eng
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ К 7-му ИЗДАНИЮ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Глава 1. СВЕТ, АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ТВЕРДЫЕ ТЕЛА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.1.
Свойства видимого излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Световые волны, электромагнитное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 24
Фотоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 26
Поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 26
Цвет видимого излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.
Атомы: орбиты электронов, уровни энергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 28
1.3.
Многоэлектронные атомы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Связь электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Правила отбора . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4.
Молекулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Электронные состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Колебания и вращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 35
1.5.
Энергетические уровни в твердотельных лазерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Полупроводники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Примесные атомы в изоляторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Центры окраски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.6.
Энергетические зоны в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Энергия электронов и дырок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
Плотности состояний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Вероятность заселения (распределение Ферми). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Легирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Инжекция носителей заряда, электронная плотность и энергия Ферми. . . . . . 44
Электронные волны в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Потенциальный барьер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Глава 2. ПОГЛОЩЕНИЕ И ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.1.
Поглощение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Атомистическая интерпретация поглощения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.
Спонтанное испускание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.
Усиление света за счет индуцированного испускания. . . . . . . . . . . . . . . .51
Коэффициент усиления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Распределение Больцмана, отрицательная температура . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.
Ширина линий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Естественная ширина линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Столкновительное уширение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Доплеровское уширение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Прочие механизмы уширения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
2.5.
Создание и уменьшение инверсной населенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Насыщение усиления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.
Световое излучение, генерированное ускоренными электронами . . . . . . . . . . . 60
2.7.
Конструктивное исполнение лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Сверхизлучение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Лазер: пороговое условие генерации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Стационарная генерация лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.8.
Характеристика излучения в зависимости от времени . . . . . . . . . . . . . . . 64
Стационарное решение скоростных уравнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Слабые релаксационные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Сильные релаксационные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Появление релаксационных колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Глава 3. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 72
Обзорная характеристика разных типов лазеров . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.
Длины волн и выходные мощности. . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.
Перестраиваемые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.
Лазеры, стабильные по частоте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.
Высокомощные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5.
Сверхкороткие световые импульсы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6.
Параметры лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 84
Глава 4. ЛАЗЕРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМАХ . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.
Гелий-неоновые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Схема энергетических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Возбуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 87
Длины волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Свойства пучка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.
Лазеры на парах металла (Cu, Au) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Схема энергетических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Извлечение меди из соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3.
Йодные лазеры, COIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 97
Глава 5. ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.
Лазеры для коротковолновой области. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.
Ионные лазеры на инертном газе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Ионные аргоновые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Конструктивное исп олнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 103
Ионные криптоновые лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 105
5.3.
Ионные лазеры на парах металла (Cd, Se, Cu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 105
He-Cd- и He-Se-лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 105
Прочие лазеры на парах металла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Глава 6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ЛАЗЕРЫ (ИРАЗЕРЫ) . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.
Лазеры дальнего ИК-диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 109
Лазеры с оптической накачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 109
Лазеры дальнего ИК-диапазона с электрической накачкой. . . . . . . . . . . . . . . . .111
6.2.
СО2-лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .111
Процессы возбуждения в газовых разрядах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Возбуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
Схема энергетических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
Линии лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
Непрерывный и импульсный режимы генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Лазер с медленным аксиальным газовым потоком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Лазер в герметичном корпусе (англ. sealed-off-laser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Волноводные лазеры (англ. waveguide laser). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Лазеры с быстрым газовым потоком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Лазеры с высокочастотным возбуждением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Лазеры атмосферного давления с поперечной накачкой (ТЕА-laser) . . . . . . . . 122
Газодинамические СО2-лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Перестраиваемые СО2-лазеры высокого давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.
СО-лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 124
6.4.
Фтороводородные (HF)-лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Схема энергетических уровней и процессы возбуждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
DF-лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Глава 7. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ УФ-ЛАЗЕРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
7.1.
Азотные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
Схема энергетических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 132
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 133
7.2.
Лазеры на эксимере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Энергетические уровни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Частотная селекция для литографских лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Преобразование частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 140
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .141
Глава 8. ЛАЗЕРЫ на КРАСИТЕЛЯХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.1.
Свойства лазеров на красителях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Оптическая накачка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2.
Возбуждение с помощью ламп-вспышек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.3.
Возбуждение с помощью лазера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Импульсные лазеры (нс) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Непрерывные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Сверхкороткие импульсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 150
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .151
Глава 9. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 152
9.1.
Рубиновые лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Схема энергетических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Излучение рубиновых лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 155
Конструктивное исполнение рубиновых лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.2.
Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом и альтернативные варианты . 157
Схема энергетических уровней лазеров Nd: ИАГ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Лазерное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Лазеры на Nd: Cr: ГСГГ (гадолиний-скандий-галлиевый гранат) . . . . . . . . . . 162
Лазеры на Nd: ИЛФ (иттрий-литий-фторид) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Кристаллы, сохраняющие поляризацию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Лазерные кристаллы с диодным возбуждением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Исполнение неодимовых лазеров с накачкой лампой-вспышкой . . . . . . . . . . 164
9.3.
Лазеры на стекле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Лазеры на стекле с неодимом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Сравнительная характеристика лазерных веществ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.4.
Эрбиевые и гольмиевые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 167
Лазеры на эрбии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 167
Лазеры на гольмии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.5.
Перестраиваемые твердотельные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .170
Лазеры на александрите. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
Лазеры на сапфире с титаном. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
Лазеры на Yb: ИАГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
Лазеры на Yb: КГВ (калий-гадолиний-вольфрам) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
9.6.
Лазеры на центрах окраски. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
Схема энергетических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
9.7.
Дисковые и волоконные лазеры с диодной накачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Лазеры с диодной накачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Дисковый лазер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Волоконные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 185
Глава 10. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
10.1.
Усиление света в диодах p-n-структуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10.2.
Лазеры на основе GaAlAs и InGaAsP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.3.
Конструктивное исполнение диодных лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Двойная гетероструктура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Полосковые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Волноводные лазеры ребристой структуры (англ. ridge waveguide laser). . . . . 196
Лазеры с горизонтальным резонатором и поверхностным излучением
(HCSEL = англ. horizontal-cavity surface-emitting). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Трапецеидальный усилитель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Лазерные матрицы и пакеты для высоких выходных мощностей . . . . . . . . . . 198
Монтаж и отвод тепла у высокомощных диодных лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Формирование пучка и ввод в волокнах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Лазеры с потенциальной ямой и потенциальной точкой . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.4.
Излучательные свойства диодных лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Характеристики излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
10.5.
Подстройка частоты диодных лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Частотно-зависимое усиление света в полупроводниках: теория . . . . . . . . . . 207
Частотная зависимость усиления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Конструктивное исполнение диодных лазеров с подстраиваемой частотой
(external cavity laser, ECL). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
Перестраиваемые лазеры DFB (distributed feedback)
или DBR (distributed Braff reflector) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .212
10.6.
Диодные лазеры с вертикальным резонатором
и поверхностным излучением (VCSEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
10.7.
Полупроводниковые лазеры для нижнего ИК-диапазона и ТГц-излучения . .217
Лазеры на соли свинца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
Квантовые каскадные лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
10.8.
Лазеры на GaN в фиолетовой, синей и зеленой областях спектра . . . . . . . . . 219
Лазеры на основе полупроводниковых соединений AIIBVI . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Лазеры на нитридах АIIIВV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 220
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
10.9.
Полупроводниковые лазеры для дальней связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Глава 11. ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ, КОГЕРЕНТНЫЕ
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ И АТОМНЫЕ ПУЧКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.1.
Электронно-лучевые лазеры (FEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Конструктивное исполнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Спонтанное излучение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Усиление света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Самоусиливающееся спонтанное излучение, SASE-FEL . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11.2.
Рентгеновские и вакуумные УФ-лазеры
с высокоионизированными атомами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Ударное электронное возбуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Рекомбинационное возбуждение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Системы с электрической накачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Перспективы развития. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
11.3.
Когерентные атомные лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Глава 12. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТОВЫХ ВОЛН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
12.1.
Плоские и сферические волны, дифракция. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 236
Плоские волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Сферические волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Ограниченные волны, дифракция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12.2.
Гауссовы пучки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Сферические волны с мнимым центром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Радиусы лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Угол расходимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 241
Радиус кривизны фазовых поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Параметр q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Высшие моды Эрмита — Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Радиусы и расходимость высших мод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
12.3.
Прохождение гауссовых пучков через линзы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Геометрическая оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Преобразование гауссовых пучков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Фокусировка гауссова пучка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
12.4.
Телескопы и фильтры пространственных частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Телескоп Кеплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Зрительная труба Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Фильтры пространственных частот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
16
Содержание
12.5.
Распространение реальных лазерных лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 249
Числовая мера дифракции М2 . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . ... . 250
Определение М2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Определение радиусов лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Лазерные лучи с М2 > 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Измерение с помощью электронной камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Измерение с подвижными диафрагмами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Измерение с подвижным срезом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Плотность энергии излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
12.6.
Оптические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Ультрафиолетовая область спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Видимая область спектра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Инфракрасная область спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
12.7.
Оптические волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Моды в плоских световодах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Моды в стекловолокнах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Волокно со ступенчатым изменением показателя преломления . . . . . . . . . . . 261
Градиентные волокна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Одномодовое волокно (single-mode fiber). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Затухание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Материалы для изготовления волокон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Фотонные кристаллические волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Глава 13. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
13.1.
Резонатор с плоскими зеркалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Аксиальные моды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Потери резонатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 269
13.2.
Резонатор с вогнутыми зеркалами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
13.3.
Типы резонаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Диаграмма устойчивости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
13.4.
Неустойчивые резонаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
13.5.
Лазер с основной модой. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 280
Глава 14. ЗЕРКАЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
14.1.
Отражение и преломление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Коэффициент отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Полное отражение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Дисперсия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
14.2.
Металлические зеркала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
14.3.
Диэлектрические многослойные зеркала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Противоотражение (просветление). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Лазерные зеркала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
14.4.
Устройство для расщепления пучка (светоделитель) . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
14.5.
Фазосопрягающие элементы . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 292
Комбинация из четырех волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Индуцированное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Содержание 17
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 295
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Глава 15. ПОЛЯРИЗАЦИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 298
15.1.
Виды поляризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Линейная поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Круговая поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Эллиптическая поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
15.2.
Двойное лучепреломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
15.3.
Поляризаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Дихроичные поляризационные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Поляризационные призмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Брюстеровские пластинки, тонкослойные поляризаторы . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Четвертьволновые и полуволновые пластинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Глава 16. МОДУЛЯЦИЯ И ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 306
16.1.
Механические модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
16.2.
Акустооптические модуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Схема Брэгга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Бегущие и стоячие ультразвуковые волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 309
Дефлекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Акустооптические материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .310
16.3.
Электрооптические модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .310
Ячейки Поккельса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .310
Ячейки Керра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
16.4.
Оптические развязки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
Эффект Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
Фарадеевский вращатель плоскости поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
16.5.
Насыщающиеся поглотители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
Глава 17. ИМПУЛЬСНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . .316
17.1.
Релаксационные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
17.2.
Модуляция добротности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319
Электрооптические затворы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Прочие затворы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
17.3.
Выход импульса (опустошение резонатора). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322
17.4.
Синхронизация мод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 323
Синхронизация мод в насыщающемся поглотителе (пассивная) . . . . . . . . . . 326
Синхронизация мод на основе столкновения импульсов (пассивная). . . . . . 327
Синхронизация мод с использованием модулятора (активная). . . . . . . . . . . . 327
Синхронная накачка (активная) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Синхронизация мод с помощью линзы Керра (пассивная) . . . . . . . . . . . . . . . 329
Области применения: излучение в ТГц-диапазоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
17.5.
Усиление и сжатие импульсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Глава 18. ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКЦИЯ И ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ . . . . . . . . . . . . . . . . 335
18.1.
Подстройка частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
18.2.
Селекция продольных мод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Спектральное выгорание провалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Пространственное выгорание провалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Лазеры небольшой длины для одночастотной генерации излучения . . . . . . . 337
Лазеры с частотно-селективными элементами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
18.3.
Призма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 339
18.4.
Решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
18.5.
Эталон Фабри — Перо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
18.6.
Двоякопреломляющие фильтры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Глава 19. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
19.1.
Эффект Доплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
19.2.
Нелинейные оптические эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Смешение частот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
19.3.
Удвоение и умножение частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 349
Высшие гармоники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
19.4.
Параметрические усилители и генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
19.5.
Вынужденное комбинационное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
19.6.
Создание непрерывного спектра (континуума) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
19.7.
Генерация высших гармоник в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Глава 20. СТАБИЛЬНОСТЬ И КОГЕРЕНТНОСТЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
20.1.
Стабильность мощности лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Стабильность направления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 361
Стабильность поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
20.2.
Стабильность частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 362
Лэмбовский провал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Активная стабилизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364
Фазовые флуктуации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
20.3.
Дробовой шум, «заглушенные состояния». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
«Заглушенные состояния». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
20.4.
Когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Временная когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Пространственная когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Глава 21. ФОТОДЕТЕКТОРЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ . . . . . . . . . .371
21.1.
Основные понятия из области измерительной техники. . . . . . .. . . .371
21.2.
Тепловые детекторы . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Термоэлементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 372
Пироэлектрические детекторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
21.3.
Вакуумные фотодетекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Вакуумный диод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Фотоэлектронный умножитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Канальная плата (channel plate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Содержание 19
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Камера с щелевой разверткой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
21.4.
Полупроводниковые детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Фоторезистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 378
Фотодиод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 378
ПЗС-камера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Формирователь видеосигнала с КМОП-структурой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
21.5.
Измерение сверхкоротких световых импульсов с помощью автокоррелятора
и техники FROG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Глава 22. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
22.1.
Призменный спектрометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
22.2.
Дифракционный спектрометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 385
Отражательные решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
22.3.
Двухлучевой интерферометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
22.4.
Интерферометр Фабри — Перо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Интерференционные фильтры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
22.5.
Техника оптического гетеродинирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 389
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Глава 23. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ и ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРОВ . . . 391
23.1.
Передача информации по стекловолокнам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
23.2.
Лазерная обработка материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Лазеры для обработки материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 397
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
23.3.
Лазеры в медицине и биофотонике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Лазерная хирургия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Биофотоника и медицинская диагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
23.4.
Термоядерная реакция с применением лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . .413
Ракетное оружие на основе лазерного излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .415
23.5.
Использование лазеров в области научных исследований . . . . . . .415
23.6.
Голография и интерферометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .416
Голографическая интерферометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .418
23.7.
Светорассеяние для измерения скорости потока . . . . . . . . . . . . . . . . .419
23.8.
Лазеры в приборах и оборудовании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Устройства считывания штриховых кодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Audio-CD, CD-ROM, DVD, Blu-ray Disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Лазерные принтеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
Лазерные пико-проекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
23.9.
Перспективы развития лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Перспективы применения лазеров в научных целях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
Перспективы использования лазеров в технике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
Экономические аспекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Резюме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 431
ЗАДАЧИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 431
Глава 24. БЕЗОПАСНОСТЬ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
24.1.
Предельные показатели безопасности для глаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
24.2.
Лазерные защитные очки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
24.3.
Классы лазеров и потенциал опасности. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 436
24.4.
Правила техники безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
Глава1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
Глава 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Глава 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 443
Глава 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
Глава 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Глава 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Глава 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Глава 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Глава 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Глава 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
Глава 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
Глава 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
Глава 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
Глава 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Глава 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Глава 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 456
Глава 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Глава 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
Глава 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Глава 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Глава 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 461
Глава 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Глава 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Дополнение 1. ОСОБЕННОСТИ ГАЗООБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ.
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ КОМПАНИИ «ЛИНДЕ ГАЗ РУС» . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Резонаторные газы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Состав газов для лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Чистота газов для лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 464
Соединители для трубной разводки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
Рабочие газы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Дополнение 2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ИХ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 473
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 473
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
Предметный указатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
ПРЕДИСЛОВИЕ К 7-му ИЗДАНИЮ
Летом 2010 г. отмечалась 50-летняя годовщина демонстрации действия первого ла-
зера. В 1960 г. от Теодора Г. Мэймана из Hughes Research Laboratories, Калифорния,
и ученых из Bell Laboratories, Нью-Джерси, поступили сообщения о получении
синтезированного светового излучения и генерации красного лазерного луча
с помощью рубинового стержня, возбуждаемого лампой-вспышкой. Известно,
что изобретение лазера опирается на теоретические разработки ученых Басова
и Прохорова, СССР, а также Шавлова и Таунса, США, получивших за это в 1964 г.
Нобелевскую премию. Позднее Л. Голдман, США, запатентовал оригиналь-
ные предложения касательно конструктивного исполнения соответствующих
устройств, окончательно введя в оборот собственно термин «лазер».
Германия тоже не осталась в стороне от интересных разработок в этой области.
Еще в 1917 г. А. Эйнштейн использовал понятие вынужденного индуцированно-
го (или стимулированного) излучения для описания равновесного излучения,
а Ладенбург и Копферманн в 1928 г. впервые наблюдали инверсию населенностей
в газах как условие усиления света.
В течение десятилетий, последовавших за 1960 годом, появилось множество
разных лазерных систем самого широкого назначения. Десятки тысяч инженеров
и исследователей активно участвовали в соответствующих разработках. В на-
стоящее время лазеры играют важнейшую роль в сфере научных и технических
измерений, информационных технологий, в области обработки материалов и в
медицине. В данной книге дается обзор наиболее распространенных типов лазе-
ров с описанием их многочисленных применений.
В главах 1 и 2 рассматриваются основы лазерной оптики, анализируются кон-
структивные исполнения лазеров и приводятся характеристики лазерных мате-
риалов. Прежде всего, речь идет о газовых лазерах с излучением света атомами,
ионами или молекулами. Лазеры, генерирующие в нейтральных атомах, действуют
преимущественно в видимой области спектра, как и ионные лазеры, но последние,
подобно молекулярным ультрафиолетовым установкам с электронными перехо-
дами, способны функционировать также в УФ-областях спектра. Молекулярные
инфракрасные лазеры характеризуются низкими частотами излучения, но, как
и лазеры на углекислом газе, генерируют излучение очень высокой мощности.
Газовые лазеры представлены в самых разных исполнениях и достаточно подробно
описаны в четырех разделах. Далее следуют лазеры на красителях — с переходами
в молекулах, растворенных в жидкостях.
Прочим не менее важным типам — твердотельным, полупроводниковым,
электронно-лучевым и рентгеновским лазерам — посвящены главы 8—11. Порядок
рассмотрения здесь примерно соответствует последовательности разработок
и совершенствования лазерных систем. При описании определенных лазерных
установок делается краткая ссылка на наиболее типичные области их применения.
Все большее значение приобретают сейчас представленные в главе 10 полупрово-
дниковые диодные лазеры, которые заметно прогрессируют в последние годы.
В главах 13—16 описываются оптические компоненты лазерных конструк-
ций: зеркала, поляризаторы, модуляторы, обеспечивающие разные режимы
генерации, среди которых особый интерес представляет импульсная генерация
лазерного излучения. Здесь же обсуждаются конструктивные особенности узко-
полосных лазеров, стабильных по частоте, и ряда перестраиваемых лазерных
систем. В этой связи излагаются некоторые проблемы внешнего преобразования
частоты на основе нелинейных оптических эффектов. Кроме того, рассматри-
вается оборудование, разработанное для анализа лазерного излучения, как то:
фотодетекторы, измерители энергии, спектрометры и устройства для определе-
ния когерентности.
В заключение читатель имеет возможность ознакомиться с наиболее важными
областями применения лазерных установок и перспективами их дальнейшего
развития. Предлагается, далее, достаточно обширный, хотя и далеко не полный,
список дополнительной специальной литературы. При этом нетрудно заметить,
что современных монографий по лазерам на немецком языке не так уж много: это
послужит еще одним поводом внимательно изучить предлагаемую книгу.
В основу настоящего издания положен преимущественно цикл лекций, про-
читанных авторами в ряде технических вузов Берлина. Были исключены лишь
некоторые теоретические выкладки, что позволило создать обзорный труд с упо-
ром на практический аспект. Для понимания содержания книги, в принципе,
достаточно знания математики на уровне средней школы. Таким образом, пред-
лагаемый материал может использоваться не только студентами высших учебных
заведений, но также техническим персоналом, учителями и школьниками вы-
пускных классов. Упражнения и задачи, приводимые по ходу обсуждения кон-
кретных тем и сопровождаемые ответами и решениями в конце книги, призваны
помочь усвоить новую информацию и закрепить ранее приобретенные знания.
Авторы признательны проф. Х. Веберу и проф. Г. Герцигеру за их ценные
советы и указания касательно предыдущих изданий. Мы благодарим также
проф. К. Й. Зигриста из ЕТН, Цюрих, за предоставленный иллюстрационный
материал.
Прочая наглядная информация была любезно предложена коллегами и фирма-
ми, указанными в подрисуночных подписях. Огромную помощь в подготовке 7-го
издания оказали также д-р П. Пензер, фирма Даймлер-Бенц, Оттобрунн, проф.
Ф. Краусц из Венского Технического университета (теперь в Мюнхене), проф.
В. Занднер из Института Макса-Борна в Берлине, проф. Х. Вебер из Института
Генриха Гертца, Ф. Цгода из Технологической лаборатории лазерной медицины
в Берлине и, наконец, наши сотрудники: г-жа К. Шарфенорт, д-р З. Майстер,
д-р К. Тайсс, а также дипломированные физики К. Зовойднич и О. Люкс.
Берлин, весна 2010 г.
Г.-И. Айхлер, Ю. Айхлер
ГЛАВА 1
СВЕТ, АТОМЫ,
МОЛЕКУЛЫ,
ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Со времени экспериментальной реализации первых лазерных систем — рубиново-
го лазера в 1960 году и гелий-неонового лазера в 1961 году — появилось огромное
число других разнообразных установок. Остановимся для начала на общих физи-
ческих аспектах лазерной техники с последующим описанием конструктивного
исполнения важнейших типов лазеров — газовых, на красителях, твердотельных
и полупроводниковых. В завершение будут рассмотрены относящиеся сюда
электрооптические конструкционные элементы. От традиционных источников
света (ламп накаливания и газоразрядных ламп) лазеры отличаются острона-
правленным излучением (= малая угловая дивергенция), умеренной шириной
спектральных линий (= монохроматичность, когерентность), высокой интенсив-
ностью и способностью генерировать короткие импульсы. Этим и объясняется
их успешное применение в самых разных областях: в измерительной технике,
голографии, медицине, обработке материалов и передаче информации.
Следующий раздел посвящен рассмотрению основ, необходимых для по-
нимания такого явления, как лазерное излучение, и описанию свойств света
и энергетических состояний атомов, молекул и твердых тел, используемых при
генерации лазерного излучения.
1.1. Свойства видимого излучения
Для описания свойств света привлекают в большинстве случаев упрощенные модели,
ибо в первом приближении необходимо понять, как именно испускают свои лучи ис-
точники света, будь то солнце или лазер. Световые лучи, согласно квантовой теории,
могут восприниматься как прямолинейные траектории частиц света, или фотонов,
исходящих от источников видимого излучения. Но если попытаться, пользуясь то-
чечной диафрагмой, получить резко ограниченный луч, то позади диафрагмы будут
отмечены явления дифракции (к ним мы еще вернемся ниже), вызывающие расходи-
мость пучка относительно диаметра отверстия. Поэтому резкий световой луч создать
не удается. Это объясняется волновой моделью света. В принципе, корпускулярная
и волновая модели могут быть объединены на уровне унифицированного теорети-
ческого описания, которое, однако, требует достаточно глубоких математических
знаний, поэтому здесь мы от него откажемся. Для объяснения многих интересую-
щих нас явлений вполне достаточно только волновой либо только корпускулярной
модели — опыт покажет, какая из них наиболее приемлема в том или ином случае.
Так, для понимания поглощения и излучения света лучше прибегнуть к изображе-
нию частиц, а для описания распространения света и явлений интерференции можно
привлечь волновое поле.
Световые волны, электромагнитное излучение
Волновая оптика описывает видимое излучение как поперечную электромаг-
нитную волну, в которой периодически и с равной частотой f возбуждается
напряженность электрического поля Е и связанная с ним напряженность
магнитного поля Н. Векторы Е, Н и направление распространения всегда вза-
имно ортогональны. На рис 1.1 представлены напряженности поля в опреде-
ленный момент времени в зависимости от координаты места в направлении
распространения.
Рис. 1.1. Напряженность электрического (Е) и магнитного (Н) полей в световой
волне в фиксированный момент времени. Волна распространяется в направлении
z. Расстояние до ис точ ника света принимается как «дальнее» (поле в дальней зоне)
Чтобы получить представление о пространственном распространении свето-
вых волн, рассматриваются их фазовые поверхности, или плоскости — например,
места максимальных напряженностей поля. Интервал между двумя соседними
фазовыми поверхностями составляет длину волны. При плоской волне это будут
параллельные фазовые поверхности, при сферической волне — концентрически-
сферические. Линии пересечения данных фазовых поверхностей с плоскостью
показывает рис. 1.2. Четко ограниченные «вырезы» волн обозначаются как све-
товые лучи, направленные перпендикулярно фазовым поверхностям, которые
называют также волновыми фронтами.
Между частотой f, длиной волны λ и скоростью распространения с существует
следующая зависимость:
с = λ ⋅ f. (1.1)
В вакууме скорость света составляет с = 2,998 · 108 м/с. Значение, обратное
длине волны, а именно 1/λ, пропорционально частоте и именуется волновым
числом с единицей измерения: см–1. Тема распространения световых волн более
подробно обсуждается в гл. 12.
Для большинства оптических явлений достаточно рассмотрения напряженности
электрического поля. Напряженность поля световой волны не поддается прямо-
му измерению. Вместо этого можно определять интенсивность либо плотность
мощности I, выражаемую через временное среднее значение квадрата амплитуды
напряженности поля Е:
1.1. Свойства видимого излучения 25
Направление луча
Направление луча
Рис. 1.2. Линии пересечения фазовых поверхностей плоских и сферических
волн с плоскотью, содержащей направление распространения: упрощенное
представление реальных световых волн
, (1.2)
где: ε0 = 8,858 · 10–12 A · с/В · м, ε — относительная диэлектрическая проницае-
мость, μ0 = 4π · 10–7 В · с/А · м, μ — относительная магнитная проницаемость.
Горизонтальная черточка над Е2 символизирует значение, осредненное по вре-
мени. Единицей измерения напряженности электрического поля является В/м,
а единицей измерения плотности мощности служит Вт/м2. Коэффициент про-
порциональности обладает размерностью сопротивления и обо-
значается поэтому как «волновое сопротивление». Для вакуума и воздуха (ε = 1,
μ = 1) имеет силу: Z = 377 В/А = 377 Ω.
В прозрачной среде свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Скорость
света с′ в такой среде указывается через с′ = c/n. Постоянная вещества n именуется
показателем преломления и выражается через относительную диэлектрическую
проницаемость ε и магнитную проницаемость μ:
. (1.3)
При попадании света на границу раздела между двумя оптическими средами
с показателями преломления n1 и n2 в отношении угла падения и угла отражения
α1 и, соответственно, α2 действует известный закон преломления:
n1 sin α1 = n2 sin α2. (1.4)
26 Глава 1. Свет, атомы, молекулы, твердые тела
Интенсивность, или плотность мощности I, показывает обеспечиваемую све-
товой волной мощность на единицу поверхности. В светотехнике вместо термина
«интенсивность» используются понятия «освещенность» и «плотность облуче-
ния» (см. гл. 21). Поскольку световые волны распространяются со скоростью света
с, можно плотность мощности связать с плотностью энергии ρ (энергия/объем),
а именно таким образом:
I = ρc. (1.5)
Плотность мощности I показывает идущую от волны энергию, проходящую
в единицу времени через единицу поверхности (мощность/площадь).
Фотоны
Согласно квантовой теории свет демонстрирует как свойства волн, так и свойства
частиц. На такую двойственность указывают и экспериментальные наблюдения.
В корпускулярном описании свет состоит из квантов, или фотонов с энергией
W, движущихся со световой скоростью с:
W = hf = hc/λ. (1.6)
Здесь h = 6,626 · 10–34 Дж · сек есть постоянная Планка, f — частота, λ — дли-
на световой волны. В ядерной физике и физике лазера энергия фотона часто
указывается не в джоулях, а в электрон-вольтах (эВ), причем 1 эВ показывает
энергию (W = eU, e = 1,602 A · cек), генерируемую электроном при ускорении его
напряжением в 1 вольт (В). То есть:
1 эВ = 1,602 ⋅ 10–19 Дж,
W = 1,24 эВ мкм/λ.
Плотность энергии ρ в световой волне выражается через плотность фотонов
Φ (фотонов/объем), а плотность мощности I — через плотность потока фотонов
φ (фотонов/время · площадь):
ρ = hf ⋅ Φ,
I = hf ⋅ φ.
(1.7)
Поляризация
Если напряженность электрического поля Е всегда имеет одно и то же направ-
ление, то световая волна обозначается как линейно-поляризованная, а направ-
ление напряженности поля Е — как направление поляризации света. Подробное
описание свойств поляризации света приводится в гл. 15. Свет большинства
источников (солнца, ламп накаливания, газоразрядных ламп) не поляризован
и может трактоваться как статистическая смесь волн со всеми возможными на-
правлениями поляризации.
1.1. Свойства видимого излучения 27
Цвет видимого излучения
Видимый свет бывает разного цвета, причем эти цвета могут различаться по ча-
стоте или длине волн. Человеческий глаз воспринимает длины световых волн
с разной степенью чувствительности, как это отчетливо видно на рис. 1.3. К види-
мому диапазону в коротковолновой области примыкает ультрафиолетовый (УФ)-
диапазон, а в длинноволновой — инфракрасный (ИК)-диапазон (см. табл. 1.1
и 1.2). Солнечный спектр имеет свой максимум в видимой области и примерно
соответствует излучению черного тела с температурой 6000 К (рис. 1.4).
300 400 500 600 700 800
100
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
Oтносительная чувствительность
V(λ)
V’(λ)
ультрафио-
летовый
фиолето-
вый
синий
зеленый
желтый,
оранжевый
красный
инфра-
красный
Длина волны, нм
Cпектральная интенсивность,
мВт см-2 мкм-1
Длина волны λ, мкм
Абсолютно черное тело
при 6000 К
hf, эВ
Рис. 1.3. Спектральное распределение
чувствительности человеческого глаза: V(λ)
со световой адаптацией, V′ (λ) c темновой
адаптацией
Рис. 1.4. Солнечный спектр в сравнении
с излучением абсолютно черного тела
при 6000 K (АМ = воздушная масса,
АМ 0 = спектр без атмосферы, АМ
1 = с атмосферой воздуха)
28 Глава 1. Свет, атомы, молекулы, твердые тела
Таблица 1.1. Длины волн (λ), частота (f) и энергия фотонов (hf) электромагнит ного
излучения. Указанные области спектра четко не выделены, численные
значения являются ориентировочными (1 эВ = 1,602 · 10–19 Дж)
Λ f hf
Гамма-излучение
Рентгеновское излучение
Ультрафиолетовое излучение
Видимое излучение
Инфракрасное излучение
Микроволны (СВЧ)
Радиоволны
до 500 пм
до 50 нм
до 400 нм
до 700 нм
до 100 мкм
до 1 см
до 1 км
6 · 1018 Гц
6 · 1015 Гц
7,5 · 1014 Гц
4,3 · 1014 Гц
3 · 1012 Гц
3 · 1010 Гц
3 · 105 Гц
24,8 кэВ
24,8 эВ
3,1 эВ
1,77 эВ
12,4 мэВ
124 мкэВ
1,24 нэВ
Таблица 1.2. Принятые обозначения, длины волн, частота и энергия
фотонов в диапазоне лазерного излучения
Обозначение (по ДИН 5031) λ (нм) f (1014 Гц) hf (эВ)
UV-С
UV-C
UV-B
UV-A
VIS
IR-A
IR-B
IR-C
IR-C
Вакуумный УФ-диапазон
Дальний УФ-диапазон
Средний УФ-диапазон
Ближний УФ-диапазон
Свет (видимое излучение)
Ближний ИК-диапазон
Ближний ИК-диапазон
Средний ИК-диапазон
Дальний ИК-диапазон
100—200
200—280
280—315
315—380
380—780
780—1400
1 400—3 000
3 000—50 000
50 000—1 мм
30—15
15—10,7
10,7—9,5
9,5—7,9
7,9—3,9
3,9—2,1
2,1—1,0
1,0—0,06
0,0—0,003
12,4—6,2
6,2—4,4
4,4—3,9
3,9—3,3
3,3—1,6
1,6—0,9
0,9—0,4
0,4—0,025
0,025—0,001
1.2. Атомы: орбиты электронов, уровни энергии
Простейшим атомом является атом водорода, который состоит из положительно
заряженного ядра (протона) и отрицательно заряженного электрона, связанного
с ядром благодаря напряженности электрического поля (кулоновское взаи-
модействие). По представлению Бора, электрон движется по круговой орбите
вокруг ядра, причем имеют место только определенные радиусы искривления
(кривизны) траектории (рис. 1.5), соответствующие определенным орбитальным
энергиям En. Разрешенная энергия вычисляется на основе главного (первого)
квантового числа n:
En = –Ei/n2 n = 1, 2, 3,…, (1.8)
где Ei отображает энергию ионизации. Для атома водорода действительно:
Ei = 13,6 эВ. Величины энергии En (именуемые также энергетическими уров-
нями, или термами) могут быть представлены в схеме уровней, как это по-
казано на рис. 1.6. Отрицательный знак означает, что внутренние орбиты
обладают меньшей энергией, чем внешние. Следовательно, приходится под-
водить соответствующую энергию, чтобы поднять электрон с внутренней
1.2. Атомы: орбиты электронов, уровни энергии 29
орбиты на внешнюю либо совсем удалить от атомного ядра или ионизировать.
К главному квантовому числу n = 1 относится орбита с наименьшим радиу-
сом и с величиной энергии E1 = –Ei = –13,6 эВ. Это то основное состояние,
в котором обычно находится атом водорода. Если к атому водорода подвести
энергию снаружи, он может перейти в возбужденное состояние. Когда под-
веденная энергия достигает уровня энергии ионизации Ei = 13,6 эВ или выше,
система переходит в ионизированное состояние. Электрон больше не движется
по замкнутой траектории и уже не связан с атомом.
Ядро атома
УФ-диапазон
Видимое
излучение
ИК-диапазон
м
Рис. 1.5. Орбиты электронов атома водорода с радиусами rn = 0,53 · 10–10 · n2 метров
Основное состояние
Энергия En в эВ
Ионизированные состояния
Возбужденное состояние
Рис. 1.6. Схема энергетических уровней атома водорода с главным квантовым
числом n = 1, 2, 3 и орбитальным квантовым числом l = s, p, d, f…, то есть l = 0, 1, 2,
3,…
Известная модель атома по Бору получила св
Летом 2010 г. отмечалась 50-летняя годовщина демонстрации действия первого ла-
зера. В 1960 г. от Теодора Г. Мэймана из Hughes Research Laboratories, Калифорния,
и ученых из Bell Laboratories, Нью-Джерси, поступили сообщения о получении
синтезированного светового излучения и генерации красного лазерного луча
с помощью рубинового стержня, возбуждаемого лампой-вспышкой. Известно,
что изобретение лазера опирается на теоретические разработки ученых Басова
и Прохорова, СССР, а также Шавлова и Таунса, США, получивших за это в 1964 г.
Нобелевскую премию. Позднее Л. Голдман, США, запатентовал оригиналь-
ные предложения касательно конструктивного исполнения соответствующих
устройств, окончательно введя в оборот собственно термин «лазер».
Германия тоже не осталась в стороне от интересных разработок в этой области.
Еще в 1917 г. А. Эйнштейн использовал понятие вынужденного индуцированно-
го (или стимулированного) излучения для описания равновесного излучения,
а Ладенбург и Копферманн в 1928 г. впервые наблюдали инверсию населенностей
в газах как условие усиления света.
В течение десятилетий, последовавших за 1960 годом, появилось множество
разных лазерных систем самого широкого назначения. Десятки тысяч инженеров
и исследователей активно участвовали в соответствующих разработках. В на-
стоящее время лазеры играют важнейшую роль в сфере научных и технических
измерений, информационных технологий, в области обработки материалов и в
медицине. В данной книге дается обзор наиболее распространенных типов лазе-
ров с описанием их многочисленных применений.
В главах 1 и 2 рассматриваются основы лазерной оптики, анализируются кон-
структивные исполнения лазеров и приводятся характеристики лазерных мате-
риалов. Прежде всего, речь идет о газовых лазерах с излучением света атомами,
ионами или молекулами. Лазеры, генерирующие в нейтральных атомах, действуют
преимущественно в видимой области спектра, как и ионные лазеры, но последние,
подобно молекулярным ультрафиолетовым установкам с электронными перехо-
дами, способны функционировать также в УФ-областях спектра. Молекулярные
инфракрасные лазеры характеризуются низкими частотами излучения, но, как
и лазеры на углекислом газе, генерируют излучение очень высокой мощности.
Газовые лазеры представлены в самых разных исполнениях и достаточно подробно
описаны в четырех разделах. Далее следуют лазеры на красителях — с переходами
в молекулах, растворенных в жидкостях.
Прочим не менее важным типам — твердотельным, полупроводниковым,
электронно-лучевым и рентгеновским лазерам — посвящены главы 8—11. Порядок
рассмотрения здесь примерно соответствует последовательности разработок
и совершенствования лазерных систем. При описании определенных лазерных
установок делается краткая ссылка на наиболее типичные области их применения.
Все большее значение приобретают сейчас представленные в главе 10 полупрово-
дниковые диодные лазеры, которые заметно прогрессируют в последние годы.
В главах 13—16 описываются оптические компоненты лазерных конструк-
ций: зеркала, поляризаторы, модуляторы, обеспечивающие разные режимы
генерации, среди которых особый интерес представляет импульсная генерация
лазерного излучения. Здесь же обсуждаются конструктивные особенности узко-
полосных лазеров, стабильных по частоте, и ряда перестраиваемых лазерных
систем. В этой связи излагаются некоторые проблемы внешнего преобразования
частоты на основе нелинейных оптических эффектов. Кроме того, рассматри-
вается оборудование, разработанное для анализа лазерного излучения, как то:
фотодетекторы, измерители энергии, спектрометры и устройства для определе-
ния когерентности.
В заключение читатель имеет возможность ознакомиться с наиболее важными
областями применения лазерных установок и перспективами их дальнейшего
развития. Предлагается, далее, достаточно обширный, хотя и далеко не полный,
список дополнительной специальной литературы. При этом нетрудно заметить,
что современных монографий по лазерам на немецком языке не так уж много: это
послужит еще одним поводом внимательно изучить предлагаемую книгу.
В основу настоящего издания положен преимущественно цикл лекций, про-
читанных авторами в ряде технических вузов Берлина. Были исключены лишь
некоторые теоретические выкладки, что позволило создать обзорный труд с упо-
ром на практический аспект. Для понимания содержания книги, в принципе,
достаточно знания математики на уровне средней школы. Таким образом, пред-
лагаемый материал может использоваться не только студентами высших учебных
заведений, но также техническим персоналом, учителями и школьниками вы-
пускных классов. Упражнения и задачи, приводимые по ходу обсуждения кон-
кретных тем и сопровождаемые ответами и решениями в конце книги, призваны
помочь усвоить новую информацию и закрепить ранее приобретенные знания.
Авторы признательны проф. Х. Веберу и проф. Г. Герцигеру за их ценные
советы и указания касательно предыдущих изданий. Мы благодарим также
проф. К. Й. Зигриста из ЕТН, Цюрих, за предоставленный иллюстрационный
материал.
Прочая наглядная информация была любезно предложена коллегами и фирма-
ми, указанными в подрисуночных подписях. Огромную помощь в подготовке 7-го
издания оказали также д-р П. Пензер, фирма Даймлер-Бенц, Оттобрунн, проф.
Ф. Краусц из Венского Технического университета (теперь в Мюнхене), проф.
В. Занднер из Института Макса-Борна в Берлине, проф. Х. Вебер из Института
Генриха Гертца, Ф. Цгода из Технологической лаборатории лазерной медицины
в Берлине и, наконец, наши сотрудники: г-жа К. Шарфенорт, д-р З. Майстер,
д-р К. Тайсс, а также дипломированные физики К. Зовойднич и О. Люкс.
Берлин, весна 2010 г.
Г.-И. Айхлер, Ю. Айхлер
ГЛАВА 1
СВЕТ, АТОМЫ,
МОЛЕКУЛЫ,
ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Со времени экспериментальной реализации первых лазерных систем — рубиново-
го лазера в 1960 году и гелий-неонового лазера в 1961 году — появилось огромное
число других разнообразных установок. Остановимся для начала на общих физи-
ческих аспектах лазерной техники с последующим описанием конструктивного
исполнения важнейших типов лазеров — газовых, на красителях, твердотельных
и полупроводниковых. В завершение будут рассмотрены относящиеся сюда
электрооптические конструкционные элементы. От традиционных источников
света (ламп накаливания и газоразрядных ламп) лазеры отличаются острона-
правленным излучением (= малая угловая дивергенция), умеренной шириной
спектральных линий (= монохроматичность, когерентность), высокой интенсив-
ностью и способностью генерировать короткие импульсы. Этим и объясняется
их успешное применение в самых разных областях: в измерительной технике,
голографии, медицине, обработке материалов и передаче информации.
Следующий раздел посвящен рассмотрению основ, необходимых для по-
нимания такого явления, как лазерное излучение, и описанию свойств света
и энергетических состояний атомов, молекул и твердых тел, используемых при
генерации лазерного излучения.
1.1. Свойства видимого излучения
Для описания свойств света привлекают в большинстве случаев упрощенные модели,
ибо в первом приближении необходимо понять, как именно испускают свои лучи ис-
точники света, будь то солнце или лазер. Световые лучи, согласно квантовой теории,
могут восприниматься как прямолинейные траектории частиц света, или фотонов,
исходящих от источников видимого излучения. Но если попытаться, пользуясь то-
чечной диафрагмой, получить резко ограниченный луч, то позади диафрагмы будут
отмечены явления дифракции (к ним мы еще вернемся ниже), вызывающие расходи-
мость пучка относительно диаметра отверстия. Поэтому резкий световой луч создать
не удается. Это объясняется волновой моделью света. В принципе, корпускулярная
и волновая модели могут быть объединены на уровне унифицированного теорети-
ческого описания, которое, однако, требует достаточно глубоких математических
знаний, поэтому здесь мы от него откажемся. Для объяснения многих интересую-
щих нас явлений вполне достаточно только волновой либо только корпускулярной
модели — опыт покажет, какая из них наиболее приемлема в том или ином случае.
Так, для понимания поглощения и излучения света лучше прибегнуть к изображе-
нию частиц, а для описания распространения света и явлений интерференции можно
привлечь волновое поле.
Световые волны, электромагнитное излучение
Волновая оптика описывает видимое излучение как поперечную электромаг-
нитную волну, в которой периодически и с равной частотой f возбуждается
напряженность электрического поля Е и связанная с ним напряженность
магнитного поля Н. Векторы Е, Н и направление распространения всегда вза-
имно ортогональны. На рис 1.1 представлены напряженности поля в опреде-
ленный момент времени в зависимости от координаты места в направлении
распространения.
Рис. 1.1. Напряженность электрического (Е) и магнитного (Н) полей в световой
волне в фиксированный момент времени. Волна распространяется в направлении
z. Расстояние до ис точ ника света принимается как «дальнее» (поле в дальней зоне)
Чтобы получить представление о пространственном распространении свето-
вых волн, рассматриваются их фазовые поверхности, или плоскости — например,
места максимальных напряженностей поля. Интервал между двумя соседними
фазовыми поверхностями составляет длину волны. При плоской волне это будут
параллельные фазовые поверхности, при сферической волне — концентрически-
сферические. Линии пересечения данных фазовых поверхностей с плоскостью
показывает рис. 1.2. Четко ограниченные «вырезы» волн обозначаются как све-
товые лучи, направленные перпендикулярно фазовым поверхностям, которые
называют также волновыми фронтами.
Между частотой f, длиной волны λ и скоростью распространения с существует
следующая зависимость:
с = λ ⋅ f. (1.1)
В вакууме скорость света составляет с = 2,998 · 108 м/с. Значение, обратное
длине волны, а именно 1/λ, пропорционально частоте и именуется волновым
числом с единицей измерения: см–1. Тема распространения световых волн более
подробно обсуждается в гл. 12.
Для большинства оптических явлений достаточно рассмотрения напряженности
электрического поля. Напряженность поля световой волны не поддается прямо-
му измерению. Вместо этого можно определять интенсивность либо плотность
мощности I, выражаемую через временное среднее значение квадрата амплитуды
напряженности поля Е:
1.1. Свойства видимого излучения 25
Направление луча
Направление луча
Рис. 1.2. Линии пересечения фазовых поверхностей плоских и сферических
волн с плоскотью, содержащей направление распространения: упрощенное
представление реальных световых волн
, (1.2)
где: ε0 = 8,858 · 10–12 A · с/В · м, ε — относительная диэлектрическая проницае-
мость, μ0 = 4π · 10–7 В · с/А · м, μ — относительная магнитная проницаемость.
Горизонтальная черточка над Е2 символизирует значение, осредненное по вре-
мени. Единицей измерения напряженности электрического поля является В/м,
а единицей измерения плотности мощности служит Вт/м2. Коэффициент про-
порциональности обладает размерностью сопротивления и обо-
значается поэтому как «волновое сопротивление». Для вакуума и воздуха (ε = 1,
μ = 1) имеет силу: Z = 377 В/А = 377 Ω.
В прозрачной среде свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Скорость
света с′ в такой среде указывается через с′ = c/n. Постоянная вещества n именуется
показателем преломления и выражается через относительную диэлектрическую
проницаемость ε и магнитную проницаемость μ:
. (1.3)
При попадании света на границу раздела между двумя оптическими средами
с показателями преломления n1 и n2 в отношении угла падения и угла отражения
α1 и, соответственно, α2 действует известный закон преломления:
n1 sin α1 = n2 sin α2. (1.4)
26 Глава 1. Свет, атомы, молекулы, твердые тела
Интенсивность, или плотность мощности I, показывает обеспечиваемую све-
товой волной мощность на единицу поверхности. В светотехнике вместо термина
«интенсивность» используются понятия «освещенность» и «плотность облуче-
ния» (см. гл. 21). Поскольку световые волны распространяются со скоростью света
с, можно плотность мощности связать с плотностью энергии ρ (энергия/объем),
а именно таким образом:
I = ρc. (1.5)
Плотность мощности I показывает идущую от волны энергию, проходящую
в единицу времени через единицу поверхности (мощность/площадь).
Фотоны
Согласно квантовой теории свет демонстрирует как свойства волн, так и свойства
частиц. На такую двойственность указывают и экспериментальные наблюдения.
В корпускулярном описании свет состоит из квантов, или фотонов с энергией
W, движущихся со световой скоростью с:
W = hf = hc/λ. (1.6)
Здесь h = 6,626 · 10–34 Дж · сек есть постоянная Планка, f — частота, λ — дли-
на световой волны. В ядерной физике и физике лазера энергия фотона часто
указывается не в джоулях, а в электрон-вольтах (эВ), причем 1 эВ показывает
энергию (W = eU, e = 1,602 A · cек), генерируемую электроном при ускорении его
напряжением в 1 вольт (В). То есть:
1 эВ = 1,602 ⋅ 10–19 Дж,
W = 1,24 эВ мкм/λ.
Плотность энергии ρ в световой волне выражается через плотность фотонов
Φ (фотонов/объем), а плотность мощности I — через плотность потока фотонов
φ (фотонов/время · площадь):
ρ = hf ⋅ Φ,
I = hf ⋅ φ.
(1.7)
Поляризация
Если напряженность электрического поля Е всегда имеет одно и то же направ-
ление, то световая волна обозначается как линейно-поляризованная, а направ-
ление напряженности поля Е — как направление поляризации света. Подробное
описание свойств поляризации света приводится в гл. 15. Свет большинства
источников (солнца, ламп накаливания, газоразрядных ламп) не поляризован
и может трактоваться как статистическая смесь волн со всеми возможными на-
правлениями поляризации.
1.1. Свойства видимого излучения 27
Цвет видимого излучения
Видимый свет бывает разного цвета, причем эти цвета могут различаться по ча-
стоте или длине волн. Человеческий глаз воспринимает длины световых волн
с разной степенью чувствительности, как это отчетливо видно на рис. 1.3. К види-
мому диапазону в коротковолновой области примыкает ультрафиолетовый (УФ)-
диапазон, а в длинноволновой — инфракрасный (ИК)-диапазон (см. табл. 1.1
и 1.2). Солнечный спектр имеет свой максимум в видимой области и примерно
соответствует излучению черного тела с температурой 6000 К (рис. 1.4).
300 400 500 600 700 800
100
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
Oтносительная чувствительность
V(λ)
V’(λ)
ультрафио-
летовый
фиолето-
вый
синий
зеленый
желтый,
оранжевый
красный
инфра-
красный
Длина волны, нм
Cпектральная интенсивность,
мВт см-2 мкм-1
Длина волны λ, мкм
Абсолютно черное тело
при 6000 К
hf, эВ
Рис. 1.3. Спектральное распределение
чувствительности человеческого глаза: V(λ)
со световой адаптацией, V′ (λ) c темновой
адаптацией
Рис. 1.4. Солнечный спектр в сравнении
с излучением абсолютно черного тела
при 6000 K (АМ = воздушная масса,
АМ 0 = спектр без атмосферы, АМ
1 = с атмосферой воздуха)
28 Глава 1. Свет, атомы, молекулы, твердые тела
Таблица 1.1. Длины волн (λ), частота (f) и энергия фотонов (hf) электромагнит ного
излучения. Указанные области спектра четко не выделены, численные
значения являются ориентировочными (1 эВ = 1,602 · 10–19 Дж)
Λ f hf
Гамма-излучение
Рентгеновское излучение
Ультрафиолетовое излучение
Видимое излучение
Инфракрасное излучение
Микроволны (СВЧ)
Радиоволны
до 500 пм
до 50 нм
до 400 нм
до 700 нм
до 100 мкм
до 1 см
до 1 км
6 · 1018 Гц
6 · 1015 Гц
7,5 · 1014 Гц
4,3 · 1014 Гц
3 · 1012 Гц
3 · 1010 Гц
3 · 105 Гц
24,8 кэВ
24,8 эВ
3,1 эВ
1,77 эВ
12,4 мэВ
124 мкэВ
1,24 нэВ
Таблица 1.2. Принятые обозначения, длины волн, частота и энергия
фотонов в диапазоне лазерного излучения
Обозначение (по ДИН 5031) λ (нм) f (1014 Гц) hf (эВ)
UV-С
UV-C
UV-B
UV-A
VIS
IR-A
IR-B
IR-C
IR-C
Вакуумный УФ-диапазон
Дальний УФ-диапазон
Средний УФ-диапазон
Ближний УФ-диапазон
Свет (видимое излучение)
Ближний ИК-диапазон
Ближний ИК-диапазон
Средний ИК-диапазон
Дальний ИК-диапазон
100—200
200—280
280—315
315—380
380—780
780—1400
1 400—3 000
3 000—50 000
50 000—1 мм
30—15
15—10,7
10,7—9,5
9,5—7,9
7,9—3,9
3,9—2,1
2,1—1,0
1,0—0,06
0,0—0,003
12,4—6,2
6,2—4,4
4,4—3,9
3,9—3,3
3,3—1,6
1,6—0,9
0,9—0,4
0,4—0,025
0,025—0,001
1.2. Атомы: орбиты электронов, уровни энергии
Простейшим атомом является атом водорода, который состоит из положительно
заряженного ядра (протона) и отрицательно заряженного электрона, связанного
с ядром благодаря напряженности электрического поля (кулоновское взаи-
модействие). По представлению Бора, электрон движется по круговой орбите
вокруг ядра, причем имеют место только определенные радиусы искривления
(кривизны) траектории (рис. 1.5), соответствующие определенным орбитальным
энергиям En. Разрешенная энергия вычисляется на основе главного (первого)
квантового числа n:
En = –Ei/n2 n = 1, 2, 3,…, (1.8)
где Ei отображает энергию ионизации. Для атома водорода действительно:
Ei = 13,6 эВ. Величины энергии En (именуемые также энергетическими уров-
нями, или термами) могут быть представлены в схеме уровней, как это по-
казано на рис. 1.6. Отрицательный знак означает, что внутренние орбиты
обладают меньшей энергией, чем внешние. Следовательно, приходится под-
водить соответствующую энергию, чтобы поднять электрон с внутренней
1.2. Атомы: орбиты электронов, уровни энергии 29
орбиты на внешнюю либо совсем удалить от атомного ядра или ионизировать.
К главному квантовому числу n = 1 относится орбита с наименьшим радиу-
сом и с величиной энергии E1 = –Ei = –13,6 эВ. Это то основное состояние,
в котором обычно находится атом водорода. Если к атому водорода подвести
энергию снаружи, он может перейти в возбужденное состояние. Когда под-
веденная энергия достигает уровня энергии ионизации Ei = 13,6 эВ или выше,
система переходит в ионизированное состояние. Электрон больше не движется
по замкнутой траектории и уже не связан с атомом.
Ядро атома
УФ-диапазон
Видимое
излучение
ИК-диапазон
м
Рис. 1.5. Орбиты электронов атома водорода с радиусами rn = 0,53 · 10–10 · n2 метров
Основное состояние
Энергия En в эВ
Ионизированные состояния
Возбужденное состояние
Рис. 1.6. Схема энергетических уровней атома водорода с главным квантовым
числом n = 1, 2, 3 и орбитальным квантовым числом l = s, p, d, f…, то есть l = 0, 1, 2,
3,…
Известная модель атома по Бору получила св