Материал: UnEncrypted

підсилювача. Підсилювач працює при температурі рідкого гелію і використовується для посилення коливань в діапазоні.

Існує і ряд інших твердих тіл, що використовуються як робочі речовини в парамагнітних квантових підсилювачах різних діапазонів частот.

Генерація когерентного випромінювання. Якщо сума енергій сигналу Eсиг і стимулюючого випромінювання Eвипр більша втрат енергії Eвт і енергії Енав, що відводиться в навантаження

то квантова система переходить в режим самозбудження і починає працювати як квантовий генератор коливання, в якому збуджуються коливання і у відсутність зовнішнього сигналу під дією випадкових спонтанно випущених квантів.

Найширше практичні застосування одержав квантовий генератор оптичного діапазону, що охоплює ділянку спектра від ультрафіолетової до субміліметрової області (0,1 – 800 мкм). На рис.8.14 показана

структурна схема лазера. Він складається з робочої речовини, поміщеної в оптичний резонатор, джерела накачування і часто спеціального охолоджуючого пристрою відвідного тепла від робочого тіла.

Оптичний резонатор в лазерах в простому випадку є двома дзеркалами, встановленими строго паралельно одне одному і перпендикулярно до оптичної осі лазера; повернуті вони одне до одного сторонами, що відбивають. Для виведення випромінювання назовні одне з дзеркал роблять напівпрозорим. За цих умов випромінювання, що виникло в лазері, відбіваючись від дзеркал, багато разів проходить через робочу речовину, викликаючи весь стимулюючий випуск, що посилюється. Таким чином, резонатор здійснює позитивний зворотний зв'язок з випромінюючою системою, примушуючи при кожному проходженні випромінювання через робочу речовину висвічуватися активні центри. При цьому в найвигідніших умовах опиняється та частина випромінювання, напрям якого збігається з оптичною віссю генератора, оскільки тільки воно здатне багато разів відбиватися від дзеркал, не йдучи з робочої речовини, і таким чином проходити великий шлях в цій речовині і зазнавати велике посилення за рахунок стимулюючого випуску. Тому в лазері формується випромінювання, направлене практично уздовж оптичної осі і виходить через напівпрозоре дзеркало гостронапрямленим пучком. У газових лазерів розходженість пучка може бути менше кутової мінути.

Рівні енергії, між якими відбуваються оптичні переходи, завжди мають скінченну ширину , оскільки час перебування електронів на них

скінченний, що згідно з співвідношенням повинно приводити до розширення рівнів і розмиття їх у вузькі смуги. Відповідно до цього випромінювання, що випускається при оптичних переходах, ніколи не буває строго монохроматичним, його частоти укладені в межах деякої смуги .

115

Генерація ж в лазері відбувається додатково лише на резонансних частотах,

де n – ціле число; – довжина хвилі. При виконанні цієї умови хвилі,

що випробували багатократні відбиття від дзеркал, опиняються у фазі одна з одною і їх амплітуди складаються. Випускаються хвилі однієї або декількох частот, довжини яких задовольняють умову резонансу (8.30) і потрапляють в смугу . Ширина смуги частот кожної такої хвилі

визначається добротністю оптичного резонатора і може бути вельми малою (менше 100 Гц). Стабільність частоти визначається стабільністю розміру резонатора L .

Важливою властивістю випромінювання лазера є його когерентність, під якою розуміють кореляцію (узгодженість) фаз коливань, що розглядаються в різних точках простору в різні моменти часу. Відповідно до цього розрізняють просторову і тимчасову когерентність. Приведемо два приклади.

Рисунок 8.14 – Структурна схема Рисунок 8.15 – До пояснення лазера поняття тимчасової і просторової

когерентності

1. Розщепимо світловий промінь за допомогою напівпрозорого дзеркала А на два пучки (рис.8.15, а) і, спрямувавши ці пучки по різних шляхах, зведемо їх знову на екрані В. Промінь 1 проходить шлях АВ,

витрачаючи на це час t1 ; промінь 2 проходить шлях АСD В і витрачає час

. Таким чином, на екрані складатимуться світлові хвилі, випущені в

116

моменти часу, відокремлені один від одного інтервалом t = t2 - t1 . Якщо

протягом всього цього часу різниця фаз світлових коливань, створюваних променями 1 і 2 в будь-якій точці екрана, зберігається незмінною, то говорять, що світло має тимчасову когерентність. На екрані виникає виразна стійка інтерференційна картина. Максимальне значення t , при якому така картина ще спостерігається, називають часом когерентності. Тимчасова когерентність безпосередньо пов'язана із ступенем монохроматичності випромінювання: чим вища ступінь монохроматичності хвилі, тим більший час когерентності. В лазерах монохроматичність випромінювання дуже висока, і час когерентності може досягати 100- 2 с і більше.

2. Розглянемо другий приклад, показаний на рис.8.15, б. Екран містить два малі отвори В1 і В2, які посилають в точку 3 промені 1 і 2. При

цьому B1C = B2C . Таким чином, в точку 3 приходять коливання, не зміщені

в часі (t1 = t2 ) , але з двох різних точок простору В1 і В2. Ці коливання

вважаються когерентними, якщо різниця фаз їх в точці 3 постійна. Таку когерентність називають просторовою.

Розглянемо з точки зору когерентності спонтанне випромінювання, яке випускається, наприклад, тепловими джерелами світла. Для таких джерел характерне таке: а – окремі атоми випускають фотони мимовільно, незалежно один від одного, на хвильовій мові фотонам можна зіставити «відрізки» хвиль, які називають звичайно цугами, цуги від окремих атомів не корельовані один з одним; б – випромінювання атомів ізотропне, тобто відбувається практично з рівною вірогідністю на всіх напрямках. Ці дві обставини і обумовлюють низькі когерентні властивості спонтанного випромінювання.

У протилежність цьому лазерне випромінювання має високий ступінь когерентності, обумовлений двома основними чинниками: природою індукованого випуску і наявністю оптичного резонатора.

Властивості індукованого випромінювання пояснюються тим, що фотони є бозе-частинками, основна особливість яких полягає в здатності заселяти один і той же стан з необмеженою густиною, причому вірогідність попадання бозона в даний конкретний стан тим вища, чим більше цей стан заселений. Тому, якщо поблизу збудженого центра (наприклад, атома), що

знаходиться на рівні Е2 (рис.8.12), пролітає фотон з енергією hw12 ,

то він стимулює перехід цього центру на рівень Е1. При цьому з'являється другий фотон, який через свою бозонну природу має найбільшу вірогідність потрапити в той же стан, в якому знаходиться перший фотон, тобто придбати ту ж енергію, напрям руху і поляризацію, які має перший фотон. В своєму подальшому русі фотони стимулюватимуть народження нових фотонів з тими ж самими характеристиками. Таким чином, фотони, що з'явилися в результаті індукованого випуску, повинні згідно з самою

117

природою цього випуску мати однакову енергію, однаковий напрям руху, однакову поляризацію, тобто мати вельми високі когерентні властивості.

Тому необхідно мати пристрій, який виконував би вибіркові функції в процесах індукованого випуску. Таким пристроєм є оптичний резонатор, який формує високонаправлене випромінювання уздовж оптичної осі на довжині хвилі, що відповідає умові (8.30). Тільки це випромінювання здатне багато разів проходити через активну речовину, лавинно посилюючись за рахунок стимулюючих переходів. Тому випромінювання, що виходить з лазера, має високу ступінь когерентності.

Застосування когерентного випромінювання. Високий ступінь монохроматичності і мала розхідність когерентного оптичного випромінювання визначають області його практичного використовування. Випромінювання з високою тимчасовою когерентністю може бути використано для передавання інформації на оптичних частотах; при вирішенні завдань, пов'язаних з оптичною інтерференцією (вимірювання відстаней, лінійних і кутових швидкостей, деформацій поверхонь і т. д.); як стандарт частоти. Висока спрямованість просторово-когерентного випромінювання обумовлює ряд його переваг перед некогерентним випромінюванням: невелику величину енергетичних втрат, пов'язаних з розходженням пучка; високе кутове розділення, що дозволяє точно спрямувати промінь на малий об'єкт і істотно скоротити перешкоди; можливість просторової фільтрації при прийманні сигналів. Звідси випливає, що вузьконаправлене оптичне випромінювання може бути ефективно використано при передаванні інформації на великі відстані, при оптичній локації виділених об'єктів (особливо для виділення об'єкта серед інших цілей), при вимірюванні кутів і відстаней за принципом, на якому засновані світлодалекоміри, в системах наведення за променем, при передаванні світлової енергії на найбільші відстані, для концентрації енергії в світловому пучку (оптичне різання, зварення) і т.д.

Оптично зв'язані напівпровідникові лазери можуть бути застосовані для побудови оптичних логічних елементів високої швидкодії. В наш час практично реалізовані логічні елементи на напівпровідникових лазерах з швидкодією порядку 10- 10 с, на основі яких можуть бути створені надшвидкодіючі пристрої ЕОМ, що мають максимальну розв'язку входу і виходу і високу перешкодостійкість.

8.6 Поняття про голографію

Голографія – це відносно новий напрям в когерентній оптиці, розвиток якого пов'язаний з появою і вдосконаленням джерел когерентного випромінювання – лазерів. В голографії, як і у фотографії, вирішується питання записування інформації, яку несе

118

світлова хвиля, відбита від об'єкта. Інформація про об'єкт міститься частково в амплітуді (амплітудна інформація), частково у фазі (фазова інформація). При фотографуванні на фотопластині фіксується інтенсивність хвилі і тим самим реєструється амплітудна інформація про об'єкт. Фазова інформація при цьому втрачається. Проте якщо хвиля має високу когерентність, то на фотопластині можна записати як амплітудну, так і фазову інформації, застосувавши метод голографії («голографія» перекладається як «повний запис»).

У основі методу голографії лежить інтерференційний принцип, згідно з яким для виявлення фазової інформації, що міститься в хвилі, треба створити інтерференцію досліджуваної (об'єктної) хвилі з деякою допоміжною (опорною) хвилею. Амплітуда результуючої хвилі міститиме інформацію як про амплітуду, так і про фазу об'єктної хвилі. При цьому обидві хвилі, що інтерферують, повинні мати високу когерентність, щоб забезпечити достатньо чітку інтерференційну картину на фотопластині (голограмі).

Для пояснення методу голографії розглянемо такий приклад (рис. 8.16, а). Від точкового джерела (об'єкта) 0 на фотопластину Ф

падає сферична хвиля 1 (на рис. показано два промені під кутами a1 і a 2 ). Це об'єктна хвиля. Одночасно на пластину падає плоска опорна

хвиля 2. В результаті інтерференції цих хвиль виникає тонка система інтерференційних смуг. Ця система смуг, зафіксована на фотопластині, називається голограмою точкового об'єкта 0.

Таким чином, інформація про об'єкт зберігається у вигляді інтерференційної картини, зафіксованої на голограмі. Щоб «прочитати» (відновити) цю інформацію, треба освітити голограму опорною хвилею

(рис.8.16, б).

При цьому в результаті дифракції світла на системі інтерференційних смуг виникнуть три дифракційні хвилі, причому в кожній точці голограми кут дифракції буде рівний тому куту, під яким в цю точку падав при записі голограми об'єктний промінь. З рис.8.16, б видно, що хвиля 1 формує уявне зображення об'єкта, а хвиля 3 – дійсне зображення. Хвиля 1 є початковою об'єктною хвилею, відтвореною з голограми.

Наведений приклад дозволяє зрозуміти основні особливості голографічного методу:

–процес голографії є двоступінчатим: на першій стадії голограма записується, на другій прочитується; при прочитуванні голограми відтворюється початкова об'єктна світлова хвиля (неначебто сам об'єкт як і раніше відбивав світло);

119