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

Наличие пикосекундной составляющей может по-разному вли­ ять иа эффекты, производимые лазерным излучением. В случае нагревания, когда эффект линейно зависит от мощности светового луча, присутствие высокочастотных осцилляций в импульсе лазера с модулированной добротностью не может сильно повлиять иа ре­ зультаты измерений, сделанных в течение времени, за которое излучается несколько пикосекундных импульсов. Чтобы опреде­ лить в каждом частном случае, сказывается ли наличие пикосе­ кундной составляющей на результатах исследования данного эффекта, следует рассмотреть конкретную временную структуру импульса вместе с соответствующей восприимчивостью среды и

еехарактерными временами релаксации.

Врежиме пикосекундных импульсов достигаются самые высо кие величины мгновенной мощности: энергия порядка 10 Дж н.злу-j

^генераторов. Это импульсный периодический режим. Такие твер­ дотельные лазеры, как рубиновые лазеры и лазеры на иттрийалюминиевом гранате, активированном неодимом, могут работать с большой частотой повторения импульсов, что достигается путем периодического поджигания лампы накачки. В этом режиме полу­ чена частота повторения порядка килогерца. Основная проблема при таком характере генерации заключается в обеспечении эффек­ тивного охлаждения. Энергия в каждом из повторяющихся импульсов, как правило, не столь высока, как в моноимпульсном режиме с низкой частотой повторения вспышек.

В газовых лазерах импульсный периодический режим реали­ зуется путем периодического подвода энергии к разрядной трубке. На С02-лазерах, особенно эффективно работающих в этом режиме,

этом 100 Вт Д. Этот режим может оказаться более интересным иполезншТс"точки зрения действия лазерного излучения на веще­ ство, чем непрерывный режим при той же самой мощности. Особен­ но это касается воздействия па металлические мишени, которое мы рассмотрим в гл. 8.

Другой способ получения импульсного периодического режима был успешно применен в лазерной системе на иттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом. В этом режиме источник накачки излучает непрерывно, а добротность резонатора периодиче-

'■) Выходные параметры лазеров можно характеризовать как мощностью, так и энергией. Предполагается, что различие между энергией («работой») и мощностью («скоростью, с которой производится работа») хорошо изве­ стно. Импульс характеризуется либо полной энергией, содержащейся в нем, либо пиковой мощностью. В лазерной технике энергия обычно измеряется в джоулях, мощность — в ваттах.

нении выходных параметров рубиновых лазеров, которые сведены в табл. 1.1. Режимы генерации в этой таблице представлены в по­ рядке увеличения пиковой мощности и одновременного уменьше­ ния длительности импульса. Обычно конкретный тип лазера исполь­ зуют только в одном или двух из этих временных режимов.

Временные характеристики весьма важны при изучении эффек­ тов взаимодействия, которые описываются в следующих главах.

§ 3. МОДОВЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРОВ

Открытый резонатор, образованный зеркалами лазера, обладает определенными устойчивыми конфигурациями электро­ магнитного поля, которые называются модами 1). Типы колебаний лазерного резонатора во многом схожи с хорошо известными типа­ ми колебаний микроволновых резонаторов. Различие заключается в том, что в случае лазера размеры резонатора намного превышают длину электромагнитной волны. Каждая мода имеет собственную резонансную частоту. Каждая аксиальная (или продольная) мода представляет собой стоячую волну с целым числом полуволн, укла­ дывающихся на длине резонатора.

Детальному анализу мод лазерного резонатора посвящено мно­ го работ [43—45]. Если открытый резонатор оптического кван­ тового генератора образован двумя параллельными зеркалами, как это обычно бывает в мощных твердотельных лазерных систе­ мах, резонансные частоты даются соотношением [46]

Здесь / — резонансная частота, с — скорость света в веществе лазера, d — расстояние между зеркалами, а — радиус зеркал, п — целое число (равное количеству световых полуволн, уклады­ вающихся, между зеркалами) и fn\ — гс-й корень первой производ­ ной бесселевой функции первого рода порядка I. Обычно п много больше величины dj'nilna, поэтому часто используют приближен­ ное равенство пк — 2d. Это выражение дает частоты аксиальных мод плоскопараллельного резонатора. Аксиальные моды можно рассматривать как определенные конфигурации поля, при кото­ рых между зеркалами заключено п световых полуволн с узлами на поверхности каждого зеркала. Различие в частотах аксиальных мод равно c/2d, что для типичных твердотельных лазеров по поряд­ ку величины составляет гигагерцы. Ширина линии люминесценции рубина или стекла с неодимом достаточно велика, и на ней уме­ щается несколько аксиальных мод лазерного резонатора.

*) Наряду с термином «мода» в отечественной литературе используется экви­ валентный ему термин «тип колебаний». Среди обширной литературы по типам колебаний открытых резонаторов следует, кроме указанных в тексте статей, отметить работы [79—83].— Прим. ред.

Принимая во внимание структуру, задаваемую вторым членом соотношения (1.3), можно видеть, что вблизи каждой основной аксиальной моды имеется группа сопутствующих мод. Эти моды более высокого порядка называются неаксиальными п соответст­ вуют распространению световых волн под малыми углами к оси лазерной системы. Для мод более высокого порядка дифракцион­ ные потери возрастают, поэтому генерация происходит на не­ большом количестве мод самого низкого порядка. Обычный лазер с плоскопараллельными зеркалами генерирует большое число аксиальных мод, отстоящих друг от друга на частотный интервал, равный c/2d, и заполняющих большую часть ширины липни люми­ несценции. Каждая аксиальная мода может сопровождаться несколькими модами более высокого порядка, слегка различающи­ мися по частоте.

Для резонатора с неплоскпмп зеркалами решение в замкнутом виде было получено для случая, когда зеркала конфокальны [44]. Частота моды определяется при этом тремя целыми числами q, т, п и дается выражением

(1.4)

Как правило, число q велико, &т л п малы. Такие типы колебаний называют ТЕМт „-модами. Аксиальным модам соответствуют зна­ чения т = п — 0. Эти моды сильно вырождены, поскольку имеет­ ся много мод более высокого порядка, обладающих той же частотой. Потерн обычно выше для мод более высокого порядка.

к вспышке, в связи с чем различные импульсы фокусируются поразному.

Теперь можно ввести понятие яркости. Яркость источника представляет собой величину мощности, излучаемой им с единицы площади в единичный телесный угол х). Фундаментальная теорема оптики гласит, что яркость источника невозможно ушсличить посредством какой-либо оптической системы. При фокусировке луча верхняя предельная величина телесного угла, заполненного схо­ дящимся в точку' излучением, равна 2л. Таким образом, макси-

ЧВ радиометрии для этой величины принят термин «светимость». В лазер­ ной же технике более широко распространен термин «яркость».