. Приведем типичные экспериментальные значения этих величин: H = 25 мДж, w = 0,5 мм и Az = = 15-Ю-9 с = 15 не.
В идеальном случае частота излучения одночастотного лазера должна оставаться постоянной в течение всего импульса. При этом пространственная когерентность была бы почти абсолютной, а временная определялась бы только длительностью импульса. На практике было обнаружено, что во время импульса частота может существенно изменяться [11.9, 11.10]. Как мы увидим в следующем параграфе, это приводит к уменьшению временной когерентности. Кроме того, изменение частоты может происходить неравномерно по сечению пучка, а это в свою очередь вызывает ухудшение пространственной когерентности2).
§ 3. Длина когерентности одночастотного лазера
В гл. 7, § 1, п. 3, мы видели, что длина когерентности для одночастотного лазера непрерывного действия практически неограниченна. Теперь покажем, что длина когерентности для обычного
1J В этой главе под интенсивностью везде понимается величина светового потока, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения, обозначенная в гл. 1, § 3, через 1Р.
2) L. D. SIEBERT, частное сообщение, 1970 г.
23*
356
ГОЛОГРАФИЯ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЛАЗЕРАМИ
ГЛ. 11.
одночастотного импульсного лазера составляет всего лишь около 1 м. Для большинства применений такая величина оказывается вполне достаточной.
Чтобы определить длину когерентности излучения источника, необходимо вычислить комплексную степень временной когерентности jmr (т), определяемую формулой (7.5):
OO
J v (t + t)v* (*) dt
V* W = ^-. (11-2)
I \(t)\*(t)dt
— OO
где V (t) и V (t + т) — комплексные амплитуды напряженности электрического поля световых волн, излучаемых одним источником, но приходящих в точку P разными путями, а т — временной интервал, соответствующий разности хода. Чтобы вычислить интегралы в (11.2), необходимо выразить v через величины, характеризующие одночастотный импульсный лазер и учитывающие наблюдаемое изменение (модуляцию) частоты его излучения. Если длительность импульса и период частотной модуляции велики по сравнению с периодом световых колебаний, то амплитуда электрического поля пропорциональна квадратному корню из интенсивности. Тогда, извлекая квадратный корень из /р(г, t) [см. (11.1)], можно записать
