Е = Е 1 + Е 2
Так як в явищах інтерференції і дифракції оперують відносними
значеннями величин, то подальші операції будемо виробляти з величиною -
інтенсивність світла, яка позначена за I і дорівнює
I = E 2.
Змінюючи величину I на певну раніше величину Е, отримуємо
I = I 1 + I 2 + I 12,
де I 1 - інтенсивність світла першого пучка,2 - інтенсивність світла другого пучка.
Останній доданок I 12 враховує взаємодію пучків
світла і називається інтерференційних членом. Це складова одно:
I 12 = 2 (E 1 * E 2).
Якщо взяти незалежні джерела світла, наприклад, дві електричні лампочки, то повсякденний досвід показує, що I = I 1 + I 2, тобто результуюча інтенсивність дорівнює сумі інтенсивностей накладаються пучків, а тому інтерференційний член звертається в нуль. Тоді кажуть, що пучки некогерентних між собою, отже некогерентних і джерела світла. Однак, якщо накладаються пучки залежні, то інтерференційний член не звертається в нуль, а тому I ¹ I 1 + I 2. У цьому випадку в одних точках простору результуюча інтенсивність I більше, в інших - менше інтенсивностей I 1 і I 2. Тоді й відбувається інтерференція хвиль, а значить джерела світла виявляються когерентними між собою.
З поняттям когерентності також пов'язане поняття просторової когерентності. Два джерела електромагнітних хвиль, розміри і взаємне розташування яких дозволяє отримати інтерференційну картину, називаються просторово когерентними. Інший чудовою рисою лазерів, тісно пов'язаної з когерентністю їх випромінювання, є здатність до концентрації енергії - концентрації в часі, в спектрі, у просторі, у напрямку розповсюдження. Перше означає те, що випромінювання оптичного генератора може тривати всього близько сотні мікросекунд. Концентрація в спектрі припускає, що ширина спектральної лінії лазера дуже вузька. Це монохроматичность.
Лазери також здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності. Як правило, це значення досягає 10 -5 радий. Це означає, що на Місяці такий пучок, посланий з Землі, дасть пляма діаметром близько 3 км. Це є проявом концентрації енергії лазерного променя в просторі і у напрямку розповсюдження.
Для деяких квантових генераторів характерна надзвичайно висока ступінь монохроматичности їх випромінювання. Будь-який потік електромагнітних хвиль завжди має набір частот. Випромінювання і поглинання атомної системи характеризується не тільки частотою, але і деякою невизначеністю цієї величини, званої шириною спектральної лінії (або смуги). Абсолютно монохроматичного одноколірного потоку створити не можна, однак, набір частот лазерного випромінювання надзвичайно вузький, що і визначає його дуже високу монохроматичность.
Потрібно відзначити, що лінії лазерного випромінювання мають складну структуру і складаються з великого числа надзвичайно вузьких ліній. Застосовуючи відповідні оптичні резонатори, можна виділити і стабілізувати окремі лінії цієї структури, створивши тим самим одночастотний лазер.[8]
Потужність лазера. Лазери є найбільш потужними джерелами світлового випромінювання. У вузькому інтервалі спектра короткочасно (протягом проміжку часу, тривалістю порядку 10 -13 с.) У деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання порядку 10 17 Вт / см 2, у той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює лише 7 * 10 3 Вт / см 2, причому сумарно по всьому спектру. На вузький ж інтервал l = 10 -6 см (це ширина спектральної лінії лазера) припадає у Сонця всього лише 0,2 Вт / см 2. Якщо завдання полягає в подоланні порогу в 10 17 Вт / см 2, то вдаються до різних методів підвищення потужності. Для підвищення потужності випромінювання необхідно збільшити число атомів, що беруть участь у посиленні світлового потоку за рахунок індукованого випромінювання, і зменшити тривалість імпульсу.
Метод модульованої добротності. Щоб збільшити число атомів, що беруть участь майже одночасно в посиленні світлового потоку, необхідно затримати початок генерації, щоб накопичити якомога більше збуджених атомів, що створюють інверсну заселеність, для чого треба підняти поріг генерації лазера і зменшити добротність. Порогом генерації називають граничне число атомів, здатних перебувати у збудженому стані. Це можна зробити за допомогою збільшення втрат світлового потоку. Наприклад, можна порушити паралельність дзеркал, що різко зменшить добротність системи. Якщо при такій ситуації почати накачування, то навіть при значній інверсії заселеності рівнів генерація не починається, оскільки поріг генерації високий. Поворот дзеркала до паралельного іншому дзеркала положення підвищує добротність системи і тим самим знижує поріг генерації. Коли добротність системи забезпечить початок генерації, інверсна заселеність рівнів буде досить значною. Тому потужність випромінювання лазера сильно збільшується. Такий спосіб управління генерацією лазера називається методом модульованим добротності.
Тривалість імпульсу випромінювання залежить від того, протягом якого часу внаслідок випромінювання інверсна заселеність зміниться настільки, що система вийде з умови генерації. Тривалість залежить від багатьох чинників, але зазвичай складає 10 -7 -10 -8 с. Дуже поширене модулювання добротності за допомогою обертової призми. При певному положенні вона забезпечує повне відображення падаючого уздовж осі резонатора променя в зворотному напрямку. Частота обертання призми становить десятки або сотні герц. Імпульси лазерного випромінювання мають таку ж частоту.
Більш часте повторення імпульсів може бути досягнуто модуляцією добротності з допомогою осередку Керра (швидкодіючий модулятор світла). Осередок Керра і поляризатор поміщають в резонатор. Поляризатор забезпечує генерацію лише випромінювання певної поляризації, а осередок Керра орієнтована так, щоб при накладенні на неї напруги не проходило світло з цією поляризацією. При накачуванні лазера напругу з осередку Керра знімається в такий момент часу, щоб почалася при цьому генерація була найбільш сильною. Для кращого розуміння цього методу можна провести аналогію з відомим зі шкільного курсу фізики досвідом з турмаліном. Є також і інші способи введення втрат, що призводять до відповідних методів модуляції добротності.
Стосовно до лазерним технологіям використовується термін
гігантський імпульс. Таким називають імпульс, що володіє дуже великою енергією
при надмалій тривалості. Сама по собі ідея створення гігантського імпульсу
проста при використанні оптичного затвора - спеціального пристрою, який за
сигналом може переходити з відкритого стану в закрите і навпаки. У відкритому
стані затвор пропускає через себе лазерне випромінювання, в закритому -
поглинає або відхиляє його в інший бік. При створенні гігантського імпульсу
затвор переводять в закритий стан ще до того, як почнеться висвічування енергії
накачування. Потім, у міру поглинання енергії активні центри (атоми, які беруть
участь у генерації) переходять в масовому порядку на довгоживучий верхній
рівень. Генерація в лазері поки не здійснюється, адже затвор закритий. У
результаті на аналізованому рівні накопичується надзвичайно велике число
активних центрів - створюється дуже сильна інверсна заселеність рівнів. У
певний момент затвор перемикають у відкритий стан. У певному відношенні це
схоже на те, якщо б висока гребля, що створювала величезний перепад рівнів
води, раптом несподівано зникла. Відбувається швидке і дуже бурхливий
висвічування активних центрів, в результаті чого і народжується короткий і
потужний лазерний імпульс - гігантський імпульс. Його тривалість становить 10 -8
с., А максимальна потужність 10 8 Вт.
Перш за все слід зазначити, що дослідження взаємодії лазерного випромінювання з речовиною представляють виключно великий науковий інтерес. Лазери знаходять широке застосування в сучасних фізичних, хімічних і біологічних дослідженнях, що мають фундаментальний характер.
Яскравим прикладом можуть бути дослідження в області нелінійної оптики. Як вже зазначалося, лазерне випромінювання, що володіє досить високою потужністю, може оборотно змінювати фізичні характеристики речовини, що призводить до різних нелінійно-оптичних явищ.
Лазер дає можливість здійснювати сильну концентрацію світлової потужності в межах дуже вузьких частотних інтервалів: при цьому можлива також плавна перебудова частоти. Тому лазери широко застосовуються для отримання та дослідження оптичних спектрів речовин. Лазерна спектроскопія відрізняється виключно високим ступенем точності (високим дозволом). Лазери дозволяють також здійснювати виборче збудження тих чи інших станів атомів і молекул, виборчий розрив певних хімічних зв'язків. У результаті виявляється можливим ініціювання конкретних хімічних реакцій, управління розвитком цих реакцій, дослідження їх кінетики.
Пикосекундной лазерні імпульси дали початок дослідженням цілого ряду бистропротекающих процесів в речовині і, зокрема, в біологічних структурах. Зазначимо, наприклад, фундаментальні дослідження процесів фотосинтезу. Ці процеси дуже складні і, до того ж, протікають украй швидко - в пикосекундной часовій шкалі. Використання надкоротких світлових імпульсів дає унікальну можливість прослідкувати за розвитком подібних процесів і навіть моделювати окремі їхні ланки.
Роль лазерів у фундаментальних наукових дослідженнях виключно велика. Більш детальна розмова на цю тему зажадала б, однак, розгляду ряду спеціальних питань, а також відповідної підготовки читача. Тому, кажучи нижче про цілях лазерів, зосередимо увагу лише на чисто практичних цілях і, зокрема, промислових застосуваннях.
При обговоренні практичних застосувань лазерів зазвичай виділяють два напрямки. Перший напрямок пов'язують із застосуваннями, в яких лазерне випромінювання (як правило, досить високої потужності) використовується для цілеспрямованого впливу на речовину. Сюди відносять лазерну обробку матеріалів (наприклад, зварювання, термообробку, різання, пробивання отворів), лазерне поділ ізотопів, застосування лазерів в медицині і т. д. Другий напрямок пов'язують з так званими інформативними застосуваннями лазерів - для передачі та обробки інформації, для здійснення контролю і вимірювань.
Оптичні квантові генератори та їх випромінювання знайшли застосування в багатьох галузях промисловості. Так, наприклад, в індустрії спостерігається застосування лазерів для зварювання, обробки і розрізання металевих і діелектричних матеріалів і деталей у приладобудуванні, машинобудуванні і в текстильній промисловості.
Починаючи з 1964 року, малопродуктивне механічне свердління отворів стало замінятися лазерним свердлінням. Термін лазерне свердління не слід розуміти буквально. Лазерний промінь не з отвiр: він його пробиває за рахунок інтенсивного випаровування матеріалу в точці впливу. Приклад такого способу свердління - пробивання отворів у годинникових каменях, яка зараз вже є звичайною справою. Для цієї мети застосовуються твердотільні імпульсні лазери, наприклад, лазер на склі з неодимом. Отвір у камені (при товщині заготовки близько 0,1 - 0.5 мм.) Пробивається серією з декількох лазерних імпульсів, що мають енергію близько 0,1 - 0,5 Дж. і тривалістю близько 10 -4 с. Продуктивність установки в автоматичному режимі складає 1 камінь у секунду, що в 1000 разів вище продуктивності механічного свердління.
Лазер використовується і при виготовленні надтонких дротів з міді, бронзи, вольфраму та інших металів. При виготовленні дротів застосовують технологію протягування (волочіння) дроту крізь отвори дуже малого діаметру. Ці отвори (або канали волочіння) висвердлюють у матеріалах, які мають особливо високу твердість, наприклад, в надтвердих сплавах. Найбільш твердий, як відомо, алмаз. Тому краще всього протягувати тонкий дріт крізь отвори в алмазі (алмазні фільєри). Тільки вони дозволяють отримати дріт діаметром всього 10 мкм. Однак на механічне свердління одного отвору в алмазі потрібно 10 годин. Зате зовсім неважко пробити цей отвір серією з декількох потужних лазерних імпульсів. Як і у випадку з пробивкой отворів у годинникових каменях, для свердління алмазу використовуються твердотільні імпульсні лазери.
Лазерне свердління широко застосовується при отриманні отворів у матеріалах, які мають підвищену крихкістю. Як приклад можна навести підкладки мікросхем, виготовлені з глиноземний кераміки. Через високу крихкості кераміки механічне свердління виконується на "сирому" матеріалі. Обпалюють кераміку вже після свердління. При цьому відбувається деяка деформація вироби, спотворюється взаємне розташування висвердлених отворів. При використанні "лазерних свердел" можна спокійно працювати з керамічними підкладками, що вже пройшли випал.
Цікаве застосування лазера і як універсального паяльника. Припустимо, що всередині електронно-променевої трубки сталася аварія - перегорів або обірвався який-небудь провід, порушився контакт. Трубка вийшла з ладу. Здавалося б, поломка невиправно, адже ЕПТ являє собою пристрій, всі внутрішні компоненти якого знаходяться у вакуумі, всередині скляного балона, і ніякому паяльника туди не проникнути. Однак, лазерний промінь дозволяє вирішувати і такі завдання. Направляючи промінь в потрібну точку і належним чином фокусуючи його, можна здійснити зварювальну роботу.
Лазери дозволили здійснити светолокатор, за допомогою якого відстань до предметів вимірюється з точністю до декількох міліметрів. Така точність недоступна для радіолокаторів.
В даний час у світі існує кілька десятків лазерних локаційних систем. Багато з них вже мають космічне значення. Вони здійснюють локацію Місяця і геодезичних штучних супутників Землі. Як приклад можна назвати лазеро-локаційних систему Фізичного інституту імені П. М. Лебедєва. Похибка вимірювання при використанні даної системи складає 40 см.
Проведення таких досліджень організовується для того, щоб точніше довідатися відстань до Місяця протягом деякого періоду часу, наприклад, протягом року. Досліджуючи графіки, що описують зміну цієї відстані з часом, вчені отримують відповіді на ряд питань, що мають наукову важливість.
Імпульсні лазерні локатори сьогодні застосовуються не тільки в космонавтиці, але і в авіації. Зокрема, вони можуть грати роль наукових вимірників висоти. Лазерний висотомір застосовувався також в космічному кораблі "Аполлон" для фотографування поверхні Місяця. Втім, у оптичних лазерних систем є і свої слабкі сторони. Наприклад, не так просто за допомогою гостронаправленої променя лазера виявити об'єкт, тому що час огляду контрольованій області простору виявляється занадто великим. Тому оптичні радіолокаційні системи використовуються разом з радіолокаційними. Останні забезпечують швидкий огляд простору, виявляють мета, а потім оптична система вимірює параметри мети і здійснює стеження за нею.
Великий інтерес представляють останні розробки в галузі створення телевізора на основі лазерних технологій. Згідно з очікуваннями фахівців, такий телевізор повинен відрізнятися надвисоким якістю зображення.
Варто також відзначити використання лазерів у вже давно відомих принтерах високої якості або лазерних принтерах. У цих пристроях лазерне випромінювання використовується для створення на спеціальному світлочутливому барабані прихованої копії друкованого зображення.[3]
У медицині лазерні установки знайшли своє застосування у вигляді лазерного скальпеля. Його використання для проведення хірургічних операцій визначають наступні властивості:
. Він виробляє щодо безкровний розріз, оскільки одночасно з розтином тканин він коагулює краю рани "заварюючи" не дуже великі кровоносні судини;
. Лазерний скальпель відрізняється постійністю різальних властивостей. Попадання на твердий предмет (наприклад, кістка) не виводить скальпель з ладу. Для механічного скальпеля така ситуація стала б фатальною;