Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Одна из таких поразительных особенностей заключается в том, что свет лазера, оказывается, можно сфокусировать в необычайно тонкий луч. Размер поперечного сечения луча, скажем луча прожектора, определяется скорее размерами светящегося тела — источника, чем волновой природой света. Чтобы увеличить энергию излучения, мы можем либо повысить температуру источника, либо увеличить его поверхность. Точки плавления и испарения материалов ограничивают возможности повышения температуры величинами порядка 2800° К в случае ламп накаливания и 4000° К в случае дуговых источников. Используя источник с наивысшей возможной температурой, интенсивность излучения можно повысить еще больше путем увеличения поверхности излучателя, а при этом неизбежно увеличивается ширина луча.
К этому вопросу можно подойти количественно. Пусть р обозначает приходящуюся на 1 кв. м общую мощность видимого и невидимого электромагнитного излучения, испускаемого раскаленной поверхностью в направлениях,
0
лежащих внутри конуса с полууглом при вершине-^-. Тогда
р - 5,73.108s74 sin2у.
В этой формуле є представляет собой поглощательную способность поверхности (которая, конечно, не может быть больше единицы), T — ее температуру, а конус, для
0
которого половина угла при вершине равна у, как мы
уже говорили раньше, охватывает все направления распространения лучистой энергии с плотностью р. Подставив в эту формулу значение у^Т' ПРИ kotoPom sin Y = I, получим полную мощность излучения, испускаемого каждой единицей поверхности раскаленного те-
88ла. Можно доказать, что никакая фокусирующая система никогда не даст более мощного потока энергии, чем указывает эта формула, в которой температура источника излучения T играет очень важную роль.
Максимальную полную мощность, которую способен дать источник с поверхностью в форме диска диаметром D (например, линза или зеркало прожектора), можно выразить с помощью этой формулы, положив в ней 8=1 и помножив р на площадь поверхности. Эта мощность равна
P==(^r)D2p = 4,50-10-8T4D2 sin2-^.
Отсюда, зная полную мощность Р, диаметр источника D и температуру Т, нетрудно найти наименьший половинный угол для конуса, ограничивающего направления излучения:
sin-
= / Tl
2 V 4,50 • IO"8 T^D2
тл 6
Но при малых углах у значения синусов этих углов
можно считать равными самим углам, выраженным в радианах; в таких случаях можно пользоваться более простым выражением:
±^4270 VP 2 DT2 '
Излучение раскаленной поверхности обусловлено множеством видов колебаний различных частот, интенсивности которых определяются тепловой энергией частиц. Лазерный же луч создается всего одним или несколькими видами очень близких между собой колебаний и характеризуется поэтому постоянной частотой, а интенсивность его определяется свойствами рабочего вещества и степенью, или интенсивностью, накачки.
У луча лазера независимо от мощности половинный угол при вершине конуса излучения примерно равен
JL — JL ад
2 — 2 D Ра '
Проведем теперь следующее сопоставление. Пусть полная мощность излучения будет составлять 1 яг, диаметр линзы прожектора равен .0,1 м (10 см), а для зна-
89чения температуры возьмем температуру вольтовой дуги, 4000° К. Мы получим
\ - 2,95-10"3 рад.
Теперь давайте подсчитаем угловой раствор лазерного луча. Если длину волны принять равной 5- Ю-5 см, а диаметр линзы— 10 см, то окажется, что
Y = 2,5-10-6 рад.
Итак, угол раствора луча лазера может быть в тысячу раз меньше, чем у луча идеального некогерентного источника излучения.
Малость угла раствора у лазерных лучей поистине поразительна, даже тогда, когда она (из-за наличия нескольких видов колебаний вместо одного или из-за несовершенства фокусирующей системы лазера) несколько больше величины, вычисленной из приведенной выше формулы. Например, в 1962 году JT. Д. Смуллин и Г. Фьокко, воспользовавшись 12-дюймовым телескопом, послали луч лазера к поверхности Луны и сумели уловить отраженный луч с помощью 48-дюймового телескопа. Расчетная ширина сечения луча у поверхности Луны в этом опыте была равна примерно 0,8 км. Фактически она составила около 80 км, но ведь это все-таки чрезвычайно узкий луч: его ширина в 40 раз меньше диаметра Луны.
Зернистость
Другой удивительный факт, касающийся лазера, связан с внешним видом светового пятна, возникающего, когда луч лазера падает на диффузно отражающую поверхность, например на стену комнаты. Пятно кажется как будто крапчатым, состоящим из крохотных пятнышек. Пятнышки непрерывно движутся, и «рисунок» изменяется при любом движении головы наблюдателя.
Как ни странно, многие физики и инженеры, встретившись с этим явлением, сначала не поняли его причины. Странно потому, что радиоинженеры отлично знакомы с явлением совершенно аналогичным и особенно ощутимым при работе движущихся радиоприемников. Когда автомобиль, с которого ведется прием СВЧ-радиосигна-
90ла, движется мимо домов, уровень сигнала резко меняется при каждом изменении положения автомобиля. Это объясняется тем, что в некоторых точках пути радиосигналы, отраженные стенами разных домов, суммируются, а в других взаимно гасят друг друга.