Файл: ОТВЕТЫ на 1 модуль.doc

На спрямованість впливають: тип резонатора, який формує структуру поля та модовий склад випромінювання.

Діаграма спрямованості випромінювання круглої площадки в декартовій (а) та полярній (б) системах координат.

Гауссове розподілення поля дає майже у двічі менше розходження пучка ніж рівномірне. Причиною цього є більш швидке спадання інтенсивності поля на краях пучка і , відповідно, менші дифракційні ефекти.

Вузько спрямоване випромінювання може використовуватись :

- для передачі енергії та інформації на великі відстані,

- для оптичної локації віддалених об‘єктів,

- в системах наведення по променю і т.д.

29. Когерентність лазерного випромінювання.

Електромагнітна хвиля називається когерентною якщо її амплітуда, частота, фаза, напрям розповсюдження і поляризація постійні або змінюються з часом згідно деякого закону (упорядковано). Найвищу когерентність має ідеально монохроматична лінійно поляризована хвиля, яка є абстракцією і в природі не існує. Найбільш близькі характеристики до такої хвилі має лазерне випромінювання.

Якщо ввести відносно світлового пучка нормовану кореляційну функцію, то у випадку стаціонарності поля світлового пучка можна записати як:

 - комплексний ступень когерентності, завжди має задовольняти нерівності:

Під просторовою когерентністю розуміють кореляцію фаз електромагнітних хвиль, випущених з двох різних точок джерела в однакові моменти часу.

Під часовою когерентністю розуміють кореляцію фаз електромагнітних хвиль, випущених з однієї і тієї ж точки джерела в різні моменти часу.

Часова когерентність тісно пов’язана з монохроматичністю випромінювання: чим вища монохроматичність, тим вища ступінь часової когерентності.

З поняттям просторової когерентності пов’язана спрямованість випромінювання: чим більш спрямований пучок, тим більша просторова когерентність.

Часова когерентність використовується:

---

для передачі інформації на оптичних частотах; дефектоскопії;

вимірювання відстаней, лінійних та кутових швидкостей, малих зсувів;

для оптичного гетеродинного приймання когерентних оптичних сигналів.

Просторова когерентність є основою для створення лазерних пучків високої спрямованості з можливістю його фокусування в пляму дуже малого діаметру.

Інтерферометр Юнга

30. Поляризованність та яскравість лазерного випромінювання.

Яскравість джерела електромагнітних хвиль характеризує потужність випромінювання, що випромінюється з одиниці поверхні в одиничному тілесному куті в напрямку, перпендикулярному поверхні, що випромінює.

Має розмірність (Вт/(м²ср) і називається енергетичною яскравістю, або випромінювальною здатністю.

Енергетична яскравість є об'єктивною фізичною характеристикою електромагнітного випромінювання.

Поляризованим називають світло, яке можна представити електричним вектором, модуль і напрямок якого в точці простору змінюються в часі закономірно.

За напрямок поляризації як правило приймають напрям вектора електричного поля. Площину, що проходить скрізь напрям випромінювання та ортогональну до площини коливання векторів, називають площиною поляризації. В залежності від траєкторії, яку описує результуючий вектор, розрізняють лінійну, сферичну та еліптичну поляризації. А напрям обертання визначає ліву або праву поляризації.

Лазерне випромінювання, без використання спеціальних засобів, визначально не є поляризованим, що іноді приводить до нестабільності генерації лазера.

В якості цих засобів використовуються, наприклад, прозорі пластини розташовані до оптичної вісі під кутом Брюстера, що дозволяє отримати майже повністю поляризоване випромінювання. Також на ступінь та вид поляризації впливає орієнтація оптичної вісі кристала відносно оптичної вісі лазера.

Ступінь поляризації може суттєво впливати на ефективність технологічних процесів де відбиття відіграє важливу роль (розрізання товстих металевих матеріалів).

Поляризоване випромінювання використовується при вивченні фото пружності, мікроскопії, контролю технічних та фізичних величин.

---

31. Потужність лазерного випромінювання, ККД лазера.

Потужність оптичного випромінювання – це енергія, що переноситься випромінюванням за проміжок часу. Якщо енергія випромінюється імпульсом, то користуються поняттям імпульсної і середньої потужності.

Потужність віднесена до одиничного спектрального інтервалу випромінювання має назву спектральної інтенсивності або спектральної щільності потужності.

Вихідна потужність Р_і, віднесена до одиничного об‘єму активного середовища дорівнює W.

Для лазера, який працює по трьохрівневій схемі в безперервному режимі, потужність що випромінюється скрізь напівпрозоре дзеркало при r₁ = 1

Залежність потужності випромінювання від довжини активного елементу та коефіцієнта віддзеркалення

Мінімальна довжина, яка відповідає існуванню генерації.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) лазера  – є важливим енергетичним показником, який визначається відношенням потужності або енергії випромінювання до електричної потужності або енергії джерела накачки.

Квантовий ККД  _кв визначається відношенням енергії кванту який генерується до енергії збудження більш високого рівня Ев, що задіяний в створенні інверсійної населеності. ККД резонатора _р визначає частину усіх збуджених на верхньому лазерному рівні частинок, які переходять на нижчий рівень з випромінюванням когерентного кванту (_р =0,3-0,7). ККД системи збудження активного середовища характеризує ефективність трансформації енергії накачки в енергію збудження верхнього лазерного рівня активного середовища (_зб =0,1-0,7).

32. Надайте визначення резонатора, його функціонального призначення. Мода в об‘ємному та

відкритому резонаторах.

Резонатор є одним з важливих елементів будь-якого квантового приладу - мазера або лазера. Резонатор має забезпечити позитивний зворотній зв'язка за рахунок поверненої назад, у робочу речовину, частини індукованого випромінювання, яке поширюється між поверхнями дзеркал, що відбивають. Резонатор у значній мірі визначає спектральний склад, когерентність, спрямованість, потужність випромінювання.

---

Основне призначення резонатора - створення збудженої квантової системи з електромагнітним полем, тобто таких умов, при яких індуковане випромінювання, що виникає у квантовій системі під дією поля резонатора в результаті відбиттів, багаторазово проходить скрізь систему.

Мода резонатора являє собою стаціонарну конфігурацію електромагнітного поля, що задовольняє як рівнянням Максвелла, так граничним умовам.

Для об’ємного резонатора відмінністю є невеликі значення m,n,q.

Вiдкритий резонатор – це система, яка складається iз декiлькох поверхонь, що повнiстю або частково вiдбивають хвилю, i яка має резонанснi властивостi.

33. Подовжні та поперечні моди, індекси m, n, q. Структура поля на дзеркалах резонаторів.

Теоретичне дослідження електромагнітного поля в резонаторі показало, що його можна представити у вигляді подовжньої й поперечної структури й розкласти в ряд за деякою системою функцій хвильових рівнянь, що мають індекси m,n,q однозначно пов'язаних з певною системою координат. Кожний доданок цього ряду вiдповiдає типу коливань - модi T EMm,n ,q (transverse electromagnetic). Розрiзняють поздовжнi, або основнi, моди з iндексами 0, 0, q (T EM0,0 ,q) та поперечнi моди T EMm,n. Для малих значень m i n типи коливань, що утворенi хвилями, якi поширюються пiд малими кутами θ, дифракцiйнi втрати малi. Поле цих типiв коливань швидко спадає на краях дзеркал резонатора. Для бiль- ших значень iндексiв m, n > 7, дифракцiйнi втрати рiзко зростають. m, n вiдповiдають кiлькостi змiни напрямку поля на поверхнi дзеркал. Або iншими слова- ми – кiлькостi нулiв поля всерединi загальної плями поля на поверхнi дзеркала, виключаючи нулi поля на краях плями. Індекси m,n,q для кожного коливання відповідають кількості півхвиль, які укладаються в напрямках координат x,y,z, якщо резонатор прямокутний або по колу і довжині, якщо резонатор круглий.

Якщо хвилi поширюються вздовж осi резонатора, то утворяться поздовжнi моди, їх власна частота у порожньому резонаторi визначається за формулою

Якщо плоскi хвилi поширюються пiд деяким кутом до осi резонатора, то утворяться поперечнi моди. Власнi частоти таких коливань (мод) у порожньому резонаторi мають задовольняти умову

---

Загалом для резонаторiв зi сферичними дзеркалами характернi вiдсутнiсть пульсацiй в амплiтудному розподiлi електромагнiтного поля та значно меншi втрати на один прохiд, нiж у резонаторах iз плоскими дзеркалами.

---