ПЕРЕВАГИ ЛАЗЕРОВ
Лазери як джерела випромінювання володіють наступними перевагами:
1) лазери дають вельми монохроматическое когерентне випромінювання.
Нагадаємо, що монохроматичность і когерентність випромінювання взаємопов'язані. Якщо в дану точку приходять два цуга хвиль однакової
частоти і площини поляризації, то протягом короткого часу поки в цій точці існують обидві хвилі, їх можна вважати когерентними, так як протягом цього часу результат їх інтерференції змінюватися не буде. Некогерентність таких обмежених цугов хвиль проявляється в тому, що в наступні проміжки часу через ту ж точку проходять вже інші цуги хвиль з іншої різницею фаз і, отже, з іншим результатом інтерференції. Тому чим довше цуги хвиль, тим більшою мірою (протягом більшого часу) вони будуть когерентні. Абсолютно когерентними будуть нескінченно довгі, т. Е. Гармонійні, хвилі. З іншого боку, короткі цуги хвиль не є монохроматичним; якщо їх розкласти на гармонійні складові, то виходить широка спектральна лінія, яка містить безперервний інтервал частот тим більший, чим коротше хвиль. Довгі цуги хвиль мають малі і тому є більш монохроматичними. Таким чином, чим більше ступінь когерентності випромінювання (т. Е. Довша цуги випускаються хвиль), тим більше монохроматическим є це випромінювання; нескінченна гармонійна хвиля є ідеально когерентної і одночасно ідеально монохроматичної. Отже, будь-яке пристрій, який забезпечує (підвищує) когерентність випромінювання, сприяє також монохроматізаціі цього випромінювання (зменшення розкиду частот в межах спектральних ліній). Зауважимо до речі, що при імпульсному режимі роботи лазера, коли електромагнітна хвиля переривається, випромінювання виходить менш когерентним, ніж при безперервному режимі;
2) потужність випромінювання лазерів досить велика. Наприклад, якщо рубіновий стрижень отримав від лампи при імпульсної накачування енергію і висвітився за те потік випромінювання буде дорівнює
За допомогою лінз можна сфокусувати це випромінювання на невеликому майданчику і отримати на неї колосальні концентрації потужності; наприклад, якщо діаметр фокального плями дорівнює то і
При такій концентрації потужності (енергетичної освітленості) можна зробити майже миттєві процеси в різних тілах. Однак не слід забувати, що енергія, що міститься в випромінюванні лазера, все ж невелика, тому процеси, що вимагають великої витрати енергії, не можуть бути здійснені випромінюванням, що не містить цієї енергії, як би не були великі потік випромінювання або концентрації потужності на площі або в обсязі. Очевидно, необхідну енергію можна отримати, збільшуючи розміри лазера, повторюючи імпульсні викиди променевої енергії з великою частотою або використовуючи лазери безперервної дії. Таким чином, лазер працює
як прилад, що концентрує інформацію, що надходить ззовні і розкидану в часі енергію;
3) напруженості електричного і магнітного полів в лазерної хвилі досить великі. Якщо, наприклад, в сонячному світлі, то в випромінюванні лазера середньої потужності напруженість досягає десятків і сотень кіловольт на сантиметр. Розрахунок проводиться таким чином: припустимо, що з рубінового стрижня за час з виходить потік випромінювання з перетином і потужністю. В обсязі (з - швидкість світла) буде міститися енергія. Так як щільність енергії в електромагнітної хвилі
Отже, лазерний промінь може здійснити процеси, що вимагають великих напруженостей електричного і магнітного полів;
4) спрямованість випромінювання лазерів може бути зроблена дуже точної (кутова розбіжність в пучку - дуже малим).
Якщо дзеркала лазера строго паралельні, то лазерний промінь буде представляти собою плоску хвилю. Дифракція цієї хвилі на круглому отворі (торець рубінового стрижня) діаметра дає кутова розбіжність для плями Ейрі (див. § 5)
При радий, або близько 0,75 хв Якщо скористатися двома лінзами (рис. IV.98), то можна збільшити діаметр лазерного пучка до 10 разів і отримати кут розбіжності порядку декількох секунд. При такій спрямованості лазерного випромінювання пляма, утворене на Місяці мало б радіус
Зауважимо, що при використанні короткохвильових радіохвиль, наприклад см, для отримання плями таких розмірів знадобилося б фокусує дзеркало діаметром близько
5) спектральна щільність енергетичної світності в випромінюванні лазерів значно перевершує відповідну щільність спонтанного випромінювання, а також теплового випромінювання при тій же температурі. Наприклад, в рубіновому лазері атоми хрому випромінюють хвилю з розкидом, рівним при спонтанних переходах в лазерному режимі
Отже, одна і та ж потужність спектральної лінії в лазерному режимі доводиться на інтервал довжин хвиль, в 270 разів менший, ніж при спонтанному випромінюванні; тому яскравість лазерної спектральної лінії буде в стільки ж разів більше.
Якщо лазерний пристрій призначений для отримання когерентного випромінювання, то його якість може бути оцінений за змістом в цьому випромінюванні некогерентних хвиль. Крім вимушених переходів в активному середовищі лазера відбуваються також і спонтанні переходи. Та частина випромінювання, що припадає на частку спонтанних переходів, є некогерентного і повинна розглядатися як перешкода по відношенню до основного когерентного випромінювання; цю частину випромінювання називають шумом (термін, прийнятий в радіотехніці). Характеристикою когерентного джерела світла є відношення інтенсивності шуму до інтенсивності «упорядкованого» когерентного випромінювання. З цієї точки зору теплові джерела світла є генераторами шумів в широкій області спектра. Радіотехнічні генератори електромагнітних хвиль мають малий рівень шумів, завдяки чому можлива передача великої інформації за допомогою модуляції і демодуляції цих хвиль;
6) коефіцієнт корисної дії лазерів, які використовують різні «активні» речовини, коливається в широких межах: від часток відсотка до значень, що наближаються до 100%.
К. п. Д. Газового лазера на гелії і неоні дуже малий (близько 1%). Більш високий к. П. Д. (До 10%) отримано у газового лазера, що містить суміш вуглекислого газу з азотом (іноді з невеликою домішкою гелію). У газі викликається електричний розряд, при якому енергія електронів виявляється достатньою для перекладу молекул азоту на нижчий коливальний рівень Проте для атомів азоту перехід з цього рівня на основний з випусканням фотона заборонений (має дуже малу ймовірність реалізації), але можлива безизлучательним передача енергії молекулам при теплових зіткненнях; ця передача полегшена тим, що енергія мало відрізняється від енергії, необхідної для збудження молекул на «лазерний рівень». У молекул є ще й інші, більш низькі рівні енергії; істотно, що вони звільняються значно швидше, ніж рівень Їв (внаслідок зіткнень з непорушення молекулами і переходом енергії збудження в теплоту). Таким чином, у молекул верхні рівні (і в тому числі головний рівень) виявляються більш заповненими в порівнянні з нижчими рівнями, що забезпечує можливість появи лазерного ефекту. Великою перевагою лазерів на вуглекислому газі є (крім високого к. П. Д.) Можливість отримання великих потужностей.
Напівпровідникові лазери мають к. П. Д. Близький до 100%. Це особливо цінно в приладах, де використовуються мініатюрні лазери (напівпровідникові лазери мають активний шар товщиною в кілька мікрон, а сам кристал може мати розміри порядку Недоліком напівпровідникових лазерів в порівнянні з газовими є велика «розмитість» спектральних ліній. Навіть якщо (для усунення «шумів ») помістити лазер на арсеніді галію в
термостат з температурою рідкого азоту то яку випромінює їм лінія має ширину розмитість лінії в газових лазерах ця величина значно менше і менше).