Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В главе 12 они описываются преимущественно посредством сферических волн, что позволяет обходиться без сложных дифференциальных или интегральных уравнений. Также и для понимания прочих разделов книги, в принципе, достаточно знания математики на уровне средней школы. Таким образом, предлагаемый материал может использоваться не только студентами вузов, но также техническим персоналом, учителями и школьниками. В заключение читатель имеет возможность ознакомиться с наиболее важнгями областями применения лазерных установок и перспективами их дальнейшего развития. ~~~~8 П~ийислииии и 6-му изйииию В основу настоящего издания положен цикл лекций, прочитанных авторами в ряде технических вузов Берлина.
Были исключены лишь некоторые теоретические выкладки, что позволило создать обзорный труд с упором на практический аспект. Предлагаемые по ходу обсуждения конкретных тем упражнения и задачи с приведенными в конце книги ответами и решениями призваны помочь усвоить новую информацию и закрепить уже имеющиеся знания. Берлин, весна 200б г. Г. -И. Аахлер, Ю. Айхлер ГЛАВА 1 СВЕТ, АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ТВЕРДЫЕ ТЕЛА Со времени экспериментальной реализации первых лазерных систем — рубинового лазера в 1960 году и гелий-неонового лазера в 1961 году — появилось огромное число других разнообразных установок.
Остановимся для начала на общих физических аспектах лазерной техники с последующим описанием конструктивного исполнения важнейших типов лазеров — газовых, на красителях, твердотельных и полупроводниковых. В завершение будут рассмотрены относящиеся сюда электро- оптические конструкционные элементы.
От традиционных источников света (ламп накаливания и газоразрядных ламп) лазеры отличаются остронаправленным излучением (= малая угловая дивергенция), умеренной шириной спектральных линий (= монохроматичность, когерентность), высокой интенсивностью 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 далее раздел посвящен рассмотрению основ, необходимых для понимания 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 источники 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 точечной диафрагмой, получить резко ограниченный луч, то позади диафрагмы будут отмечены явления дифракции (к ним мы еще вернемся ниже), вызывающие расходимость 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 теоретического описания, которое, однако, требует достаточно глубоких математических знаний, поэтому здесь мы от него откажемся. Для обьяснения многих интересующих 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 изображению частиц, а для описания распространения света и явлений интерференции можно привлечь волновое поле. Световые волны Волновая оптика описывает видимое излучение как поперечную электромагнитную волну, в которой периодически и с равной частотой/'возбуждается напряженность электрического поля Е и связанная с ним напряженность магнитного поля Н. Векторы Е, Ни направление распространения всегда взаимно ортогональны.
На рис 1.1 представлены напряженности поля в определенный момент времени в зависимости от координаты места в направлении распространения. х Рие. К К Напряженность электрического (Е) н магнитного (Н) полей в световой волне в фиксированный момент времени. Волна распространяется в направлении г. Расстояние до источника света принимается как «дальнее» (поле в дальней зоне) Чтобы получить представление о пространственном распространении световых 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 световые лучи, направленные перпендикулярно фазовым поверхностям, которые называют также волновыми фронтами. Между частотой/; длиной волны )с и скоростью распространения с существует следующая зависимость: (1.
1) В вакууме скорость света составляет с = 2,998. 10»м/с. Значение, обратное длине волны, а именно 1/)с, пропорционально частоте и именуется волновым числом с единицей измерения: см '. Тема распространения световых волн более подробно обсуждается в главе 12. Для большинства оптических явлений достаточно рассмотрения напряженности электрического поля. Напряженность поля световой волны не поддается прямому измерению. Вместо этого можно определять интенсивность либо плотность мощности 1, выражаемую через временное среднее значение квадрата амплитуды напряженности поля Е: !!С д д у дф Нвправлениелучв рввлениелуча Рис. к2. Волновые фронты плоских и сферических волн квк упрощенное представление реальных световых волн ! =,/ае,/)тр, Е' (1.2) где: е,=8,858 1О пА с/В м, е — относительная диэлектрическая проницаемость, )д,=4п 1О-' В с/А м,)д — относительная магнитная проницаемость.
Горизонтальная черточка над Е' символизирует значение, осредненное по времени. Единицей измерения напряженности электрического поля является В/м, а единицей измерения плотности мощности служит Вт/м'. Коэффициент пропорциональности ' обладает размерностью сопротивления и обозначается поэтому как «волновое сопротивление». Для вакуума и воздуха (е = 1, р= 1) имеет силу: 2= 377 В/А=377 й.
В прозрачной среде свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Скорость света с' в такой среде указывается через с' =с/и. Постоянная вещества и именуется показателем преломления и выражается через относительную диэлектрическую проницаемость е и магнитную проницаемость рп и =,/~Н (1. 3) При попадании света на границу раздела между двумя оптическими средами с показателями преломления и, и и, в отношении угла падения и угла отражения а, и, соответственно, а, действует известный закон преломления: (22 Г 6«, «, »Й л,з!па,=л,япаг (1.4) /=рс. (1.5) Плотность мощности /показывает идущую от волны энергию, проходящую в еди- ницу 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 В; движущихся со световой скоростью с: (!.6) Здесь Ь = 6,626 1О '4 Дж сек есть постоянная Планка,/ — частота, )» — длина 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 (ЪУ=е11, е = 1,602 А сек), генерируемую электроном при ускорении его напряжением в 1 вольт (В). То есть; 1эВ = 1,602 10 "Дж, »7=1,24 эВ мкм/).
Плотность энергии р в световой волне выражается через плотность фотонов Ф (фотонов/объем), а плотность мощности / — через плотность потока фотонов ф (фотонов/время. площадь): р=й/Ф, Г=ф~ ф. (1.7) Поляризация Если напряженность электрического поля Е всегда имеет одно и то же направление, то световая волна обозначается как линейно-поляризованная, а направление напряженности поля Š— как направление поляризации света. Подробное описание свойств поляризации света приводится в главе 15.
Свет большинства источников (солнца, ламп накаливания, газоразрядных ламп) не поляризован и может трактоваться как статистическая смесь волн со всеми возможными направлениями поляризации. Интенсивность, или плотность мощности /, показывает обеспечиваемую световой волной мощность на единицу поверхности. В светотехнике вместо термина «интенсивность» используются понятия «освещенность» и «плотность облучения» (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
