Параметры лазеров

Мощность Р непрерывных газовых лазеров невелика — несколько мВт. У непрерывных твердотельных лазеров — достигает десятков Вт. У импульсных лазеров мощность излучения в импульсе Р = W/x на много порядков выше за счет того, что вся энергия W излучается за короткое время т. Средняя же мощность лазерного излучения при этом за все время действия лазера сравнительно мала, например, в режиме получения коротких импульсов при частоте повторения 1 Гц и энергии одного импульса 0,02—20 Дж она не превосходит мощности слабой электрической лампочки (25 Вт).

Когерентностью называют согласованное во времени и в про­странстве протекание нескольких колебательных или волновых процессов. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соот­ветствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с посто­янной фазой и амплитудой. Для сравнения рассмотрим свет, излу­чаемый газоразрядной трубкой лазера, когда зеркала убраны и нет лазерной генерации. В этом случае каждый атом излучает незави­симо, фазы излучения разных атомов распределены хаотично. При сложении таких колебаний амплитуда суммарной световой волны не остается постоянной во времени, а хаотически меняется от нуля до некоторого значения.

Спектральной плотностью излучения называют отношение мощнос­ти Р излучения к ширине диапазона излученных волн АХ. Поскольку у лазерного излучения величина АХ чрезвычайно мала, спектральная плотность лазерного излучения очень велика. Для сравнения, если в качестве источника использовать нагретое черное тело, мощность излучения которого пропорциональна его площади, то для достижения таких же параметров излучения, как у лазера, пришлось бы брать тело очень больших размеров.

Расходимость излучения — это параметр, показывающий, в каком телесном угле распространяется излучение данного источника. От лампы накаливания, например, излучение, распространяется во все стороны (в телесном угле 4л радиан). Лазерное излучение распростра­няется в пределах узкого конуса — расходимость лазерного излучения в 1000—10 000 раз меньше.

Лазерное излучение применяется в хирургии для бескровного раз­реза сильно кровоточащих тканей (печень, легкие). Излучение подво­дится через световод. Разрез производится за счет испарения тканей в зоне нагрева; за счет тепловой денатурации («сваривания») тканей, из которых состоят стенки кровеносных капилляров, они закупорива­ются, и предотвращается кровотечение.

В офтальмологии лазерное излучение используется для привари­вания отслоившейся сетчатки. При глаукоме — повышении давления внутриглазной жидкости — с помощью лазера пробивают отверстия диаметром 50—100 мкм для ее оттока.

В терапии используют наружное или внутреннее облучение боль­ного органа низкоинтенсивным лазерным излучением (лазерная физио - и рефлексотерапия).

Дифракция лазерного излучения

Поскольку лазерное излучение обладает высокой когерентностью и монохроматичностью, можно считать, что лазер является источ­ником плоской электромагнитной волны. С его помощью можно легко наблюдать явления, обусловленные волновой природой света, в частности, дифракцию. Дифракцией называют огибание волнами препятствий.

Дифракция на дифракционной решетке. Для ее наблюдения исполь­зуется схема на рис.4. Луч лазера освещает исследуемый объект (дифракционную решетку, мазок крови и т.п.). Дифракционную картину, состоящую из линейки ярких пятен, наблюдают на экране, расположенном перпендикулярно лазерному лучу на расстоянии L от объекта.

Дифракционная решетка это совокупность одинаковых парал­лельных непрозрачных полосок (штрихов), разделенных прозрачны­ми полосками. Эта структура повторяется с периодом d — постоянной решетки (это малая величина порядка размеров клеток). Эта величина записывается на дифракционной решётке. Например, запись 1/100 означает, что на 1мм решётки нанесено 100 щелей, т.е. период дифракционной решётки d=0,01 мм.

Рис. 4. Дифракция света: а — схема наблюдений: Л — лазер, ДР — дифракци­онная решетка, Э — экран, стрелки показывают направления распространения дифрагированных лучей, х₂ и х_₂ — расстояния от нулевого дифракционного максимума до максимумов +2-го и -2-го порядков, соответственно; б — схема формирования дифракционной картины с помощью дифракционной решетки: черное — непрозрачные участки, белое — прозрачные, d— период решетки.

При освещении решетки соседние прозрачные полоски становятся вторичными источниками света. Часть света просто проходит сквозь решетку по пути распространения лазерного луча и образует на экране яркий дифракционный максимум нулевого порядка (цифра 0 у экрана — рис.4а). По некоторым избранным направлениям излучение, испус­каемое соседними полосками, имеет сдвиг фазы кратный X, то есть равный целому числу волн. Такое излучение складывается на экране, давая яркие пятна, а зависимость интенсивности от расстояния от центра пучка имеет резкие максимумы (рис.4а).

Вывод основного уравнения дифракции очевиден из рис.4б. Разность хода лучей 1 и 2 равна d*sinφ. В точке максимумов она должна равняться целому числу длин волн mλ, где m = 0; ±1; ±2 и т.д. — поря­док дифракции.

Таким образом, формула дифракционной решетки записывается как:

d* sin = m, (1)

где m – порядок максимума (m=1,2,3, …).

Рис.5. Фрагмент лазерной установки для получения дифракционной картины