Файл: Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения.pdf

Г л а в а 1. СВОЙСТВА ЛАЗЕРОВ

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Интерес к лазерам и возможность их практического при­ менения связаны с тем, что лазерное излучение обладает необыч­ ными свойствами, отличающими его от излучения обычных источ­ ников света. Эти необычные свойства сделали возможным широкое применение лазеров — от измерения расстояний до голографии, от регистрации угловых скоростей до нелинейной оптики. Для целей данной книги существенно то, что эти свойства позволяют, в частности, получать чрезвычайно интересные эффекты при взаи­ модействии луча с мишенью и использовать лазер для плавления, испарения и нагревания.

В этой книге рассматриваются явления, возникающие при вза­ имодействии мощных лазерных пучков с веществом. Круг этих явлений включает в себя нагрев, плавление и испарение твердых материалов, эмиссию заряженных частиц, получение плазмы и элек­ трический разряд в газах. Рассматриваются также применения этих явлений в таких областях, как обработка материалов. Книга не претендует на охват всего круга вопросов, связанных с лазера­ ми, а настоящая глава не является обзором всех важных свойств лазеров. Мы считаем само собой разумеющимся, что основные особенности лазеров уже хорошо известны читателю, и поэтому не будем описывать принципы действия, историю развития, теорию

. лазеров и подробности их конструкции. Этим вопросам посвящено много обзоров [1—22].

Для нашей цели необходимо описать лишь те свойства лазеров, которые непосредственно связаны с действием лазерного излуче­ ния. Чтобы сделать изложение полным, в настоящей и следующей главах сообщаются необходимые для дальнейшего сведения о лазе­ рах и технике измерений.

Благодаря своим необычным свойствам лазерный луч способен вызывать эффекты, представляющие научный интерес и находя­ щие практическое применение. Рассмотрим прежде всего эти свой­ ства и выясним, какое отношение они имеют к действию лазерного излучения на вещество. Основными свойствами, отличающими лазерное излучение от излучения обычных световых источников, являются интенсивность, направленность, монохроматичность ш когерентность.

в наибольшей степени принесло лазерам известность. Способностьлазеров генерировать световые пучки очень высокой мощности представляет собой как раз ту особенность, которая сильнее всего действует на воображение неспециалистов. Сноп искр и световая вспышка у поверхности металла, на которую падает луч лазера, сталп уже привычным явлением.

Простые лазерные системы позволяют легко генерировать короткие импульсы красного или инфракрасного света с мощностями порядка миллионов ватт. При помощи более сложных систем полу­ чены мощности в импульсе от нескольких миллиардов до триллио­ нов ватт. Столь мощные импульсы лазерного излучения способны за долю секунды испарить поверхность металла или огнеупорного материала. Именно с такими эффектами мы и будем в основном иметь дело в дальнейшем. Мощности, получаемые от лазеров, рабо­ тающих в непрерывном режиме, более умеренны; однако благодаря последним достижениям в создании С02-лазеров уровень мощно­ сти, получаемый от этих систем в непрерывном режиме, поднялся до нескольких киловатт. Отметим, что важное значение имеет не только величина пиковой мощности, но также и возможность выде­ лить энергию в заданной точке пространства. Для действия лазер­ ного излучения более важной характеристикой, чем абсолютная величина мощности, является мощность, приходящаяся на еди­ ницу поверхности мишени г). Обычные световые источники непре­ рывного действия с мощностью порядка киловатт использовались уже давно, однако их излучение нельзя было сфокусировать столь же хорошо, как излучение лазера, и поэтому они не позволяли получить те эффекты, которые достигаются с помощью С02-лазеров непрерывного действия. Более детально свойства фокусировки и уровни удельной мощности, достижимые для конкретных типов лазеров, мы обсудим позже. Сейчас достаточно отметить, что све­ товые пучки большой мощности, получаемые с помощью лазеров, дают возможность использовать лазеры для воздействия на мате­ риалы.

Второе свойство лазерного излучения, представляющее инте­ рес при исследовании его воздействия на вещество,— это направ­ ленность луча. Лазерное излучение заключено в узкий телесный угол. По порядку величины типичные значения углов расходи­ мости пучка для газовых лазеров составляют несколько десятых миллирадиана, а для твердотельных лазеров — несколько мил-)*

*) Для обозначения мощности, приходящейся на единицу площади в лазер­ ном луче, мы будем пользоваться общепринятым в радиометрии термином «интенсивность падающего излучения». В качестве единиц измерения интенсивности излучения в настоящей книге приняты ватты на квадрат­ ный сантиметр. Иногда для мощности, приходящейся на единицу площа­ ди, употребляются также термины «поток» и «плотность потока».

лирадиан. Благодаря малой расходимости лазерного луча все излучение легко собрать при помощи простой системы линз. Малый угол расходимости луча позволяет, кроме того, сфокуси­ ровать свет лазера в пятно малого размера. Таким образом, иаправленность излучения служит важным фактором для создания высокой интенсивности на мишени, а следовательно, и для воз­ никновения интересующих нас явлений.

Третьим свойством является монохроматичность лазерного излучения. Это означает, что частотный интервал лазерного света намного уже, чем у света от обычных источников. Разумеется, эта полоса частот не является бесконечно узкой, хотя в случае газовых лазеров получение монохроматичности А/// порядка 10~10 не вызывает особых затруднений. В специальных устройствах достигается еще более высокая монохроматичность. Частотный интервал твердотельных лазеров обычно порядка нескольких мега­ герц. Эта величина не столь мала, как у газовых лазеров, но тем не менее она достаточно впечатляюща 1).

Вообще говоря, монохроматичность сама по себе играет второ­ степенную роль при взаимодействии лазерного излучения с веще­ ством. Например, при испарении металлической поверхности поч­ ти безразлично, является ли излучение монохроматическим или же обладает широким спектром, если в том и другом случае на квадратный сантиметр поверхности падает одинаковое количество энергии. Однако высокая монохроматичность излучения, безус­ ловно, облегчает фокусировку, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной.

Наконец, кратко остановимся на когерентности. Это свойство представляет значительный интерес с точки зрения потенциальной возможности применения лазеров для связи, однако для лазерного воздействия оно имеет второстепенное значение. Когерентность связана с малой угловой расходимостью луча. Некогерентный источ­ ник можно сфокусировать на малую площадку лишь ценой боль­ ших потерь в полной мощности источника, так что когерентные свойства имеют отношение, хотя и косвенное, к возможности соз­ дания с помощью лазеров большой интенсивности облучения. Тем не менее когерентность лазерного луча не столь важна. Вооб­

1)Указывая эти частотные диапазоны, мы имеем в виду спектральную шири­ ну одной моды лазерного резонатора. Большинство же лазеров работают

в многомодовом режиме, так что спектр выходного излучения состоит из некоторого количества линий, разделенных характеристическим частот­ ным интервалом, величина которого зависит от длины резонатора. Полный частотный интервал лазера, включающий в себя моды резонатора, часто перекрывает почти всю ширину линии люминесценции активного лазер­ ного вещества. Однако каждая из мод резонатора может занимать значи­ тельно более узкий частотный интервал, и правильнее характеризовать частотную стабильность лазера именно этим интервалом.

СВОЙСТВА Л А З Е Р О В

нее световой волны. Идея о когерентности, по существу, основана на корреляции. Если изменение электрического поля, связанного со световой волной, от одной пространственно-временной точки до другой носит регулярный, предсказуемый характер, то степень корреляции велика и электромагнитная волна обладает когерент­ ностью. Если же изменения поля световой волны от одной про­ странственно-временной точки до другой являются беспорядочными и непредсказуемыми, то значение корреляционной функции мало.

Абсолютную величину у12 (т) можно определить эксперимен­ тально, наблюдая интерференционные полосы [23]. Такие экспе­ рименты были проведены для лазерного света. Для гелий-неонового лазера, работающего в режиме одной моды, измеренная абсолют­ ная величина у12 (т) превышает 0,9985 [24]. Степень когерентности твердотельных и газовых лазеров, работающих в многомодовом режиме, не столь высока. Картина интерференционных полос, полу­ ченная в опытах с рубиновыми лазерами, качественно означает, что излучение, испускаемое лазером, пространственно когерентно в пределах торца рубинового стержня [25, 26] и когерентно по вре­ мени в течение более чем 85 нс [27]. Нестационарная интерферен­ ционная картина, получаемая от рубиновых лазеров, сложным образом зависит от времени и не воспроизводится при переходе от одного рубинового кристалла к другому [28]. Для импульсных твердотельных лазеров точное измерение величины у12 (т) не про-

^ В Р Е М Е Н Н О Й ХОД ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Имеется несколько различных временных режимов работы лазера, в том числе непрерывный и ряд импульсных режи­ мов, которые могут быть получены с лазерами разных типов. Боль­ шинство газовых лазеров, в частности лазер на С02 и гелий-нео- новый, работают обычно в непрерывном режиме. Самые большие мощности в непрерывном режиме получены от С02-лазеров, хотя уровни мощности, получаемые с помощью лазеров непрерывного действия на иттрий-алхоминиевом гранате, активированном неоди­ мом, также достаточно высоки. Твердотельные, например руби­ новые, лазеры, используемые при исследовании воздействия излу­ чения на вещество, работают обычно в импульсном режиме. Для рассмотрения всего диапазона эффектов, которые можно получить с помощью лазеров, необходимо описать возможные импульсные режимы их работы. Пользуясь различными способами осуществления импульсного режима работы, можно широко варьи­ ровать временную структуру лазерного излучения. Даже с одним типом импульсного лазера, например с лазером на рубине, удается получить большое разнообразие временных режимов путем изме­ нения условий работы. Поскольку характер действия излучения на вещество в значительной мере зависит от конкретного типа

два конкурирующих между собой процесса: заселение верхнего лазерного уровня под действием источника накачки и опустоше­ ние его за счет вынужденного излучения. В результате было полу­ чено, что свет испускается короткими вспышками [29—32]. Общие закономерности дичковой генерации удовлетворительно объясня-

гуотся подобным механизмом.

'у При использовании методов так называемой модуляции доб- ^ротности можно получать импульсы, лежащие в диапазоне от 10до 1000 нс. Под модуляцией добротности подразумевают изме­ нение величины добротности лазерного резонатора *). Модуля­ цию можно осуществлять различными способами — например, вра­ щая одно из зеркал резонатора или внося поглощающий элемент между лазерным стержнем и одним из зеркал. Существует много ти­ пов элементов с переменным поглощением, таких, например, как ячейка Керра и просветляющиеся фильтры. Ниже мы опишем некото­ рые из этих элементов. Во время накачки активного элемента лазера светом импульсной лампы нарушается оптическая связь между этим элементом и зеркалами резонатора. Резонатор выключен, поэтому генерация не возбуждается, а инверсная населенность достигает уровня, намного превышающего пороговую величину в обычном режиме [33, 34]. Затем состояние модулирующего доб­ ротность элемента меняют таким образом, чтобы свет от стержня достигал зеркал. Так как этот процесс приводит к изменению доб­ ротности резонатора, он получил название модуляции добротно­ сти. Если лазерный стержень, находящийся в сильно возбужден­ ном состоянии, оптически связать с параллельными зеркалами резонатора, то происходит генерация очень короткого импульса. Накопленная энергия излучается в виде импульса с гораздо более

\ высокой мощностью и намного меньшей длительностью, чем в слу- ' | чае, когда модуляция добротности не применяется. Таков метод

) .получения самых высоких пиковых мощностей. Модуляцию'доб­ ротности обычно используют в твердотельных генераторах, но она также была с успехом применена и в лазерных системах на угле­ кислом газе [35]. Использование модуляции добротности в лазе­ рах влечет за собой потерю энергии по сравнению с режимом мил­ лисекундного импульса, однако пиковая мощность таких лазеров намного выше благодаря значительному укорочению длительности импульса. Типичная величина длительности импульсов лазера

Добротность резонатора определяется как отношение энергии, запасенной; в резонаторе, к энергии, покидающей его за период колебания поля. (Обычно добротностью называют величину, в 2я раз большую, см., напри­ мер, [78].— Прим. ред.). Таким образом, резонатор с высокой доброт­

ностью эффективно запасает энергию, резонатор же с низкой доброт­ ностью быстро излучает ее. Резкий переход от состояния с высокой доб­ ротностью к состоянию с низкой добротностью вызывает быстрый уход, энергии из резонатора в виде мощного излучения.