Тема 2.2. Параметры лазерного излучения

Управление параметрами лазерного излучения осуществляется различными методами; реализация некоторых из них превращается в сложную техническую задачу. Приборы управления могут устанавливаться внутри резонатора лазера или вне его. В некоторых случаях они связаны с лазером и вместе с ним составляют как бы единый прибор, а иногда выполняются в виде отдельных блоков, которые легко сопрягаются с лазером. Если прибор управления находится внутри резонатора, то он участвует в процессе формирования лазерного луча, воздействуя на него таким образом, чтобы на выходе из резонатора лазерный луч имел необходимые параметры излучения.

Умение правильно измерять параметры лазерного излучения совершенно необходимо как при разработке самих лазеров, так и при использовании их в различных приложениях.

Во всех случаях практического использования лазеров необходима количественная оценка параметров лазерного излучения. Для этой цели предназначена большая группа приборов, позволяющих измерять как энергетические, так и пространственно-временные характеристики лазерного луча. Некоторые вопросы практического решения данной проблемы также изложены в настоящей главе.

Некоторые величины вообще не нормируются, например - повышенный уровень инфракрасной радиации. На ряд параметров лазерного излучения не разработаны значения измеряемых параметров, существуют лишь их расчетные значения. Очевидно, что если существует физическая возможность прямого измерения параметра ОВПФ, то она должна быть реализована, так как это имеет неоспоримые преимущества перед расчетными методами. К сожалению, и у параметров некоторых других ОВПФ (прямой и отраженной блескости, повышенной пульсации светового потока и др.) нормативы не предусматривают проведение прямого измерения. Это же относится и к нормированию повышенной (пониженной) контрастности, которая, как свидетельствует зарубежный опыт, может определяться прямыми измерениями.

Измерение параметров лазерного излучения необходимо производить при экспериментальных исследованиях, разработке технологических процессов и эксплуатации лазерных установок. Целесообразно рассмотреть методы измерения параметров лазерного излучения, которые в первую очередь учитываются при практическом использовании лазерных установок.

Исследование МБР позволяет получать ценную информацию о свойствах рассеивающей среды. МБР связана с возможностью управлять с его помощью параметрами лазерного излучения и в первую очередь с возможностью осуществлять обращение волнового фронта.

Различают ПВМ с электрическим и оптическим управлением. Пространственно-временной оптический модулятор, у которого закон изменения во времени пространственного распределения одного из параметров лазерного излучения задается подаваемыми на его входы электрическими сигналами, называется ПВМ с электрическим управлением. Для ПВМ с оптическим управлением изменение параметров лазерного излучения задается подаваемым на его вход пучком оптического излучения.  

Фотоэлектрические приборы обладают высокой чувствительностью и поэтому в настоящее время являются основными при дозиметрии лазерного излучения. На этом принципе основаны приборы ИЛД-2. Прибор ИЛД-2 позволяет измерить параметры направленного и отраженного лазерного излучения с длиной волны 0 49 - 1 15 и 2 - 11 мкм.

Различают ПВМ с электрическим и оптическим управлением. Пространственно-временной оптический модулятор, у которого закон изменения во времени пространственного распределения одного из параметров лазерного излучения задается подаваемыми на его входы электрическими сигналами, называется ПВМ с электрическим управлением. Для ПВМ с оптическим управлением изменение параметров лазерного излучения задается подаваемым на его вход пучком оптического излучения.  

При этом теоретическое описание взаимодействия падающей волны (или волн) и среды проводится па языке уравнений Максвелла для среды с усредненными оптическими характеристиками, зависящими от интенсивности излучения. Однако на самом деле существенной главой нелинейной оптики являются нелинейные явления, возникающие па микроскопическом, атомном уровне. В частности, именно эти явления определяют зависимость усредненных оптических характеристик от параметров лазерного излучения - интенсивности, частоты и поляризации. Это будет видно и из последующих лекций. Именно в нелинейной оптике, в отличие от линейной оптики, явления на атомном уровне играют определяющую роль. Поэтому нелинейная оптика не сводится к нелинейной волновой оптике, а состоит из трех взаимосвязанных глав - нелинейных эффектов на атомном уровне, нелинейных усредненных оптических характеристик среды и волновой нелинейной оптики.

Возможна и внутренняя модуляция, которая осуществляется в самом лазере, путем изменения параметров лазерного активного элемента или резонатора. Внутренняя модуляция в полупроводниковых лазерах осуществляется за счет изменения режима накачки. В газовых лазерах внутренняя модуляция возможна за счет изменения добротности оптического резонатора. Следует подчеркнуть, что объединение в одном устройстве генерации и модуляции, как правило, ухудшает параметры лазерного излучения. Возникают побочные эффекты, которые приводят к снижению когерентности излучения. В полупроводниковых лазерах, у которых внутреннее управление интенсивностью излучения наиболее просто и эффективно, внутренняя модуляция обычно вызывает рост порога генерации, ухудшение модового состава излучения.

Луч лазера предпочтителен для проведения пиролиза при использовании хроматографических методов анализа. Отмечено, что пиролиз полимеров протекает с большей скоростью, чем при других методах нагревания. Параметры лазерного излучения могут быть стабилизированы с высокой точностью. Быстрота нагревания и точность стабилизации режима приводят к лучшей воспроизводимости результатов, чем при использовании нагревателей других типов.

В тех случаях, когда релаксационные процессы исключать не удается (длительное воздействие излучения, относительно большое давление газа, твердые тела), лазерное воздействие носит тепловой характер. Но резонансное поглощение излучения исходными или конечными продуктами хим. реакций влияет на ход хим. процессов и тогда, когда реагирующие атомы и молекулы находятся в состоянии локального теплового равновесия. Это происходит в силу обратной связи между химическими и тепловыми степенями свободы системы. Изменение в ходе реакции концентрации молекул, поглощающих лазерное излучение, приводит к изменению скорости ввода лазерной энергии, что меняет темппературу реагентов, а значит, и скорость хим. реакций. Изменение интенсивности, длины волны или др. параметров лазерного излучения изменяет тип обратной связи, управляет динамикой процесса и составом продуктов реакции.

Вопросы к практическому занятию 2.2:

1. Какими способами можно управлять поляризацией излучения?

2. Чем определяется суммарный энергетический КПД лазера?

3. Как определяется диаметр лазерного луча?

4. Что такое дальняя и ближняя зоны распространения лазерного луча?

5. Какова связь между расходимостью лазерного луча и значением M2?

6. От чего зависит яркость лазерного излучения?

7. Опишите основные типы фотоприемных датчиков и принципы их работы.