Физические характеристики лазера

Приблизительное время прочтения: 19 минут

Лазер - это разновидность оптического излучения, использующая принцип вынужденного излучения атомов или молекул для возбуждения рабочего вещества. Все фотоны в одном и том же лазерном луче имеют одинаковую частоту, одинаковую фазу, одинаковую поляризацию и направление распространения. Таким образом, лазер представляет собой когерентное световое излучение с хорошей монохроматичностью, сильной направленностью и чрезвычайно высокой яркостью. Технология лазерной обработки - это систематическая инженерия, объединяющая свет, механику и электричество. Он также пересекается со многими дисциплинами, такими как физика, материалы, машины и автоматизация. Это одно из пограничных направлений научно-технического развития. Лазерные технологии и оборудование быстро развивались в последние годы и привлекают все большее внимание стран всего мира.

Особенности лазера

Как когерентный свет, лазер имеет множество характеристик.

Хорошая монохромность

Сущность света - это разновидность излучения электромагнитных волн. Для излучения электромагнитных волн, чем больше длина когерентности, тем уже ширина спектральной линии и чище цвет, то есть тем лучше монохроматичность света. На примере гелий-неонового лазера длина когерентности лазера составляет около 4 × 10⁴м. До появления лазеров лучшим монохроматическим источником света была криптоновая лампа, которая давала когерентную длину светового излучения около 0,78 м. Видимое возбуждение - самый простой источник света в мире.

Высокая яркость

Еще одна выдающаяся особенность лазера - высокая яркость. Обычно интенсивность светового излучения, излучаемого единичной светоизлучающей областью ΔS, единичная ширина светового излучения Δν и угол расходимости θ определяются как монохроматическая яркость B_λ источника света.

B_λ = P / ΔSΔνθ² (2.1)

В формуле P - мощность лазера.

Хотя полная мощность, излучаемая солнцем, велика, ширина светового излучения Δν очень велика, угол расходимости θ велик, а монохроматическая яркость все еще очень мала.

Хотя Δν и θ малы, лазер имеет высокую монохроматическую яркость. Сообщается, что монохроматическая яркость лазера B_λ производимая мощными лазерами даже в 100 триллионов раз выше, чем у Солнца.

Сильная направленность

Из механизма генерации лазера видно, что в условиях однородной среды распространения угол расходимости θ лазера ограничивается только зацеплением;

θ = 1,22λ / D (2.2)

В формуле λ - длина волны, а D - диаметр пятна источника света.
Расстояние между Землей и поверхностью Луны составляет примерно 3,8 × 10⁵км. Луч лазера достигает Луны с наилучшей фокусировкой, а диаметр его пятна составляет всего несколько десятков метров.

Хорошая согласованность

Самый длинный интервал времени, в течение которого свет создает когерентность, называется временем когерентности τ. Во время когерентности самое дальнее расстояние, которое проходит свет, называется длиной когерентности Lc.

L_c = cτ = λ²/ Δλ (2.3)

В формуле c - скорость света.
Поскольку полоса пропускания лазера Δλ очень мала, длина когерентности Lc очень велика. Фактически, если монохроматичность хорошая, когерентность хорошая, и длина когерентности также больше.

Высококонцентрированная энергия

Некоторые военные, авиационные, медицинские и промышленные лазеры могут производить высокую лазерную энергию. Например, выходная мощность лазеры для ядерного синтеза может достигать 10¹⁸W. Он может преодолеть силу отталкивания между ядрами и реализовать реакцию ядерного синтеза. С развитием технологии лазерных ультракоротких импульсов люди могут использовать технологию усиления импульсов для получения лазеров. Пиковая мощность до 10¹⁵W из сапфировых лазерных устройств, легированных титаном, используемых для генерации чрезвычайно коротких лазерных импульсов.

Основной принцип лазерной генерации

Взаимодействие света и материи

Основные предположения теории атома

Предположение о стационарном состоянии атома Вся материя состоит из атомов. Атомная система находится в серии прерывных энергетических состояний. Вокруг ядра орбита электронов прерывистая, и атом находится в стабильном состоянии с постоянной энергией. Это состояние называется стационарным состоянием атома, а состояние, соответствующее самой низкой энергии атома, называется основным состоянием.

Если электрон на внешней орбите атома получает определенное количество энергии извне. Электрон перейдет на внешнее орбитальное движение. Энергия атома увеличивается, и в это время атом называют атомом в возбужденном состоянии.

Частотные условия Переход атома из одного стационарного состояния E₁ в другое стационарное состояние E2. Частота ν определяется по следующей формуле.

hν = E₂ - E₁ (2.4)

Своеобразный монохроматический свет соответствует фотону, рожденному тем же переходом атома. hν - энергия фотона.

Взаимодействие между полем излучения и веществом, особенно корезонансное взаимодействие, заложило физическую основу для появления и развития лазеров. Когда частота падающей электромагнитной волны соответствует резонансной частоте среды, происходит резонансное поглощение (или усиление). Генерация и взаимодействие света и материи будет включать взаимодействие поля и среды.

Стимулированное всасывание

Предполагая, что двумя энергетическими уровнями атома являются E₁ и E₂, а E₁<E₂ если облучается фотон с энергией, удовлетворяющей формуле (2.4), атом может поглотить энергию этого фотона и перейти с низкого уровня E₁ государству на высоком уровне The E₂ штат. Такой вид атомного поглощения фотонов и переход с низкого энергетического уровня на высокий энергетический уровень называется процессом стимулированного поглощения атома (рис. 2.2).

Спонтанное излучение

Состояние атома на высоком энергетическом уровне после возбуждения нестабильно. Как правило, может оставаться не более 10^-8с. Он самопроизвольно вернется в состояние с низкой энергией без внешнего воздействия и в то же время будет излучать энергию во внешний мир. Для фотона с hν = E₂-E₁этот процесс называется процессом спонтанного излучения атома. Спонтанное излучение является случайным, направление излучения и начальная фаза каждого фотона излучения различны, излучение каждого атома не зависит друг от друга, поэтому свет спонтанного излучения некогерентен Рис. 2.1.

Вынужденное излучение и оптическое усиление

Атом на уровне энергии возбужденного состояния, если он возбужден фотоном с внешней энергией hν и удовлетворяет формуле (2.4) до того, как испустит спонтанное излучение, он может перейти из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, а при в одно и то же время испускают фотоны с одинаковой частотой, той же фазой, тем же направлением и даже с одинаковым состоянием поляризации с внешними фотонами. Этот процесс называется вынужденным излучением атомов [рис. 2.2].

Если падающий фотон вызывает стимулированное излучение и добавляет один фотон, эти два фотона продолжают запускать стимулированное излучение и добавляют еще два фотона, а затем четыре фотона умножаются на восемь фотонов ... и так далее, под действием одного падающего фотона атомная система может получить большое количество фотонов с точно таким же состоянием и характеристиками. Это явление называется оптическим усилением. Следовательно, процесс вынужденного излучения заставляет атомную систему излучать большое количество фотонов с той же частотой, той же фазой, тем же направлением распространения и тем же состоянием поляризации, что и падающий свет, то есть идентичные фотоны. Усиление света, вызванное стимулированным излучением, является важной базовой концепцией в механизме генерации лазера.

Обратное изменение численности населения

Из определения спонтанного излучения и вынужденного излучения можно видеть, что спонтанное излучение механизма излучения света обычных источников света является доминирующим, но излучение лазеров в основном является вынужденным излучением атомов. Чтобы стимулированное излучение преобладало в атомной системе и продолжало излучать лазеры. Мы должны попытаться изменить распределение атомной системы, когда она находится в тепловом равновесии, чтобы количество атомов на высоких энергетических уровнях продолжало превышать количество атомов на низких энергетических уровнях, то есть достигалось количество частиц.

Чтобы добиться инверсии населенности, в систему необходимо вводить энергию извне. Чтобы как можно больше частиц в системе поглощали энергию. Затем переходите с низкого уровня энергии на высокий уровень энергии. Этот процесс называется процессом возбуждения или откачки. Способы возбуждения обычно включают возбуждение светом, возбуждение газового разряда, химическое возбуждение и даже возбуждение ядерной энергией. Например, рубиновые лазеры используют оптическое возбуждение, гелий-неоновые лазеры используют электрическое возбуждение, а лазеры на красителях используют химическое возбуждение.

Лазерное производство Условия

В рабочем веществе, которое достигло инверсии населенности (например, световое или электрическое возбуждение), стимулированное излучение может преобладать, но фотон, который первым запускает стимулированное излучение, генерируется спонтанным излучением, а спонтанное излучение является случайным. Следовательно, усиление света за счет стимулированного излучения также является случайным и в целом неупорядоченным. Это требует добавления ряда устройств.

Оптическая полость

На двух концах рабочего материала устанавливаются два зеркала, параллельные друг другу. Между двумя зеркалами образована оптическая резонансная полость. Одно из них является зеркалом полного отражения, а другое - зеркалом частичного отражения.

Среди фотонов, испускаемых во всех направлениях, кроме фотонов, распространяющихся в осевом направлении. Все они быстро покидают оптическую резонансную полость, и только свет в осевом направлении непрерывно усиливается, создавая колебания в полости вперед и назад. Следовательно, в лазерной трубке ступенчато регулируемый свет непрерывно усиливается, чтобы сформировать свет с большей амплитудой. Таким образом, свет отражается вперед и назад между зеркалами, которые параллельны друг другу на обоих концах трубки. Затем полностью усиленный свет проходит через частичное зеркало, чтобы излучать монохроматический свет с той же фазой.

Пороговое состояние колебания света

С энергетической точки зрения, хотя колебания света увеличивают интенсивность света, поглощение, отклонение и проекция света на две торцевые стороны и среду в то же время ослабляют интенсивность света. Только когда усиление больше, чем потери, лазер может быть выведен. Это требует, чтобы рабочее вещество и резонатор удовлетворяли условию «усиление больше потерь», которое также называется пороговым условием.

Частотные условия

Роль оптического резонатора не только увеличивает эффективную длину L распространения света. Но также образует легкую стоячую волну между двумя зеркалами. Фактически, единственный свет, который удовлетворяет условиям стоячей волны, может быть усилен стимулированным излучением.

Из L = kλ_п/ 2 (k = 1,2,3…), λ_п= c / nν, имеем

ν = kc / 2nL или Δν = c / 2nL (2.5)

В формуле n - целое число, а c - скорость света.
Частота ν, создаваемая вынужденным излучением в лазерной трубке, может быть получена из уравнения (2.4)

ν = (E₂ - E₁ ) / ч (2,6)

В формуле h - постоянная Планка.

Чтобы частота удовлетворяла формуле (2.5) и формуле (2.6). Длину резонатора резонансной полости необходимо отрегулировать. Таким образом, основные условия для формирования лазера следующие.

• Рабочее вещество может осуществлять инверсию населенности при возбуждении источника возбуждения.
• Оптический резонатор может непрерывно усиливать стимулированное излучение. То есть выполнить пороговое условие, согласно которому усиление больше потерь.
• Удовлетворяют частотным условиям формулы (2.5) и формулы (2.6)

Характерные параметры качества лазерного луча

Лазеры широко используются во многих областях, поэтому требования к качеству лазерного луча становятся все выше и выше. Параметры луча (такие как распределение интенсивности света, ширина луча, угол расходимости и т. Д.) Являются важными факторами, определяющими влияние лазерных приложений. Как использовать простой, точный и практичный метод измерения и оценки качества луча лазеров, излучаемых лазерами, стало ключевым вопросом в исследованиях лазерных технологий. Исследователи использовали характеристические параметры фокусировки лазерного луча K_ж, дифракционный предел кратный M² коэффициент, угол расходимости в дальней зоне θ₀, коэффициент дифракции пучка β и коэффициент Штреля S_р для оценки качества лазерного луча, но эти методы подходят для разных целей. Оценка качества лазера в приложении не смогла сформировать единый стандарт для оценки качества лазерного луча.

Характеристический параметр фокусировки пучка K_ж

Параметр характеристики фокусировки пучка Kf, также известный как произведение параметров пучка (BPP, произведение параметров пучка), определяется как 1/4 произведения диаметра перетяжки пучка d.₀ угол расходимости пучка в дальней зоне θ₀

K_ж= d₀θ₀/4 (2.7)

Уравнение (2.7) описывает принцип, согласно которому произведение диаметра перетяжки пучка и угла расходимости в дальней зоне является постоянным, а K_ж является константой во всей системе преобразования передачи луча, которая подходит для оценки качества лазерного луча в промышленной сфере.

Дифракционный предел кратный M² факторы

В 1988 году AE Siegman определил произведение ширины луча, выраженное вторым моментом, на основе пространственного порога фактического луча и порога пространственной частоты как качество луча M² фактор, который эквивалентен бесконечному количеству информации, описывающей комплексную амплитуду световой волны, через прямоугольную форму второго порядка для извлечения коэффициента комбинации, более разумное описание качества лазерного луча, было принято Международной организацией для Стандартизация 1SO / TC172 / SC9 / WG1, проект стандарта в 1991 году. M² коэффициент определяется как

M2 = (фактический диаметр перетяжки пучка x фактический угол полевой эмиссии луча) / (идеальный диаметр перетяжки луча x идеальный угол полевой эмиссии луча) = (πd0θ0) / (4λ) (2,8)

В формуле d₀ - диаметр перетяжки лазерного луча: θ₀ Угол расходимости в дальней зоне; λ - длина волны.

Их² Фактор - это обычно используемый параметр для оценки качества лазерных лучей, который также называется коэффициентом качества луча. Однако следует отметить, что определение M² Фактор основан на определении матрицы второго порядка ширины луча в пространственном пороге и пороге пространственной частоты. Ширина перетяжки лазерного луча определяется распределением интенсивности света в поперечном сечении перетяжки луча, а угол расходимости в дальней зоне определяется распределением фазы. Следовательно, M² Фактор может отражать характеристики распределения интенсивности и фазового распределения светового поля и характеризует степень отклонения фактического луча от предельной скорости дифракционной расходимости. Чем больше M² фактор, тем быстрее луч отмечает расхождение.

Угол расходимости дальнего поля θ

Предполагая, что лазерный луч проходит вдоль оси z, угол расходимости в дальней зоне равен θ0, что выражается формулой асимптоты как

θ₀= lim = (w (z)) / z (2.9)

В формуле w (z) - радиус перетяжки луча при распространении лазера к оси z. Угол расходимости в дальней зоне характеризует расходимость, характерную для процесса распространения пучка, очевидно, θ₀ Чем больше расходимость луча, тем быстрее. В реальном измерении, после фокусировки или расширения измеренного лазерного луча с помощью фокусирующей оптической системы или фокусирующей системы с расширением луча, отношение ширины луча, измеренной в фокальной плоскости, к фокусному расстоянию фокусирующей оптической системы используется для получения дальнего расстояния. угол расходимости поля. Из-за θ₀, размер может быть изменен путем расширения или фокусировки луча (например, с помощью телескопа для расширения луча), поэтому использование угла расходимости в дальней зоне в качестве критерия качества луча некорректно.

Яркость лазерного луча B

Яркость - важный параметр, описывающий характеристики лазеров. Согласно традиционным оптическим концепциям яркость лазерного луча относится к энергии, излучаемой единицей площади поверхности источника света, перпендикулярной единице телесного угла, выраженной как

B = P / ΔSΔΩ (2,10)

В формуле P - полная мощность (или энергия), излучаемая источником света; ΔS - светоизлучающая площадь единичного источника света; ΔΩ - телесный угол излучения. Лазерный луч передается в среде без потерь или в оптической системе без потерь, а яркость источника света остается неизменной.

Эквивалентный коэффициент качества пучка M²_е

Поскольку в пределах эквивалентного размера пятна, определяемого моментом второго порядка, процент мощности луча к общей мощности зависит от распределения светового поля, метод описания качества луча предусматривает: размер пятна перетяжки луча и дальность - угол расходимости поля, определенный в области, отношение мощности лазера к полной мощности составляет 86,5%, а его эквивалентный коэффициент качества луча равен

M²_е = πω86,5θ86,5 / λ (2,11)

В формуле ω - радиус перетяжки пучка; θ - угол расходимости в дальней зоне.

Предел дифракции пучка кратный коэффициент β

По углу расходимости в дальней зоне θ. Значение β можно определить как

β = (угол расходимости реального луча в дальней зоне) / (угол расходимости идеального луча в дальней зоне) = θ₀/ θ_th (2.12)

Величина β характеризует степень отклонения качества измеренного лазерного луча от идеального качества луча при тех же условиях. Значение β измеренного лазера обычно больше 1. Чем ближе значение β к 1, тем лучше качество луча. β = 1 - дифракционный предел. Значение β в основном используется для оценки лазерного луча, только что испущенного из лазерного резонатора. Он может разумно оценить качество луча ближнего поля. Это статический показатель эффективности, который не учитывает влияние атмосферы на турбулентность лазерного рассеяния. Измерение значения β зависит от. Для точного измерения угла расходимости луча в дальней зоне он не подходит для оценки лучей на больших расстояниях.

Коэффициент Штреля S_р

Коэффициент Штреля S_р определяется как

S_р= (пиковая интенсивность света на фактической оптической оси) / (пиковая интенсивность света на оптической оси) / = exp- (2π / λ) 2 (ΔΦ) 2 (2.13)

В формуле ΔΦ относится к искажению волнового фронта, которое вызывает ухудшение качества луча. S_р отражает максимальную интенсивность света на оси дальней зоны. Он зависит от искажения волнового фронта и может лучше отражать влияние искажения волнового фронта луча на качество луча. Коэффициент Штреля часто используется в атмосферной оптике, в основном используется для оценки характеристик систем адаптивной оптики для улучшения качества луча. Но S_р отражает только пиковую интенсивность света на оптической оси дальнего поля и не может дать распределение интенсивности света, которое беспокоит энергетические приложения. Кроме того, он может лишь приблизительно отражать качество луча и не может служить очень полезным руководством при проектировании оптических систем.

Коэффициент окружающей энергии BQ значение

Коэффициент окружающей энергии, также известный как коэффициент мощности на целевой поверхности (или в стволе), определяется как окружающая энергия (или мощность) фактического пятна в пределах указанного размера и окружающая энергия (или мощность) объекта идеальное место в пределах того же размера и идеальное в пределах того же размера Корень квадратный из отношения энергии (или мощности), окружающей пятно. Его выражение

BQ = √ (E / E₀) или BQ = √ (P / P₀) (2.14)

В формуле E₀ (Или P₀) и E (или P) - это, соответственно, энергия (или мощность) идеального пятна луча, окружающая энергия (или мощность), и измеренная фактическая энергия (или мощность) окружающего пятна луча в пределах указанного размера на цели. Значение BQ предназначено для передачи энергии и связи. Этот тип приложения объединяет концентрацию энергии луча на цели для оценки качества луча в дальней зоне. Значение BQ включает атмосферные факторы. Это исчерпывающий индекс, который описывает качество луча с точки зрения инженерных приложений и последствий повреждения, и является динамическим индексом лазерной системы, находящейся под воздействием атмосферы. Значение BQ напрямую связывает качество луча и плотность мощности и является отражением концентрации энергии. Он имеет практическое значение для изучения взаимодействия энергии и разрушающего действия мощного лазера и цели.

В дополнение к указанным выше параметрам для описания качества луча лазеров часто используются чистота мод, пространственная когерентность и глобальная когерентность. Различные параметры для оценки качества пучка имеют свои преимущества и ограничения. В таблице 2.1 приведены преимущества и недостатки различных параметров и применимых полей.

Параметры	Преимущества	Ограничения	Приложения
Kж	Включает только два фактора: диаметр луча и угол расходимости луча в дальней зоне.	Он не может отражать пространственное распределение интенсивности света.	Подходит для промышленных областей.
M2 фактор	Они могут объективно отражать угол расходимости в дальней зоне и содержание мод высокого порядка в луче, а также могут анализировать и характеризовать взаимосвязь преобразования передачи луча.	Введение параметров длины волны не подходит для сравнения качества лазерных лучей разных длин волн.	Ширина и расходимость луча, определяемые на основе момента второго порядка Angle, подходят для области линейной передачи луча.
θ0	Он характеризует степень расходимости пучка.	Не может отражать пространственное распределение интенсивности света	Простое понимание характеристик пучка
B	Характеризует когерентность пучка	Не может отражать пространственное распределение интенсивности света	Дисплей и подсветка
M2е	Определяет ширину луча в соответствии с 86.5% интенсивности света.	Введение параметров длины волны не подходит для сравнения качества лазерных лучей разных длин волн.
β	Необходимо измерить только один параметр θ.	θ можно изменить, выбор стандартного луча неоднороден	Оценка качества лазерного луча с нестабильным резонатором
Sр	Может объективно отражать пиковую интенсивность света на оси	Не может отражать пространственное распределение интенсивности света	Оптика атмосферы и оптический радар
Клапан BQ	Отражает концентрацию энергии в фокусном пятне в дальней зоне луча.	Мощность в стволе может быть получена из различных распределений энергии пучка.	Оценивается качество лазерного луча нестабильного резонатора.
Чистота режима	Мера отклонения фактического распределения интенсивности луча от идеального распределения интенсивности луча.	Не универсальный
Пространственная согласованность	Отражает пространственную когерентность луча	Не универсальный
Глобальная степень согласованности	Отражает пространственную когерентность луча	Не универсальный

Форма выхода лазерного луча

Пространственная форма лазерного луча определяется резонатором лазера. При заданных граничных условиях распределение электромагнитного поля в резонансной полости определяется путем решения волнового уравнения. В круговой симметричной полости существует простая пространственная форма поперечного электромагнитного поля.

Распределение поперечного электромагнитного поля в резонаторе называется поперечной модой в резонаторе, что выражается методом ПЭМ._млн. ТЕМ₀₀ представляет собой основную моду, ТЕМ₀₁, ТЕМ₀₂ и ТЕА₁₀, ТЕМ₁₁, ТЕМ₂₀ представляют моды низкого порядка, а ТЕМ₀₃, ТЕМ_04, и ТЕА₃₀, ТЕМ₃₃, ТЕМ₂₁и т. д. представляют собой моды высокого порядка. Выход большинства лазеров - мода высокого порядка. Чтобы получить выходной сигнал основной моды или режима низкого порядка, необходимо принять технологию выбора режима.

В настоящее время широко используемые методы выбора модели основаны на увеличении дифракционных потерь в резонаторе. Один из методов заключается в увеличении длины полости за счет использования мультирефракционной полости для увеличения дифракционных потерь в полости. Другой метод - уменьшить диаметр газоразрядной трубки лазера или увеличить длину резонатора. В полость добавлена небольшая апертурная диафрагма. Дифракционные потери пучка основной моды очень велики и могут достигать дифракционного предела, поэтому угол расходимости пучка основной моды мал. С точки зрения повышения эффективности лазерной накачки модовый объем резонатора должен максимально заполнять всю активную среду, то есть в лазере с длинной трубкой ТЭМ₀₀ Выходная мода доминирует, в то время как в генерации лазера в моде высокого порядка основная мода составляет лишь небольшую часть мощности лазера. Часть, поэтому выходная мощность моды высокого порядка велика.