/
Автор: Напартович А.П.
Теги: электротехника квантовая радиотехника физика инженерия лазеры приборостроение энергоатомиздат
ISBN: 5-283-02480-6
Год: 1991
Текст
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие редактора перевода 1" 3
Предисловие " 5
1. Физические основы . . . . 6
1.1. Свет как электромаrнитные волны 6
1.2. rенерация электромаrнитноrо излучения 8
1.2.1. Основные положения 8
1.2.2. Обычные источники света 12
1.2.3. Лазер как источник света 14
2, Лазеры . . . . . . . . 17
2.1. Теоретические основы [101 17
2.1.1. Введение 17
2.1.2. Вероятности переходов 18
2.1.3. Балансные кинетические уравнения 20
2.1.4. Свойства излучения . 23
2.2. Создание инверсной заселенности 29
2.3. Оптнческие резонаторы 32
2.3.1. Введение . . . 32
2.3.2. Резонатор с плоскиМи круrлыми зеркалами 35
2.3.3. Устойчивые резонаторы с круrлыми зеркалами 38
2.3.4. Неустойчивый резонатор с конфокальной системой
зеркал . ... 45
2.3.5. Селекцня мод в оптических резонаторах 46
2.3.6. Экспериментальная техника резонаторов 49
2.4. Пороrовое условие rенерацни лазера 49
2.5. Твердотельные лазеры [16 24] 51
2.5.1. Введение . . 51
2.5.2. Физические основы 52
2.5.3. Рубиновый лазер 62
2.5.4. Неодимовый стеклянный лазер 65
2.5.5. Nd.ИАr.лазеры. 68
2.5.6. Мощные твердотельные лазеры . 70
2.5.7. Миниатюрные твердотельные лазеры 71
2.5.8. Свойства излучения твердотельных лазеров 72
.2.6. rазовые лазеры [2 42] 74
2.6.1. Введение . . 74
2.6.2. Физические основы rазовых лазеров . . 75
2.6.3. rазовые лазеры в УФ'диапазоне [17,311 . . 82
2.6.4. [азовые лазеры в видимой спектральной области 90
2.6.5. rазовые лазеры в инфракрасной области спектра
[28, 331. 102
2.6.6. Свойства нзлучения rазовых лазеров 115
2.7. Полупроводниковые лазеры 117
2.7.1. Введение 117
2.7.2. Фнзические основы ... 120
2.7.3. Инжекционный лазер на основе GaAs 137
2.7.4. Лазер на основе РЬSпТе . 142
2.7.5. Свойства нзлучения инжекционноrо лазера 143
2.8. Лазеры на красителях [58-------641 146
2.8.1. Введение . 146
2.8.2. Физические основы 147
2.8.3. Системы накачки 150
2.8.4. Свойства излучения лазеров на красителях 157
2.9. Друrие типы лазеров . 161
2.9.1. Лазеры иа цеитрах окраски . 161
2.9.2. Лазеры иа свободных электронах 163
2.9.3. Ре комбинационный лазер 165
2.9.4. Химический лазер . . 167
2.10. Специальные лазерные устройства . 170
2.10.1. Лазер с модуляцией добротности 170
2.10.2. [енерация УJlьтракоротких световых импульсов
[2.1. 2.411 . . . . . . . 174
2.10.3. Частотно-стабилизированные лазеры 176
2.11. Оптические элементы в лазерных системах 178
2.11.1. Характеристики оптических материалов 178
2.11.2. [ауссов пучок . . . . .. ... 180
2.11.3. Оптическая активность (эффект Фарадея) . . 182
2.11.4. Оптические одноосиые кристаллические пластин-
ки . . . . . . . . . -. . . . 183
2.11.5. Дифракционная решетка как дискриминатор длин
волн 188
3. Применение лазеров в физик , химни, биолоrии и медицине 188
3.1. Введение 188
3.2. Нелинейная оптика 189
3.2.1. Введение . . . . . 189
3.2.2. Нелинейные восприимчивости 19-1
3.2.3. Параметрические процессы 201
3.2.4. Процессы рассеяиия . . . . 214
3.2.5. Зависимость показателя преломления от интенсив-
ности . . . . . . 218
3.2.6. Двухфотонное поrлощение . . 220
3.2.7. Нелинейные оптические эффекты при специальных
условиях ........... 221
3.2.8. Новые функциональные элементы на основе эффек-
тов нелинейной оптики 224
3.3. Лазерная спектроскопия 227
3.3.1. Введеиие . . . . 227
3.3.2. Линейная лазерная абсорбционная спектроскопия 227
3.3.3. Внутридоплеровская спектроскопия BbJcoKoro раз-
решения . . . . . . . . . . . ;; .- 231
3.3.4. Лазерная спектроскопия комбинационноrо рассеяния 234
3.3.5. Спектроскопия сверхвысокоrо BpeMeHHoro разреше-
ния 237
3.3.6. Специальные применения лазеров для задач анализа 240
3.4. Лазерная фотохимия 241
3.4.1. Введение . 241
3.4.2. Лазеры в фотохимии 243
3.4.3. Инфракрасная лазерная фотохимия ... 245
3.4.4. Фотохимия с лазерами в видимой и УФ-областях
спектра 250
3.4.5. Применения 252
3.4.6. Перспективы развития 261
3.5. Применение лазеров в биолоrии и медицине 261
3.5.1. Введение . . . . . . . . .. 261
3.5.2. Применение лазеров в медико-биолоrических иссле-
дованиях и в медицинской диаrностике 261
3.5.3, Применение лазеров в медицинской терапии 269
3.6. Лазерный упраВJlЯемый термоядерный синтез 279
3.6.1. Введение . . . . . . . . 279
3.6.2. Принцип действия лазерноrо управляемоrо термо-
ядерноrо синтеза и требования к лазерной системе 280
3.6.3. Взаимодействие лазерноrо ИЗJlучения с плазмой 282
3.6.4. Перспективы развития . . . . 285
4. Применение лазеров в технике . . 286
4.1. Обработка материалов [1 38] 286
4.1.1. Введение . . . . . 286
4.1.2. Взаимодействие лазерноrо излучения с вешеством 288
4.1.3. Лазеры для обработки материалов 291
4.1.4. Сварка лазерным излучением . 299
4.1.5. Разделительная резка и сверление с помощью ла-
зеров . . 308
4.1.6. Специальные технолorии 317
4.2. Метролоrия . . . . . . . . .. 326
4.2.1. Провешивание линий и управление [39 53) 326
4.2.2. Измерение длины [54 691 . . . , 371
4.2.3. Измерение скорости [70 771 . ., 386
4.3. Оптическая передача информации [78 1 07] 390
4.3.1. Введение .. 390
4.3.2. Передающие среды 391
4.3.3. Источники света для волоконно.оптических систем
связи . 400
4.3.4. Модуляция 402
. 4.3.5. Приемники . 404
4.3.6. Ретрансляторы 405
4.3.7. Системы связи 401
4.4. rолоrрафия [108-------120] 412
4.4.1. Основные положения 412
4.4.2. Типы rолоrрамм . . 415
4.4.3. Применения rолоrрамм 416
4.5. Друrие применения [121 177] 422
4.5.1. Оптическая цифровая память 422
4.5.2. Волоконно,оптические датчики 428
4.5.3. Пикосекундная оптоэлектроника 430
4.5.4. Интеrральная оптнка .. 432
4.5.5. Лазерное печатающее устройство 444
4.5.6. Лазеры в вычислительной технике 445
4.5.7. Лазеры в фотоrрафии . . . . 446
4.5.8. Лазеры для считывания и идентификации 446
4.5.9. Лазер как измерительное средство 447
5. Техника безопасности при работе с лазерными устройствами 447
5.1. Опасности при работе с лазерными устройствами 447
5.1.1. Специфические лазерные опасности 447
5.1.2. Неспецифические лазерные опасности 451
5.2. Мероприятия по технике безопасности 452
5.2.1. Определение понятий 452
5.2.2. Классификация лазерных устройств 454
5.2.3. Предельные величины экспозиции при воздействии
лазерноrо излучения .. . .. 457
5.2.4. Количествеиное рассмотрение конкретных условий
эксплуатации. ... 461
5.2.5. Специальные меры для защиты rлаз 463
5.2.6. Обшие мероприятия, обеспечивающие безопасность
труда при эксплуатации лазерных установок 468
6. Реrистрация электромаrнитноrо излучения 472
6.1. Основные положения и понятия 472
6.1.1. Характеристики излучения . 472
6.1.2. Характеристики источников излучения 475
6.1.3. Виды излучения . 479
6.2. Методы реrDстрации [1] . '" 479
6.2.1. Калориметрические методы реrистрации . 479
6.2.2. Фотоэлектрические методы реrистрации 480
6.2.3. Фотохимические методы реrистрации . .. 480
6.2.4. Нелинейные оптические эффекты (НЛО-эффекты) 481
6.3. Свойства и характеристики приемников излучения . . 484
6.4. Приемники и методы измерения непрерьшноrо и ИМПУJIЬС-
Horo И3JlуЧения . . . . . 489
6.4.1. Тепловые и ИК фотоприемники . 489
6.4.2. Детекторы с внешним фотоэффектом . 494
6.4.3. Методы измерений с высоким временным разреше-
нием [ll] . . 503
6.4.4. Методы реrистрации лазерноrо излучения с BЫCO
кой чувствительностью 508
6.5. Реrистрация изображений . . . . . . 510
6.5.1. Передающие телевизионные трубки [16] 511
6.5.2. Твердотельные приемники изображения. 515
6.5.3. Оптический мноrоканальный анализ (ОМА) 516
Список литературы . 518
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книrа по лазерноЙ техНике является справочником, в котором
читателю представлен обзор' основных положений, /;\:вантовой электро-
иики с особым упором на применение этой относительно новой отрасли
'знаний физики. С изобретением первоrо лазера 27 лет тому назад иа
чал ось развитие. которое из-за особых свойств этоrо источника света
очень быстро привело к большому числу применений в науке и технике.
Одиако предпосылкой для этоrо являются специальные зн'ания о своЙст-
вах, воздействии и реrистрации электромаrнитиоrо излучеиия, а также
о принципе действия различных типов лазеров, предъявляемых к ним
требованиях, возможностях и пределах. Поэтому в краткой форме вве-
дены объяснения, которые частично выходят за пределы справочноrо
руководства. Прежде Bcero это относится к принципу действия лазеров
и их использованию в научной области, находящейся в настоящее вре-
МЯ в стадии бурноrо развития.
Авторы стремились к тому, чтобы в достаТОЧIIОй степени изложить
основные положения и дать более подробные сведения ряду важных при-
менений. Детальные сведения читатель может найти в обширноЙ цити-
руемой литературе. .
В настоящем втором издании «Справочника по лазерной технике»
были использованы большие части первоrо издания. Однако основиой
причиной переработки справочника оказалась необходимость включения
новых результатов, полученных в последние [оды в области лазерной
физики. Для Toro, чтобы включить новые разработки в области самих
лазеров и в особенности применения лазеров при сохранении объема
книrи, пришлось отказаться от ряда положениЙ из области оптики.
Мы блаrодарим всех авторов и рецензентов доктора Б. Вильrельми
и инженера Х. Берrмана за их работу I надеемся, что второе издание
справочника найдет такой же хороший прием, который имел место при
первом издании справочника. В равной степени мы блаrодарим изда.
тельство за учет наших пожеланиЙ в особенности редактора издатель-
ства ДИПЛОМИDованноrо физика Дж. Хорна за хорошую и конструктив-
ную работу. Одновременно мы просим читателей о помощи при даль-
иейшем улучшении книrи. Все указания и пожеJJaНИЯ будут приняты
с блаrодарНОСТЬЮ.
Доктор техн. наук В. Бруннер,
доктор техн. наук К. Юнее
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
1.1. СВЕТ КАК ЭЛЕКТРОМАrНИТНЫЕ ВОЛНЫ
До середины XIX в. электромаrнитные и оптические явления pac
сматривались независимо друr от друrа. Представления о свете в про
тивоположность развитой Ньютоном корпускулярной теории (теория
сВета Ньютона), СOl'ласно которой свет должен состоять из маленьких
материальных частиц (световых корпускул), характеризовались волио
вой теорией света ([юЙrенс. 1678 r.). По этой теорин световые волны
распространяются как упруrие волны в светоносном эфире. Дальнейшее
развитие волновоЙ теории света было связано с работами Френеля
(1825 [.), который объяснил интерференционные и дифракционные яв-
ления и показал, что при рассмотрении световых волн речь идет о по-
перечных волнах, т. е. о ВОJшах, колеблющихся перпендикулярно на"
правлению распространения, блаrодаря чему стала ПОНЯТIIОЙ поляриза-
ция света. Однако физически распространение света в виде упруrой
механической волны во всепроникающем эфире оставалось непоиятным.
после установления основных уравнений электродинамики Максвел
лом (1871 r.) последовало обоснование представЛеНИЯ о свете как элек
тромаrнитной волне [толчком послужили измерения Вебера (1858 [.)].
Существование электромаrнитных волн было подтвреждено [ерцем экс
периментально в 1888 r. Возникшая из объяснения фотоэффекта rипо-
теза Эйнштейна о световых квантах (1905 [.), соrласно которой свет
состоит из отдельных квантов энерrии (фотонов), зависящей от частоты,
привела, наконец, к современному представлению о дуа.1изме света.
Свет распространяется в виде электромаrнитноЙ волны, в то время
как энерrия при испускании излучения и поrлощении сконцентрирова-
на в световых квантах, при этом при взаимодействии электромаrнитно-
ro излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 r.,
наряду с поrлощением и спонтанным излучением возникает вынужден-
ное (индуцированное) излучеиие, которое образует основу для разра-
ботки лазеров.
Усиление электромаrнитных волн за счет вынужденноrо излучения
или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромаrнитноrо
излучения в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание при-
бора, названноrо мазером (micro\vave amplification Ьу "timulated emis-
sion оУ rаdiаtiоп), было реализовано в 1954 r. По предложению (1958 [.)
распространить этот принцип усиления на значительНо более короткие
световые волны в 1960 [. был- разработан первый лазер (light аmрlШ-
cation Ьу Stimu1ated еmissiоп оУ radiation) твердотельный рубиновый
лазер, за которым в дальнейшем последовал ряд друrих типов лазеров
(табл. 1.1),
Т а б л и ц а 1.1. Хронолоrиqеская таблица развития квантовой
электроники
rод
Этапы развитиЯ
Авторы
1917
Введение понятия вынужденноrо (ин-
ДУЦИРОВaIШОI'О) излучения
Экспериментальное обнаружение BЫ
НУЖдеННОl'О излучения
Экспериментальное обнаружение ин-
версии заселенностей
Предложения об усилении за счет
вьшужденноrо излучениЯ
1928
1950
1951
1953
19.54/
1955
1954
Первый мазер на аммиаке
1957
1958
Первый твердотельный мазер
Предложение об усилении за счет вы-
нужденноrо излучения в оптическом
диапазоне
Предложение о создании rазовоrо
лазера
Предложение о создании полупровод-
никовоrо лазера
Первый твердотельный
лазер)
Первый Не-Nе-rазовый лазер
19-59
А. Эйнштейн
Р. Ладенбурr, Х. Коп-
ферман
Э. Парселл, Р, Паунд
В. А. Фабрикант,
Дж. Вебер
Н. [. Басов, А. М. Про-
хоров
Дж. [ордон, Х. Цайrер,
Ч. Таунс
А. Шавлов, Ч. Таунс
А. Джаван
1960
Н. [. Басов, Б. М. Вул,
Ю. 1\'1. Попов
(рубиновый Т. Мейман
1959
1961
1961
Обнаружение нелинейноrо оптическо-
[о эффекта (rенерация rармоник):
начало развития нелинейной оптики
Первый полупроводниковый (инжек-
ционный) лазер
1962
1965
1966
1969
Первый лазер на центрах окраски
Первый лазер на красителе
Соединение (инжекционноrо) лазера
с миниатюрными оптическими и элек-
тронными элементами (интеrральная
оптика)
Первый лазер с распределенной об
ратной связью
Первый лазер на свободных электро-
нах
1971
1977
1984
Первый солитонный лазер
А. Джаван, В. Р. Бен-
нет (мл.), Д. Эрриот
П. Франкен, А. Хилл,
Ч, Питерс, [. Вейнрайх
М. Натан, В. Думке,
[. Бёрнс, Ф. Дил (мл.),
[. Лашер
Б. Фритц, Е. Менке
П. Сорокин, Дж. Лан-
кард
С, Миллер
к. Шенк, Дж. Бьёрк-
холм, Х. Коrельник
Д. Дикон, Л. ЭJшЙес,
Дж. Мейди, [. Рэймен,
Х. Шветтман, Т. Смит
Л. Молленауэр, Р. Што-
лен
Лазер является источником света, с ПОМощью KOToporo может быть
получено KorepeHTHoe ЭJIектромаrнитное излучение, которое известно
нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в корот-
коволновой, в особенности инфРaJ{расной и видимой, областях спеlпра.
Излучение лазера отличается от излучения обычных источников
Света следующими характеристиками:
высокой спеКТР3JIЬНОЙ плотностью энерrии;
монохроматичностью;
высокой временной и пространственной коrерентностью;
высокой стабильностъю интенсивности лазерноrо излучення в ста-
циоиарном режиме:
возможностью rенерации очень коротких световых импульсов.
Эти осоБDrе свойства излучения лазера обеспечивают ему разнооб-
разнейшие применения. Они определяются rлавным образом прИНI.\ипи-
ально отличным от обычных источников света процессом rенерации
излучения за счет вынужденноrо излучения.
..2. rЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАrнитноrо
ИЗЛУЧЕНИЯ
1.2.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
в соответствии с представлениями классической электродинамики
известно, что каждый усКореннЫй электрический заряд приводит к из-
лучению электромаrнитной волны, причем ускорение в простейшем слу-
чае может быть связано с колебаннями заряда.
Это справедливо для метровых волн радиовещательных и телевизи-
онных передатчиков и сантиметровых и миллиметровых волн микровол-
новой техники. При этом типичным является то обстоятельство, что под
деЙСтвием соответствующей обратной связи возбуждается большое чис-
ло электронов в синхронные колебания (синусоидальный ток в антенне),
а это приводит к излучению электромаrнитной волны по синусоидаль-
ному закону (рис. 1.1). Частота v колебаиия определяется при этом
свойствами колебательноrо контура индуктивностью L и емкостью С
контура.
Поскольку с помощью современных полупроводииковых элементов
не удалось уменьшить определенную нижнюю rраницу для L и С, то
таким способом возможно rенерирование электромаrнитных волн с мак-
сим альной частотой примерно 1011 [ц соответственно Л"" 1 мм (табл.
1.2). Таким образом, более коротковолновое излучение можно получать
с помощью атомных диполей. Это относится, 13 частности, к световым
волнам.
Под атомным диполем понимают колеБJ1l0ЩИЙСЯ диполь атомных
размеров (порядка 10 8 см). При этом речь идет о молекулах, атомах,
возбуждениях в твердых телах, а также (для чрезвычайно коротковол-
HOBOI'O v-излучения) ядрах атомов.
Атом состоит из положительно заряженноrо aToMHoro ядра и вра.
щающеrося (отрицательноrо) электронноrо облака, причем возможны
только определениые энерrетичеСlше состояния атома E i (i 1, 2...)
(электронные орбиты Бора, дискретные энерrетические состояния 1;1 кван-
товой механике, квантование энерrии) (рис. 1.2). Переход с более вы-
cOKoro (энерrия Е 2 ) к более низкому энерrетическому состоянию (EI)
(электронный переход) осуществляется за счет колебания диполя с час-
Таблица 1.2. Диапазоны электромаrнитноrо излучения
Частота. rц Длина волны, М Обычн,)е обозначенне rенернрование Примечання
1 3.108
10 3.107 { Технический пере- { [енераторы
1O 3.106 менный ток
103 3.105
104 3.104 { Длинные волны 1 \ р",овощ,.
105. 3.103 { Средние волны тельные пере-
106 3 .102 { Ламповые reHepa датчики
107 3.10 Короткие волны торы { Телевизионные
108 3 { Ультракороткие t передатчики
волны
109 3.10 1 ( { MarHeTpoHbJ ! КОММ"",,,,"
1010 3.10 2 Микроволны Клистроны передача дан-
ных
1011 3. 10 3 { Диоды [анна { Мазеры
1012 3.10 4 { Инфракрасное из- ( Км,""ш р,шcr-!
1013 3.10 5 лученне (тепловые
волны) ки, вращательно
1014 3. 1O 6 (3 мкм) { Видимое излуче- колебательные пе Лазеры
ние реходы в молеку-
1015 3.1O 7 (0,3 мкм) { лах
УФ-излучение Атомные
1016 3.1O 8 (30 нм) ДИПОЛЬf!ые
1017 3. 10 9 (3 нм) { ! (мяrкое) Электронные пере-
1018 3.10 10 (0,3 нм) PeHTreHOBcKoe из- ходы в атомах, мо-
лучение (жесткое) лекулах, комплекс-
1019 3.1O 11 (0,03 нм) ,,-излучение ных средах
lO O 3.1<rl (0,003 нм) Колебания ядер
тотой
V==(E2 El)/h, (1.1)
rде h постоянная п. анка (h 6,62.10 З Дж.с).
Излучение электромаrнитной волны на этой частоте происходит
с эиерrией (E2 EI), которая испускается в виде фотона.
Возбуждение более высоких &нерrетических состояниЙ, если отсут-
ствует поле излучения, происходит путем соударений (например, воз
Рис. 1.1. Принцип rенерирования колебаний
R в Iюлебательном I{OHType (L индуктив
ность; С емкость; R обратная связь)
L
с
Рис. 1.2, Упрощенная боровская модель ато-
ма (а) с атомным ядром А, электронными
орбитами Е п и rлавным квантовым числом
n; переход 1 2, представлеНIIЫЙ в
виде aToMHoro диполя (6); в схематичес-
кое изображение системы энерrетических
уровней для модели (а) с энерrией E i (i
1, 2...)
б)
Е*-
Eif
r E2
Е ,
О)
+
i Z 4
буждение электронным ударом в rазовых разрядах, при прохождении
тока в твердых телах, столкновения в BbJcoKoHarpeTbIx средах). Пере-
ход из возБУJКденноrо в основное состояиие (начало излучения) проис
ходит спонтанно, т. е. в непредсказуемый момент времени (спонтанное
излучение) .
Вероятность перехода в единицу времени wslFA связана со сред-
ним временем жизни 't возбуждеиноrо СОСтояния:
А == 1/.,
(1.2)
бv:
(1,3)
которое для невозмущенноrо диполя определяет ширину линии
бv == 1 /(2:n:Т) ,
и длину коrерентности ll( испускаемоrо излучения (рис. 1.3):
11( == с/(2л:бv).
(1.4)
При взаимодействии колеблющеrося с частотой v aToMHoro диполя
с полем излучения той же частоты (условие резонанса) и числом фото-
нов n с вероятностью переход а в единицу времени rюаЬ происходит:
поrлощение излучения и тем самым возбуждение (EI E2) атома,
если этот атом находился в основном состоянии;
с одинаковой вероятностью Wind==Wab необходимое для лазера вы-
нужденное (или индуцироианное) излучение, при котором возбужден-
ный атом отдает свою энерrию (Ет----Еi) в фазе падающей электромаr-
нитной волны (рис. 1.3).
E2 lK Z
w sp u Wab
E1
т
,
о)
Рис. 1.3. Схематическое изображение спонтанноrо излучення (а), поrло-
щения (6) и вынужденноrо (стимулированноrо) излучения (8) (слева
до взаимодеЙствия, справа по ле взаимодействия):
...,. падающая или излученная волна; . населенность УРОВНЯ
AS
'vv\. 'vv'
'\.f'\J"V ../\./'v.
'v\f\..., JV\.f'
'vv\.; 'v\.f"
1
JVAAA
.
а)
AS
1
..
Рис, 1.4. Интенсивность 1 поля излучения возбужденной системы атомов
AS при спонтанном (а) и вынужденном излучении (6):
излученные цуrн волн; . возбужденные атомы
Называемое светом электромаrнитное излучение реализуется в ви-
де cYMMapHoro излучения всех атомныХ диполей рассматриваемоro
Источника света. При этом наряду с поrлощением возникает как спон-
танное, так и вынужденное излучение. В какой доле оба вида излуче-
Ния вносят вклад в результирующее излучение, зависит от отношений
заселенностей' излучающих атомов, которые определяются сIiособом
возбуждения (рис. 1.4).
Если излучение определяется в основном спонтанным процессом, 1'0
речь идет о тепловом (обычном) источнике света. Такое излучение Ha
зывают тепловым или также естественным светом. Оно возникает за
счет Статистическоro (спонтанноrо) нзлучения несвязанных друr с дру-
rOM возбужденных атомов.
Если излучение в основном определяется вынужденным процессом,
то речь идет о лазерном излучении, оно возннкает как синхрони:щрован-
ное излучение возбужденной системы (рис. 1.4).
1.2.2. ОБЫЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Излучение обычных источников света происходит за счет электрон
иых переходов в атомах, молекулах и комплексных средах, например
в твердых телах, нлн за счет вращательно-колебательных переходов
в сложных молекулах (Уiлеводороды, красители).
Таким образом, реrистрируемая спектральная область простирается
от дальней ик:- до УФ-области спектра и выходя за пределы оптиче-
CKOro диапазона в узком смысле до области рентrеновских лучей (мы
не рассматрнваем здесь 'V излучение, испускаеМое ядрами атомов).
Возбуждение соответствующих атомных диполей происходит
в столкновениях, причем энерrия СТОЛКН05ения получается за счет хими-
ческих процессов (лампы rорения) или электрической энерrии (электри-
ческие лампы). Результатом теПЛОВОiО возбуждения является засеJiен
ность возбуждаемых энерrетических уровней соrласно распределению
Больцмана. Для N i , N j атомов в состояниях с энерrиями Ei, E j спра-
ведливо соотношение
N i == Nj e E; Ej/kT, (1.5)
если не принимать во внимание вырождение состояний. (Если k O со-
стояние имеет q,,-кратное вырождение, то тоrда N" следует заменить на
N,,/gI{.) Таким образом, возбужденное состоянпе Ei>E j всеrда имеет
меньшую заселенность по сравнению с ннжележащим уровнем, Ni<N j .
Пример. Для пере ход а в оптическом диапазоне с л 0,5 мкм имеем
Е; Ej == h'V;j == 6,62.1O 34 Дж.с.6.\О14 C l 4.\O 19 Дж.
Тепловое возбужденне BepxHero уровня i дает при температуре T
зооок: kТ 4,2.10 20Дж. Тем самым получаем Ni/Nj 7.10 5.
Излучение как переход из возбужденноrо состояния Е . в энерreти
чески более низкое состояние E j происходит тоrда спонтанно с вероят-
ностью W sp с испусканием фотона с энерrней Ei Ej h'Vij, COOTBeтCTBY
ющей электромаrнитной волне частоты 'Vij и длиной коrерелтности,
определяемой уравнением (1.4).
Суммарное поле излучения возникает из наложения относительно
коротких цуrов волн от отдельных атомов, причем суммарная вероят-
ность в единпцу времени определяется соотношением Wsp wspNI. К это-
му полю излучения следует добавить долю вынужденноrо рассеяния,
которое происходит с вероятностью в единицу времени
Wind == Wind N i . (1.6)
Для соответствуюrцей вероятности ПОiлоrцения имеем
Wab == Wab Nj, (1,7)
так что из-за Wab==Wlnd И N1.<N 1 всеrда имеет место при тепловом
возбуждении
Wind <i Wab'
(1.8)
Суммарное поле излучения в осиовном определяется спонтанным
нзлучением. Таким образом, как следствие статистическоrо наложения
отдельных цуrов волн получается излучение с малой длиной KorepeHT-
ности и большими флуктуациями интенсивности излучения.
Излучение с такими характеристиками называют тепловым (или так-
же хаотическим) светом. Кроме Toro, в источниках света часто имеются
различные сорта атомов и молек}л с различными системами энерrетиче-
ских уровней. Точно так же даже у одноrо сорта атомов возбуждается
ряд уровней, так что излучается большое число частот.
Т а б л и ц а 1.3. Обычные источникн излучения
Тип/принцип
Характеристика
излучающей среды
Специальные источнИlО
света
Лампы со сrорани-
ем топлива
Химическая энерrия
топлива непосредст-
венно преобразуется в
rорелке в свет (удар-
ное возбуждеиие)
Электрические лам.
пы
Электрическая энер-
rия преобразуется в
свет
Свеча
Свеча rефнера
Ацетиленовая лам-
па
Лампа на нефтяном
светильном rазе
Керосиновая лам-
па
Лампа на ПРОllане
rазовая лампа
Лампы накалива-
ния
r азоразрядные
лампы:
уrольная дуrовая
лампа
лампа тлеющеrо раз-
ряда
rазоразрядная лампа,
наполнеиная инерт-
ным rазом
лампа с разрядом в
парах металлов
rазосветные лампы
Люминесцентная
лампа
Комбинированная
лампа смешанноrо
цвета
Тепловой излучатель
уrлеводород
Тепловой излучатель
амилацетат
Тепловой излучатель
ацетилен
ТепловоЙ излучатель
минеральное масло
ТешIOВОЙ излучатель
керосин
Тепловой излучатель
пропан
Тепловой излучатель
rородской rаз
Тепловые излучатели
металлы, оксиды
Селективный излуча.
тель воздух
Селективные излуча-
тели Ne, Не
Селективные излуча-
тели Хе, Kr
Селективные излучате-
ли Нg, Na
Селективные излучате-
ли N, СО 2 , Ne, Не, Hg
Селективные излучате-
ли люминофоры
Тепловое и селектив-
,ное излучение (объеди-
нение лампы накалива-
ния и rазоразрядной
лампы)
Обычные ИСТОЧНИКИ излучения (табл. 1.3) дюот в общем относи
тельно ШИРОКИЙ спектр частот, который определяется способом возбуж
дения, а также излучающей средой.
Источники излучения можно характеризовать:
как селективные (линейчатые) излучатели: возбужденные атомы
или молекулы, которые возбуждаются в пламени или элеJ<трически
и испускают только излучение отдельных частот (например, специальные
rазоразрядные лампы);
как излучатели со сплошным спектром: термически возбужденные
соответствующие системы, которые излучают широкий спектр частот
(например, лампа накаливания); спer<тральное распределение энерrии
зависит от температуры и от спектральной излучательной способности.
Идеальный тепловой излучатель, который поrлощает все падающее
на Hero излучение и также полностью снова испускает излучение, назы-
вают абсолютно черным телом.
Для TaKoro излучателя как суммарная энерrия, так и спектральное
распределение энерrии определЯЮ1СЯ только температурой (рис. 1.5).
80
100
ВО
100
БО
:i
jo--
с>
..; 40
с{
60
....
с::
'"
Q 40
..;
;0
to
2 3 4- 5 р
А,МКМ
Рис. 1.5. Спектральное распределение интенсивности (в относительных
единицах) черноrо излучателя для различных температур Т:
й область до 2000 1<; б 4000 и 6000 К; солнечный спектр; S ВИДИ'
мая область спектра
1.2.3. ЛАЗЕР «АК ИСТОЧНИ« СВЕТА
Принцип действня лазера состоит в том, чтобы достиrнуть синхро
иизации обычно статистически (спонтанно) излучающих атомных дипо-
лей. Это означает, что свойства нзлучения системы в основном ДОJIЖНЫ
определяться вынужденным нзлучением. Для Toro чтобы это достиrнуть,
необходимо
Wiпd > Wab' (1.9)
Это возможно только в том случае, коrда число атомов на верхнем
энерrетическом уровне i рассматриваемоrо перехода больше, чем число
атоМОВ на нижнем энерrетическом уровне j(Ni>N j ); такое состояние
обозначается как состояние с инверсией :sаселенностей. Отсюда следу-
ют два условня rенерации лазера.
Первое условие rенерации лазера: наличие инверсии заселенностей.
Излученне, во-первых, происходи]' (как у обычных источников излуче-
ния) спонтанно и, во-вторых, за счет актов вынужденноrо испускания,
причем вынужденное излучение преобладает над поrлощением, так что
происходит усиление вначале спонтанно созданноrо поля излучения.
После вынужденноrо излучеиия при взаимодействии со мноrими атома-
ми электромаrнитное поле идентично по фазе и частоте падающей вол-
не, но с усиленной интенсивностью. Чтобы при усилении за счет вынуЖ-
AeHHoro излучения получить интенсивное поле определенной фазы и час-
тоты и тем самым большую длину коrерентности, необходимо, чтобы
всеrда одиа и та же волна при взаимодействии со средой с инверсноЙ
заселенностью стимулировала ее к вынужденному испусканию излу-
чення.
Это достиrается с помощью обратной связи усиленной волны в ре-
зонаторе, в котором возможны только определенные собственные коле-
бания (моды).
Если в резонансноЙ системе (как это известно из электроники) уси-
ление волны больше, чем потери, то в системе па основе всеrда имею-
щеrося спонтанноrо излучения (шума) происходит самовозбуждение
колебаний, при этом имеет место переход от лазерноrо усилителя к оп-
тическому reHepaTopy, кратко названному лазером.
Отсюда следует второе условие rенерации лазера (пороrовое усло-
вие): усиление света должно компенсировать затухание энерrиИ, обу-
словлеиное потерями в резонаторе.
Спонтанно испущенный фотон точно определенной частоты и на-
правления (соответствующий собственному колебанию резонатора)
проходит через инвертнрованную снстему атомов и вызывает с опреде-
ленной вероятностью вынужденное излучение, приче д эта вероятность
тем больше, чем чаше фотон проходит систему возбужденных атомов.
Это равным образом относится к индуцированно испущенному через
определенное время фотону точно Toro же сорта (собственное колеба-
ние резонатора). Оба фотона распространяются через систему атомов
и индуцируют испускание друrих фотонов. Этот процесс продолжается
лавинообразно из-за увеличивающейся с ростом интенсивности вероят-
ности излучения (см. разд. 2.1 .2). Этим самым возрастает интенсивность
излучения в моде или модах с очень незначительными потерями, и про-
исходит, наконец, самовозбуждение rенерации лазера, если увеличение
энерrии за один проход резонатора превалирует над потерями. В Ка-
честве потерь для поля излучения в ОСНОВНОм рассматриваются вывод
части излучения с помощью зеркал резонатора, а также потери, обуслов-
ленные дифракцией и рассеянием.
ПО отношению к названным в разд. 1.2.2 источникам света поле I1З-
лучения лазера, созданноrо таким образом, принципиально отличается:
большой длиной коrерентности, обусловленной вынужденным излучени-
ем и резонатором, и высокой стабильностью интенсивности излучения,
обусловленной насыщением при уменьшении инверсной заселенности.
Свет как излучение синхронизированных атомных диполей называ-
ют лазерным излучением.
Создание инверсии заселенностей может происходить различными
способами и характеризовать отдельные типы лазеров (см. разд. 2.2,
а также табл. 1.4). в качестве активных сред, в которых достиrается
Т а б л и ц а ] .4. ИСТОЧНИКИ лазерноrо излучения
ТИП/ПРИНЦИП действия
Активная ср<'да
Твердотельные лазеры
Создание инверсной заселен-
ности путем облучення элект-
ромаrнитным излучением (оп
:rическая накачка) и тем са-
мым возбуждение специальных
ионов в кристаллах и стеклах
rазовые лазеры
Создание инверсной заселен-
ности путем ударноrо возбуж-
дения атомов и молекул в ra-
зовом разряде
Полупроводниковые лазеры
Создание инверсной заселен-
ности за счет проте!{аl!ИЯ тока
в р-n-переходе
Лазеры на красителях I
Создание инверсной заселен-
ности оптической накачкой кра-
снтелей
Лазеры на свободных элект-
ронах
Преимущественно ВЫнуЖден-
ное излучение отклоненноrо
электронноrо пучка блаrодаря
определенным фазовым соотно-
шениям между электронами и
полем излучения
I Специальные лазеры I
Рубиновый ла СrЗ+
зер
Лазер на стекде Ndз+
с неодимом
Не-Nе-лазер
Арrоновый лазер
СО 2 -лазер
Не-Сd-лазер
GaAs-лазер
IпАs-лазер
IпР-лазер
PbTe-лазер
Непрерывный
лазер на красите-
ле
Лазер на краси-
теле с ламповой
накачкой
НаносекундныЙ
лазер иа красителе
Ne
Ar+
СО 2
Cd+
I Полупроводни-
ковые кристал-
лы, леrирован
ные Zn, Те и
друrими эле-
ментами
) Орrаиические
красители
Пучок
вистских
нов
реляти -
электро-
инверсия заселенностей, приrодны большое число атомов и молекул
в разнообразных конфиrурациях:
ионы металлов переходной rруппы (СrЗ+, Ni 2 "'", Со2+), редкоземель-
ных элементов (NdЗ+, РrЗ+, НоЗ+, Тт3+, Еr З +) и актиноидов (U 3 +)
(введенные в разнообразные матрицы OCHoBHoro материала они образу-
ют основу для твердотельных лазеров);
атомы, ионы и молекулы в rазообразном состоянии (Ne, Ar+, Cd+,
СО2, СО, Hg, Хе, HF, Н 2 О, HCN и друrие используются в rазовых ла-
зерах) ;
сложные молекулы красителей (используются в лазерах на краси
телях) ;
полупроводниковые кристаллы преимущественно с fJ п переходом
(GaAs, PbSnTe с соответствующим леrированием Те, Zn, Cd для полу
проводниковых лазеров).
В настоящее время существует большое число возможных актив-
ных сред и тем самым источников лазерноrо излучения в спектральной
области от 10 7 дО 10 З м. При ЭТОм для большоrо числа твердотелыlЫХ
и rазовых лазеров длина волны лазерноrо излучения фиксирована и H
перестраивается (или перестраliвается только в малом диапазоне), так
что непрерывно охватывается не вся указанная область спектра.
В СПf'ктральной области от 0,4 до 32 мкм возможна непрерывная пере-
стройка частоты с помощью лазеров на красителях (в диапазоне длин
волн от 0,4 до 1,2 мкм) и ряда полупроводниковых Jlазеров (в диапа
зоне длин волн от 0,8 до 32 мкм) (см. разд. 2.7 и 2.8). Лазеры с пере-
страиваемой частотой имеют большое значение в ряде применений,
преимущественно в спектроскопии (см. разд. 3).
Кроме Toro, эти оrраничения показывают также проблемы, которые
ст;;шпся на передний план в будущих исследованнях по лазерам и раз-
работкам лазерных систем, не roворя о разнообразных применениях ла
зеров:
распространение лазерноrо принципа действия на более короткие
длины волн (до длины волны peHTreHoBCKoro излучения)';
увеличение диапазона I!ерестройки различных типов лазеров.
2. ЛАЗЕРЫ
2.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ [10]
2.1.1 ВВЕДЕНИЕ
Электроматнитная волна уснливается за счет вынужденноrо излу-
чения, если в атомной или молекулярной системе, взаимодействующей
с полем излучения, существует инверсия заселенностей (первое условие
rенерации лазера, см. разд. 2.2). При этом усиление тем больше, чем
меньше поле излучения содержит собственных колебаний. Это достиrа-
ется с помощью соответствующей резонансной структуры (формирова-
ние излучения в резонаторе).
Накопленная в атомиой системе эиерrия излучается только на не-
Которых собственных колебаниях (см. разд. 2.3).
Поле излучения внутри резонатора возникает в виде самоподдер-
Живающихся Iшлебаний, если усиление при каждом проходе через ре-
зоиатор превышает потери в резонаторе (вывод излучения из резонатора,
а также друrие потери). Система работает как лазер при выполиении
пороrовоrо условия (второе условие rенерации лазера, см. разд. 2.4).
Основу для теоретическоrо понимания указанных характеристик
лазера, включая специальные свойства, образуют:
электродинамика (классическая или квантовая форма) для описа-
ния поля излучения;
квантовая механика для описания атомной системы.
В зависимости от. способа теоретическоrо анализа можно использо-
вать различные степени приближения. Следует различать следуюшие
подходы для описания процессов взаимодействия излучения с вещест-
вом, а именно с помощью:
балансных уравнений (описание поля излучения с помощью числа
фотонов и вероятностей переходов, атомной системы с помощью вели-
чины заселенности; этим самым охватывают пороroвое условие, интен-
сивности, динамику процесса rенерации лазера; часто используемое опи-
сание) ;
полуклассической теории [описание поля излучения с помощью
классической электродинамики (теория Максвелла), квантовомеханиче-
ское описание атомной системы; тем самым возможно дополнительное
определение фазовых и частоrных соотношений; преимущественио необ-
ходимо для описания rазовых лазеров]; квантовой теории [кваитовотео-
ретическое описание поля излучения и атомной системы; этим самым
можно также учитывать особенности поля излучения (ширину линии,
флуктуации интенсивности лазерноrо излучения); необходимо для опи-
сания основных процессов квантовой оптики (статистика фотонов); эта
теория часто заменяется классической или полуклассической теориеи
и дополнительным (феномеиолоrическим) введением флуктуаций).
Поле излучения лазера состоит из одноrо (часто обычное теорети-
ческое упрощение) или мноrих собственных колебаний, которые xapal{-
теризуются частотои, интенсивностью (числом фотонов) и поляризацией.
При этом частота определяется характеристиками активной среды и ре-
зонатора, интенсивность инверсной заселенностью и вероятностями
переходов.
2.1.2. ВЕРОЯТНОСТИ ПЕРЕХОДОВ
Если атом или молекула находится в возбужденном состоянии
(энерrия Е 2 ), то происходит переход в основное состояние (энерrия E 1 )
с испусканием спонтанноrо излучения с вероятностью перехода в еди-
иицу времени для одноrо собственноrо колебания i (поляризация, на-
правление) :
w(l) ==
sp
(2п)2 ,,3
hc 3 ( te)2 dQ
(2.1 )
rде ,, ( Е2 Едlh частота излучения; t дипольный момент.
При учете спонтанноrо излучения во всех типах собственных коле-
баний (суммирование по всем направлениям поляризации е, а также
элементарному телесному уrлу dQ) получаем
w( i ) А 64л 4 "з
j == I "" I 2 == .. I,
sp 3hc 3
i
(2,2)
в результате чеrо определяется время жизни.. BepxHero уровня.
Если уже сущест ет внешнее поле излучения с частотоЙ v со сред-
ним числом фотонов n в собственном типе (моде) колебаний i, то Torдa
происходит переход 2 1 с испусканием стимулированиоrо (вынужден
иоrо) излучения в этот же тип колебаний с вероятностью переход а
в единицу времени
W (О iiw(i)
ind . вр .
(2.3)
Вынужденное излучение для собственных колебаниЙ j=l=i невоз-
можно.
Суммарная вероятность перехода в единицу времени для возбуж
денной системы определяется соотношением
(i) i
w == w illd + w sP '
i
(2.4 )
Если атом или молекула находится в осиовном состоянии, то тоrда
под действием облучения волноЙ i (частота ") происходит поrлощение
с вероятностью перехода в единицу времени
w(l) w (i)
аЬ il1d-
(2.5)
Часто вместо вероятностей переходов в единицу времени применя
ется коэффициент ЭйнштеЙна В;
Wind == Нп- (2.6)
Для поля и учения с частотой ", шириной линии бv и средним
числом фотонов п в объеме V (объем резонатора) коэффициент Эйнш-
Т/'ЙI!3 В jJ,JБСН:
н == сВ A/(8:rtV'V бv).
(2.7)
Связь между числом фото иов И плотностью энерrии излучения.
Плотность энерrии излучения u равна энерrии в единиц-е объема и в ча-
стотном интервале;
U == (h'Vп/V) dZ/d'V,
(2.8)
rде dZ число собственных колебаннй в интервале частот от v до
v+dv; dZ v2Vdv/сЗ на единицу 7елесноrо уrла (4л) 1 и заданноrо
направления поляризации.
Таким образом, для числа фотоиов имеем
n с 3 U /( hV8'> w(i) / w(i) ( 2.9 )
J ind sp -
С ПОВЫШением частоты 'V роль спонтанноrо излучения становится
Все больше и больше по сравнению с вынужденным излучением.
Для тепловоrо излучателя (обычный источник света) плотность
энерrии с учетом излучення по всем пространственным направлениям
и обоих направлений поляризации равна:
и т == 8:rш. (2.10)
Зависимость плотности энерrии тепловоrо излучения от частоты
Qпределяется формулой Планка
8З1h " В
ит == ehV/kT 1 (2.11)
2.1.3. БАЛАНСНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ
Каждый атом или молекула обладает большим числом возможных
состояний i с энерrией E i . Пусть N o число атомов в основном состоя
нии С энерrией Eo O. .Тоrда число N i атомов, которые находятся
в энерrетическом состоянии E i . в тепловом равновесии определяется
распределением Больцмана
Ni==Noe EilkT, i==I,2... (2.12)
Прн нарушении тепловоrо равновесия распределение отклоняется
от больцмановскоro (рис. 2.1). При описании лазера с помощью баланс-
Horo уравнения имеем:
Ei'
Е 2
Е з
А
Е 2
&1
Е 1
11
N o N{
Рис. 2.1. Распределение Больцма-
на. За счет перезаселенности уров-
ня с энерrией Е 2 (нарушение те-
пловоrо равновесия, штриховая
линия) можно достиrнуть инвер-
сии населенностей между уровня-
ми Е) и Е 2
Рис. 2,2. Упрощенная
схема энерrетических
уровней для лазер но-
ro перехода
характеристику атомной системы с помощью заселенности N i иве.
роятностей переходов в единицу времени А и В, а также 'V при безызлу-
чательной релаксации;
характеристику поля излучения с помощью числа фотонов п в со-
ответствующем собственном типе колебаний, а также % как потери в
единицу времени (потери в резонаторе); отклонение от тепловоrо рав-
новесия (накачка лазера), обусловленное числом RI атомов, перешед'
ших в единицу времени на уровень i.
Скорость изменения числа атомов N i в состоянии i в единицу вре-
мени равна вероятности перехода в единицу времени, умноженной на
число атомов N i . Изменение определяется суммой (увеличение заселен-
ности +, уменьшение заселенности ) переходов, если с уровнем связа-
но несколько переходов. ,
Часто оказывается достаточным рассмотрение в атоме только двух
уровней, связанных лазерным переходом (рис. 2.2).
Для схемы уровней на рис. 2.2 балансные (скоростные) уравне-
ния имеют следующий вид:.
Вероятность R еднницу
времени
Возможные процессы
Спонтанное излученне
Вынужденное излучение
Поrлощение
Релаксационные процессы (опустошение
уровня 1, 2)
Процесс накачки (возбуждение уровня 2)
Потери на излучение
уравнения для заселенностей
dN 1 /dt == (N 2 N 1 ) Вп + N 2 А N 1 1'1:
dN 2 /dt == R (N 2 N 1 ) Вп N 2 А N21'2;
уравнение для поля излучения
dn/dt == 'Кn+ (N 2 N1) Вп.
А
пВ
пВ
1'1, 1'2
R
)(
(2.13)
(2.14 )
(2.15)
Общие зависящие от времени решения возможны только с помощью
численных методов. Часто достаточно иметь решение для стационарноrо
состояния
dN 1 /dt == о; dN 2 /dt == О: dn/dt == О.
R == 1'1 N 1 + 1'2 N 2'
Закон сохранения для числа атомов, участвующнх во взаимодей
ствии,
(2.16)
Основные соотношения. Инверсия заселенностей (первое условие
rенерации лазера)
(1'1 A)R
N2 Nl== >0.
Вп (1'1 + 1'2) + А1'1 + 1'1 1'2
Число фотонов
п [ RB (1'1 А) 1 ] 1'1 (А + 1'2)
)(1'1 (А + 1'2) в ('1'1 + 1'2) .
Пороrовое условие (второе условие rенерации лазера)
RB (1'1 А) > 1.
)(1'1 (А + 1'2)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
Нестационарный режим работы лазера. Для изучения нестационар-
Horo режима работы лазера часто используется упрощенная система
уравнений, получа юща яся в предположениях A O, VI 'I'2 Y (введено
обозначение N2 Nl==a):
da/dt == R 2Вап l'а;
dn/dt == xn + Вап.
(2.20)
(2.21 )
Стационарное решение имеет вид
l1.st == ( RB 1 ) l i
X'I'. В
Упрощенное пороrовое условие
RB/( ('I') > 1.
Х
ast == в'
(2.22)
(2.23)
Общее решение, зависящее от времени, для этой схемы также мож-
но получить только численными методами.
Скорость накачки R определяется режимом работы лазера:
при непрерывном режиме R сопst;
при импульсном режиме R R(t), возможная форма при возбуж-
дении с помощью импульсных ламп накачек
R (t) == сопst t (щ e b, t + а 2 e b. t).
t'
'1O'5
п
1014
,$.10 IJ
л(t}>
12.
Рис. 2.3, Зависимость инверсии населенностей аи) (а) и числа фотонов
nи) (6) от времени при возбуждении лазера
Численные значения: al l; a2 0,5+0,05; bl 106 C l; b2 105 C l.
Численное решение указанной выше системы с R const показыва-
ет возможность появления пичков (релаксационных колебаний) в излу-
чении перед установлением стационарноrо режима (рис. 2.3), при силь-
ном возбуждении установление происходит по экспоненцнальному за-
кону. Условие для возникновения релаксационных колебаний имеет вид
4хЩRВ) ;> 1. (2.24)
Период колебаний определяется выражением
2л
T R ==
RB .... r 4x 1
. 2х У RB
(2.25)
Условие для экспоненциальноrо поведения имеет вид
I 4'iI,2/(RB} 1.
(2.26)
Из приведениой выше системы уравнений определяется усиление
слабоrо сиrнала, которое часто используется и леrко определяется экс-
периментально.
При прохождении через инвертированную среду (постоянная ин
версия равна ао) для числа фотонов в точке z ct (ось z направление
распространения потока излучения) имеем
( Вао )
n (z) == n (О) ехр 7 ai z ЕЕ n (О) ехр (g aj) Z,-
(2.27)
rде Щ внутренние потери; g оптический коэффициент усиления
(gain) :
g== Вао/с;
fl<Z усиление слабоrо сиrнала.
(2.28)
(2.29)
При длине резонатора L и коэффициентах отражения R J , R2 дЛЯ
зеркал в качестве пороrовоrо условия rенерации лазера имеем
1 1
g==ai + ln
2L R 1 R 2
(2.30)
(часто исп()льзуемая форма BToporo условия rенерации лазера).
Обобщение: описание с помощью балансных уравнений возможно:
при рассмотрении больше чем двух уровней и соответствующиХ
вероятностей переходов;
при рассмотрении больше чем одноrо типа собственных колебаний
и их связи;
при учете пространственной зависимости инверсной заселенности
и числа фотонов (преимущественно при распространении импульса
света) .
Решение стаиовится тоrда значительно более сложным, см. по
этому вопросу специальную литературу [2, 3]_
Сказанное в еще большей степени относится к полуклассическому
и квантовомеханическому описанию [2,3], на котором здесь более под
робно не останавливаемся. Однако в разд.2.1.4 введеп ряд существен-
ных понятий, соотношений и результатов.
2.1.4. СВойСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1.4_1. Ширина линии и форма линии. Ширина линии и ее форма
задаются неопределенностыо энерrии уровней, участвующих в перехо
де, а также различными механизмами ваимодействия. Основные виды
уширения следующие:
естественная ширина линии бv N' определяемая временами жизни
BepxHero ('Т2) и нижнеrо ('rJ) уровней
бv N ==..J..... ( + ..J..... ) .
2л 'Тl 'Т2
(2.31 )
Профиль линии задаетея лоренцовой формой
2 1
f(v)==
n8v N ( V o V ) 2
1+4
{jv N
(2.32)
rде v центральная частота;
для взаимодеЙСТВУЮJДИХ атомоВ илн молекул принпипиально появ-
ляется уширение линий, обусловленное внешними полями и столкнове-
ниями;
однородное уширсние линии может быть обусловлено, например,
тем, что атом попадает в реЗУЛl:тате статистических колебаний (коле-
бания решетки) в области с различными напряженностяМИ электричс-
CKoro поля (поле кристалла), что приводит к изменяющемуся во време-
ни расшеплению линии; если эти колебания происходят быстрее, чем
продолжительность излучения на переходе (&vN"l), то переход однород-
но уширен (типично для твердотсдьных и отчасти полупроводниковых
лазеров); быстрые внутренние релакс.ационные пропессы в молекулах
приводят также к однородному уширению (типично для лазеров на
красителях) ;
у атомов с однородно уширенной линией все атомы в одинаковой
степени принимают участие в процессах поrлощения или излучения
(рис. 2.4);
неоднородное уширение линии обусловлено, например, тем, что
в результате теаловоrо движения атомов возникает доплеровский сдвиr
частоты излучаемо!'О света; каждая rруппа атомов с определенноЙ
компонентой скОрости излучает определенную частоту; движение
совокупности всех атомов приводит из-за различных скоростей к и::sлу-
чению широкой, неоднородно уширенной линии типично для rазовых
лазеров; во взаимодействии с излучением частоты v (ширнна линии
MHoro меньше доплеровской ширины) участвует только часть атомов,
для которой справедливо соотношение v Vo+ (1/2л)kv, остальные ато-
мы не участвуют в этом процессе взаимодействия (рис. 2.4), неоднород-
ное доплеровское уширение описывается rayccoBbIM профилем.
У ,
H
1
II
2k
111
Н О
а)
)1
)1, Уа
Рис. 2,4. Частотная завнсимость' числа атомов N O в основном состоянии
перед поrлощением (кривая 1) и после поrлощения (кривая l/) излуче
ния на частоте VJ. ширина линии {jV:
а при однородно уширенной линии; 6 при неоднородно уширенной ,nинии
(то же самое относится к воэ()уждеllНОМУ СОСТОЯННIQ при ВЫНУЖДеНиОм и:\лучеиии)
Доплеровский сдвиr частоты
БV D kv/(2л).
rayccoB профиль описывается выражением
2 V 1n 2 [ 2(Vо V)/БVD "l1iП2 ] 2
f(v) == е JI ... ,
бvо л
(2.33)
при этом ширина линии бvо в значительной степени определяется тем-
ператур.ой Т и сортом частиц (масса т) (рис. 2.5) :
2v o V 2kT m ln 2 .
бvо (2.34)
с
-=r
L..
1 1000 100
Ю о КрuОая Темпера Молярная
тура, 1< ,..,асса, Kr
1 300 20
2 1000 20
3 fOOO 20
4 iJOO 100
S 1000 100
6 4000 100
7 600 100
,/
,;
,/
,;
,; /.
/.
/.
109
107
10
Л! 108
<Ql'-"
КрuОая Темпера Молярная
тура, К l1accu,Kr
8 600 40
9 300 1
10 1000 1
11 1000 1
106
1013
101"
1015 I',rц
Рис. 2.5. Зависимость доплеровскоrо уширения от частоты v, темпера-
туры Т и массы '1астиu активной среды
Особенности: преимущественно в rазовых лазерах дополнительно
Возникают несколько процессов, которые MorYT привести к дальнейше-
му однородному или также неоднородному уширению линии. к: ним
относятся (рис. 2.6): столкновительные процессы (столкновения между
атомами или молекулами прерывают процесс излучения, соответственно
Изменяя фазу или время жизни возбужденноrо состояния, однородное
yIiIирение, обусловленное столкновениями)
l)v s == f}PG . (2.35)
rде ширина линии/давление;
аксиальный дрейф ионов приводит к двум перекрывающимся дo
плеровским профилям (неоднородное уширение).
Часто применяемый способ обозначения:
продольное время релаксации время жизни возбужденноrо co
стояния;
011
VJJoppler
0l$to/PG tlЬ/сокое)
O/ln
/j)'sto (рс нuзк '!!)
11
Рис. 2.6. Качественная зависи-
мость ширины линии бv от ча-
стоты v для разлИЧНЫХ меха-
низмов уширения
J(II)
11
110
Рис. 2.7. Интенсивность
линии в зависимости от
частоты (центральная ча-
стота vo) для спонтанно-
ro излучения (sp) и пре-
обладающеrо вынужден-
60ro излучения (инвер-
сия населенностей) для
двух различных интен-
сивностей 1 (t 2 ) >1 (tr)
поперечное время релаксации обратная однородная ши.рина линни.
Определяемые активной средой спектральные распределения (одно-
родные и неоднородные ширины линий) в значительной степени изме-
няются в процессе rенерации лазера, в частности происходит сужение
спеl(тра rенерируемоrо излучения. Это сужение спектра обусловлено
влнянием вынужденноrо излучения', процессами I<онкуренции мод, свой
ствами резонатора.
Поскольку интенсивность испускания вынужденноrо излучения про-
порциональна интенсивности (числу фотонов) падающеrо излучения, то
в иентре линии она растет (относительно) сильнее и происходит су-
жение спектра лазерноrо излучения (рис. 2.7).
Поскольку частотный интервал между собственными колебаниями
(I1РОДОЛЬНЫМИ модами) резонатора cj2L (в общем случае составляет
50 103 мrц) меньше, чем (однородная или неоднородная) ширина
атомной линии, то в лазере возбуждается большое число собственныx
Jюлебаний. Тоrда ширина rенерируемой лазерной линии зависит от воз-
можности сосуществования разных типов собственных колебаний, ко-
'IOрое осуществляется в том случае, если собственные колебания по-
лучают энерrию от разных атомов, а не от одинаковых, как это имеет
место в случае однородной линии.
Механизмы, которые обусловливают сосуществование собственных
мод резонатора, таковы:
спонтанное излучение;
неоднородное уширение линии;
пространственная зависимость поля излучения в стоячих волнах;
пространственная неоднородность лазерной активной среды.
Лазеры, в которых в значительной степени устраняются эти эф
фекты (кроме неизбежноrо спонтанноrо излучения, принципиально оп
ределяющеrо возможную минимальную ширину линии), дают без спе-
циальных частотно селективных элементов минимальные ширины
линий. Наиболее оптимальный случай: активная среда с идеально од-
нородно уширенной линией внутри кольцевоrо резонатора.
В противном случае в зависимости от действия механизмов сосуще-
ствования получаются ширины лииий в широкой спектральной области.
Особенности rазовоrо лазера: лэмбовский провал. Вследствие дви-
жения активных атомов нмеется доплеровский сдвиr частоты и линия
оказывается неоднородно уширенной. Волна, распростраНЯlOщаяся вле
во или вправо В резонаторе, находится в резонансе с атомами, движу-
щимися со скоростью и, при этом справедливо соотношение
v == V o :!:; kvj(2л). (2.36)
На этих частотах под воздействием поля излучения селективно
снижается инверсная заселенность (как на частоте V\ на рис.2.4). На
кривой распределения симметрично относительно Vo получаются две
<(Дырки», что обычно обозначается как ho1e burning (образование ды-
рок). Величина эффекта определяется однородной шириной линии и
интенсивностью.
ECJJJ1 IlРUШ;ХОДИТ наложение дырок, то в этой области инвер ная
заселенность уменьшается сильнее. Этот эффект максимально проявля-
ется для v vo, интенсивность нзлучения имеет на частоте v vo мини-
мум, обозначаемый как «лэмбовский провал». Это свойство в настоящее
время часто используется для стабилизации частоты лазеров (см. разд.
2.10.3) .
2.1.4.2. Свойства излучения идеаJIьноrо лазера В идеальном лазере
возбуждается только одна мода. Свойства Ijзлучения характеризуются
шириной линии (длиной коrерентности) и флукtуациями интенсивности
лазерноrо излучения.
Ширина линии бv определяется флуктуациями фазы спонтанвоrо
излучения и добротностью резонатора, характеризуемой шириной пика
собственной частоты бv R :
БV == (лl v/P) бv1.
(2.37)
rде Р выходная мощность лазера.
Тем самым определяется (максимальная) длина коrерентности:
11{ """ cj(28v). (2.38)
Пример. Для Не-Nе-лазера получают l)v,., 1 [ц, тем самым длина
коrерентности 1,,'" 1,5.105 км.
Если поперечное сечение лазерноrо пучка рассматриваемоrо собст
BeHHoro колебания составляет А I{' то объем коrерентности равен:
V 1{ == AI{ 11{ . (2.39)
В пределах объема коrерентности значения напряженности поля
коррелированы, пОле излучения в хорошем приближенни можно описы-
вать волноЙ с постоянной фазоЙ и амплитудой.
Параметр вырождения излучения б равен среднему числу фотонов
в объеме коrерентности
б <t:: 1 (-< 1 O 3) дЛЯ обычных источников света; }
(2.40)
б» 1( <=>:: 1013) ДЛIl лазера.
Для излучения черноrо тела параметр вырождения б, равный
б==(е hV / kТ 1) I, (2.41)
соответствует максимальному значению обычноrо источника света.
Малая ширина линии лазера способствует тому, что большая часть
накопленной в активной среде энерrии излучается в узком спектраль-
ном диапазоне. Это объясняет монохроматичность лазерноrо излучения
и высокую спектральную плотность энерrии.
Эти свойства количественно отличаются от подобных свойств обыч-
Horo источника света.
Качественное, более принщншальное различие .обнаруживается во
флуктуациях Инте!!: ИВНОСТII излучения. Эт флуктуации интенсивности
определяются не средним числом фотонов п( б), а распределением ве-
роятности р(п), которая дает вероятность Toro, что при измерении ре-
rистрируется п фотонов (при среднем числе фотонов п).
Рп
Рп
п
п
Рис. 2.8.. Распределение Бозе
Эйнштейна (рn вероятность;
п измеренные фотоны)
Рис. 2.9. Распределение Пуас-
СОШl для cpeДHe числа фото-
нов n
)Хля тепловоrо (ecTecTBeHHoro) света справедливо распределенче
Бозе Эйнштейна (рис. 2.8)
1
Р (11.) == , (2.42)
_ ( 1 ) n
(1 + п) 1 + n
для лазерноrо излучения имеет место распределение Пуассона (рис. 2.9)
р (п) == (п n /п!) e n. (Ц3)
Стабильность амплитуды характеризуется средним
флуктуаций числа фотонов
( n2) == (п п)2;
( п2) == ii + п 2
квадратом
(2.44)
(2.45)
для тепловоrо излучения (относительные флуктуации интенсивности
имеЮТ такой же порядок, как и сама интенсивность излучения) и
( n2) == ii (2.46)
для лазерноrо излучения (относительные флуктуаuии уменьшаются
с ростом интенсивности, достиrается значительная стабильность ампли
туды),
Напряженность электрическоrо поля излучения, распределение фо-
тонов KOToporo задается распределением ПуаССОНа, можно Qписывать
классической синусоидальной волной (состояние rлаубера для поля
нзлучения) .
2.1.4.3. Синхронизация мод (mode locking). rенерация лазера про-
нсходнт вообще иа мноrих модах (М), что определяет ero спентральные
характеристики, а также интенсивность излучения. Суммарная напря-
JКeHHOCTЬ электрическоrо п ля излучения равна:
Е (1) == Е ; (t) == Eo. e i (Wi!+f P i ), i == 1,2,3,. .. , М, (2.47)
i i
И суммарная интенсивность излучения
1 == Е; (t) Ei' (1) == 1 i (t) == Мl i (t)
i,i' i
(2.48)
при статистических случайных фазах ЧJi между полями мод. В зависи-
мости от продолжительности накачки получается импульсное или He
прерывное излучение с сильными колебаниями амплитуды.
С и н х р о н и з а Ц н я фаз. Все собственные колебания имеют
одинаковую фазу ЧJ (независимо от i). Тоrда для суммарной интенсив
НОСТII (импульсное из.lIучение) имеем
" sin (М (лtJ.vt»
1 == I Ео. I . 2 ( А t) . (2.49)
S1Л. л,--,v
rде tJ.v частотный интервал между модами, а максимальная интен-
сивность lтax liM2.
СJlедует отметить, что интенсивность lтax лазерноrо излучения
больше в М раз по сравнению со случаем статистически распределен
ных фаз между модами.
Длительность импульса
ы == 1 /( vM).
(2.50)
Отсюда следует возможность получения импульса лазерноrо излучения.
Необходимая синхронизация фаз ВОЗМОЖна различными способами, см.
разд. 2.10.2.
2.2. СОЗДАНИЕ ИНВЕРСНОй ЗАСЕЛЕННОСТИ
Инверсная заселенность для двух энерrетических состояний (2)
и О) (рис. 2.1 О) существует в том случае, если число атомов в энер-
rетически более высоком состоянии (2) больше, чем число атомов в бо-
лее низком состоянии (1).
Без внешнеrо воздействия на атомную или молекулярную систему,
иапример, за счет поля ИЗJlучения или столкновений всеrда сильнее
заселено более низкое состояние (1) и распределение атомов или моле-
кул по возбужденным состояниям описывается формулой Болыlанаa
(см. рис. 2.1).
Инверсия заселенностей леrче достиrается в следующих случаях:
при большом временн жизни BepxHero уровня (2) (метастабильный
уровень) ;
Е
3
L
2
R
р
L
1
у
о
Рис. 2.10. Принципиаль-
ная схема энерrетических
уровней для лазерноrо
процесс а (L лазерный
переход; Р возбужде-
ние накачкой)
Рис. 2.11. Схема энерrе-
тических уровней для
р n-переХода:
L зона проводимости; V
валентная зона; R ре-
комбннационное излученне;
. электроны; О дырки
при малом времени жизни нижнеrо уровня (1);
при БОЛЫllОЙ вероятности перехода 0 3;
при быстром переходе 3 2.
Большое число атомов и молекул имеют схему энерrетических уров-
Jlей, удовлетворяюшую этим требованиям.
Процесс создания инверсии заселенностей, часто называемый тер-
},!Ином накачка, проrекает различными способами и в значительной сте-
пени характеризует различные типы лазеров. Инверсия заселенностей
образуется с помощью оптической накачки, возбуждения электронным
ударом, электрическоrо тока через р-n-переход и химической накачки.
Оптическая накачка. Возбуждение BepxHero уровня (3) происходнт
путем поrлощения оптическоrо излучения, которое соответствует пере-
ходу 0 3 (типично для твеРДОТfЛЬНЫХ лазеров и лазеров на красите-
лях). В качестве источников накачки применяются мощные импульсные
лампы (преимущественно для твердотельных лазеров) и лазеры (на-
пример, арrоновый ионный лазер, преимущественно для лазеров на
красителях) .
Выбор источников накачки происходит с учетом необходимой мощ-
ности накачки (выполнение пороrовоrо условия) и спектральноrо рас"
пределения.
Принципиально необходимо, чтобы преобладающая спектральная
доля интенсивности соответствовала более высокой частоте по сравне-
нию с частотой лазерноrо перехода 2 1 и имела макснмум в области
перехода 3. ля передачи энерrии излучения накачки активной сре-
де применяю1ся различные устройства, определяемые типом лазера (см.
разд. 2.5 и 2.8).
Ударное возбуждение (в rвзовом разряде). Возбуждение BepxHero
уровня (3) в электрическом разряде происходит непосредственно путем
столкновений первоrо рода с электроиами (эффективное поперечное се-
чение (Jw9::;; 10 14+ 10 16 см 2 ) или передачи энерrни за счет столкновений
BToporo рода (эффективное поперечное сечение (J W2= 10 16 + 1 0 18 см 2 ).
Большне сечения столкновений BToporo рода имеЮт место, если для
разностн энерrии t::.E между возбужденным состоянием атома А и воз-
буждаемым состояннем атома В в процессе A*+B--+А+В*=!::t::.Е выпол-
няется условие
t::.E kT.
Пример. ДЛЯ t::.E"" 10 1 эВ (Jw2(A--+В) уменьшается до 10 20 см 2 .
Типичный проuесс возбуждения для rазовых лазеров связан со
столкновениями BToporo рода. Столкновения BToporo рода являются
доминируюшим процессом в Не-Nе-лазере. Электрический разряд мо-
жет быть:
самостоятельным разрядом, в котором носителн электрическоrо то-
ка (электроны, ионы) сами образуются в разряде (наиболее частая
форма разряда в rазовых лазерах);
несамостоятельным разрядом, в котором ионизация происходит при
внешнем воздействии (например, путем бомбардировки быстрыми элек-
тронами или фотоионизации с помошью УФ-излучения, используется
\'лаВНЫм образом для возбуждения импульсных мошных rазовых ла
зеров) .
Самостоятельный rазовый разряд, непрерывный или импульсный,
tlMt"T постоянное направление тока.
Плотность тока 1: 10 3 A/CM 2 <1<1 А/см 2 у тлеющих разрядов,
1 А/см 2 <1 < 103 А/см 2 У дуrовых разрядов.
Давление rаза PG: 1 Па<РG<10 4 Па уразрядо!! низкоrо давле-
ния, 104 Па<РG<106 Па у разрядов BblcoKoro давления.
Более подробно эти вопросы обсуждаются в разд. 2.6.
Прохождение тока в р n переходе. Типичным способом возбужде-
ния полупроводниковоrо лазера является протекание тока в р n-пере
ходе. В этом случае полупроводннковый лазер называется полупровод-
никовым инжекционным .1Jазером, поскольку ero накачка происходит за
счет «инжекции» носителей заряда. -
- Инверсия заселенностей в р n переходе существует тоrда, коrда
число пар электронов в зоне проводимости и дырок (отсутствуюшие
электроны) в валентной зоне больше, чем число пар электронов
в валентной зоне и дырок в зоне проводимости с одинаковым энерre-
тическим иитервалом в паре (рис. 2.11).
Это достиrается путем приложения напряження таким образом, что
электроны n-области (леrированной донорами электронов), как и дыр-
ки р-области (леrированной акцепторами электронов) движутся
к n-переходу. При достаточно высоком леrировании достиrается ин-
версия заселенностей. Излучение происходит в виде рекомбинационно
ro излучения (электрон--+дырка).
Необходимое леrирование (для GaAs):
КОНllентраllИЯ электронов N n >3,8.1017 CM 3;
концентрацня дырок N p :;;..I,2.1019 CM 3;
применяемое напряжение 6 10 В;
плотности ТОКОВ (в зависимости от типа по.1Jупроводника, ОХЛllжnе-
ния, режима работы) 100 I05 AfcM 2 .
Химическая накачка. Особой формой возбуждения для специаль-
ных rазовых лазеров является ХИМlIческая накачка. В определенных хи-
мических (экзотермических) реа циях эиерrия реакции частично приво-
дит к возбуждению одноrо и /реаrентов реакции. Наряду с электрон-
ными переходами возбуждаются колебательные и вращательные уров-
ни молекул. В рассмотрение следует включить следующне процессы:
фотодиссоциацию AB+hv A*+B;
Пример: СНзI+hv СНз+I* (иодный лазер);
экзотермические реакции обмена А+ВС--+АВ*+С;
при меры: F+Нт+НF*+Н (НF-лазер); SO+CS--+-CO*+S2;
рекомбинационное возбуждение А + В + м --+-АВ* + м преимущест-
венно приводит к возбуждению электронных состояний (М обозначает
партнера по столкновению. третье тело);
Примеры: N+N+M--+-N;+M; N+O+M "NO*+M.
Химические реакции инициируются с помощью пламенн ИЛИ путем
возбуждения импульсной лампой. Создание инверсии заселенностей
посредством химической накачки, неrоворя о специальных применениях,
не имеет особоrо значеиия по сравнению с друrими названными спосо-
бами. Аналоrичное замечание еще в большей степени относится к ме-
тоду, на который следовало бы сослаться из исторических соображений.
Этим методом впервые была созпана инверсия заселенностей (в СВЧ-
диапазоне). Речь идет о пространственном разделении возбужденных
и невозбужденных молекул. Во внешнем электрическом поле индуциру-
ется различный для BepxHero и нижнеrо уровней Дипольный момент,
что приводит в неодиородном электрическом поле к различному откло-
нению и тем самым к разделеиию возбужденных иневозбужденных
молекул. Этот способ примеияется для молекул NH з , v 23,87 rrц.
в резонатор попадают только возбужденные молекулы, которые
приводят к спонтанному, а затем и к вынужденному излучению. Это
был первый мазер.
2.3. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ
2.3.1. ВВЕДЕНИЕ
Обратная связь для поля, усилеllноrо в процессе вынужденноrо из-
лучения, достиrается с пОМОЩью подходящей резонансной структуры.
Блаrодаря такой резонансной структуре выделяется только относи-
телыlO HeMHoro собственных колебаний. Усиление для этих собственных
колебаний достаточно, чтобы компенсировать потери, так что ВОЗНика-
ет rенерация излучения (пороrовое условне, см. разд. 2.4).
Собственные колебания резонатора характеризуются частотой, на-
правлением распространения и поляризацией, так что типичные свойст-
ва излучения, как, например, спектра.1JЬная плотность 9нерrи , МОНО-
хроматичность и расходимость, определяются селективными свойствами
резонатора. Физическое представлеиие об обратной связи или выделе-
ние собственных колебаний, часто обозначаемых как моды, можно
охарактеризовать следуюшнм образом:
в фотонном представлении испускаемые за счет спонтанноrо излу-
чения фотоны попадают при определенном направлении распростраие-
ния на зеркало, отражаются и проходнт через активную среду. что
может привести j{ вынужденному излучению, снова отражаются от BTO
poro зеркала и Т. д., т. е. возникает обратная связь (рис. 2.12);
в волновом представлении (необходимо для более детальноrо по-
нимания) в качестве rраничноrо условия в теории Максвелла входнт
равенство нулю напряженности электрическоrо поля на (идеально) OT
ражающих поверхностях; тем самым для электромаrнитноrо поля
Рис. 2.12. Схема лазерноrо
плоскопараллельноrо резонато
ра (резонатора Фабри Перо)
(5/, 52 зеркала; М актив-
ная среда)
p.
St S2
Рис. 2.13. Распределение интенсивности для мод ТЕМ тn в лазерном pe
зонаторе [1]
в пространстве между двумя зеркалами возможны только совершенно
определенные распределения собственные колебания.
В соответствии с теорией резонаторов в СВЧ-диапазоне моды COOT
ветствуют поперечным электромаrнитным колебаниям (ТЕМ) и упоря-
ДОчиваются по числу нулей тn в плоскости, перпеНДНКУЛЯР1l0Й направ-
лению распространения излучения (рис. 2.13).
Примеры: ТЕМоо нет нулей;
ТЕМ о / однн нуль В направлении у;
ТЕМ 22 два нуля в направлении у и ДВа в направле
нии х.
Потери на излучение зависят не только от модовой структуры, но
также от rеометрии резонатора и характеризуются числом Френеля
N == а 2 f(4лL) , (2.51)
rде а диаметр плоскоrо зеркала; L длнна резоиатора.
Резонаторы, которые должны выделять только несколько собствен
ных колебаний, в обшем имеют размеры порядка длины волны.
Лример. Закрытый со всех сторон проводящими стенками ящик раз
мерами несколько сантиметров в СВЧ-диапазоне имеет спектр собствен-
ных колебаний
Vтnq == + V ( : У + ( ; у + ( 1 у,
rде L длина резонатора; Ь 2 плошадь поперечиоrо сечения; т, п, q
целые числа.
З а м к н у т ы й рез о н а т о р. Особенность оптическнх резонато
ров заключается в том, что их размеры (до 200 м) MHoro больше дли
IIЫ волны (область мкм).
Резонаторы образуются с помошью двух противостояших отража-
ющих с.поев (зеркал), боковое оrраничение отсутствует. О т к рыт ы е
рез о н а т о р ы см. рис. 2.12.
Пример. Для плоскоrо (квадратноrо) зеркала приближенно полу-
чаем для спектра собственных колебаний
V тnq == ;1 [1 +f ( ; у ++( ; п,
тде т, п, q целые числа.
ДЛЯ L 10CM и л 1мкм имеем q 2.105, а для п т O получает-
ся частотный интервал между соседними модами Дv сl(2 L) 1,5 rrц.
Конфиrурации оптических резонаторов MorYT быть разными. Следу-
ет различать следующие типы резонаторов:
SЗ
Рис. 2.14. Кольцевой резонатор
(51 5з зеркала; 52 выход-
ное зеркало; М активная
среда)
S1
резонаторы с плоскими или концентрическими зеркаламщ'
устойчивые резонаторы;
иеустойчивые резонаторы.
Электромаrнитное излучение имеет характер стоячей волНы в резо-
наторах типа Фабри-Перо и беrущсй волны в кольцевых резонаторах
(рис. 2.14).
2.3.2. РЕЗОНАТОР С ПЛОСI(ИМИ I(руrлыми ЗЕРI(АЛАМИ
Этот оптический резонатор состоит из двух плоских круrлых, бес-
конечно протяженных зеркал, которые установлены друr против друrа,
а их иормали к поверхностям ориентированы параллельно оптической
оси (резонатор Фабри-Перо). Плоская электромаrнитная волна (началь
ные амплитуды UI, Uz) распространяется между обоими зерка.1Jами,
причем при каждом отражении остается доля RI На левом и R z на пра
вом зеркале (рис. 2.15).
JepKallO 1
tJ. r/f; x 2 e i (.
. I 1
tJ. , Vf1xe l (5
it l nt ei (",;.
11 2 1RiPi е '
vт;p;xi
u 2 ntP; xZe
u,x8e3i'l' ,
--............. :"У ,
9'1'/If) u1x 2 e 2irp
:.. и ,
'I'/If) . l/txei'l'
;'и ,
'4) ....
и1 и 2 tJ.
'(J'I'M., хе Е",
... U z
(7rpM x 2 e 2irp
:'и2.
i(ttrpM x;JeJi'l' ............. :----- .
L
,
v?;Q. p x2i(tfrpM
2. t
Vfi1S; xe i (7rpfiJ
I"r.i5:" P е ф",М
"2 t
zftZei(rp/lfJ
vi2 xe i (5'/i/If)
Vfix 2 ei(9'{l/lf}
3еркапо Z
Рис. 2.15. Амплитуды и фазы электромаrнитной волны между двумя
отражающими слоями (qJ 4:пL/л, x у R,R2, Pi Ri, 1:i I Ri для
i 1 и 2)
Для интенсивности излучения внутрн резонатора имеем
1== [О
rде F == 4 V .
(1 VR 1 Rz )2
2:п
1 + F sin vL
с
(2,52)
Интенсивность становится максимальной для частоты
v cql(2L)= voo q
(определение аксиальных собственных колебаний с целыми числами q).
Для бесконечно протяженноrо зеркала также Возможно распрост-
ранение излучения под уrлом б т к оптической оси. Для соответствую
щих собственных колебаний имеем
qc
VmOq 2L COS {}m .
Частотный интервал между двумя соседними модами равен:
[j,v == c/(2L)
rде v m == V т .
(2.54)
(2.55)
(в большинстве случаев [j,v MHoro меньше ширины линии лазерноrо пе-
рехода), D то время как ширина 6v собственноrо колебания определяет-
ся добротностыо Q резонатора:
6v/v 6"л/"Л I/Q;
Q 2ЛЦ("л'Чоt).
(2.56)
(2.57)
Суммарные потери Xtot резонатора определяются:
потерями на зеркалах 1 и 2 (Х А!' Х А2)
1
?(А! 4" (1 Rt) (1 + R 2 ); (2.58)
1
?(Д2 4" (1 R 2 ) (1 + R 1 ); (2.59)
1
?(д ?(Дl + ?(Д2 2 (1 R 1 R 2 ); (2.60)
дифраlЩИОННЫМИ потерями Х В (зависят от числа Френеля N и ти-
па собственноrо колебания). для N"4> 1 имеем
1 L
Хв ш 3/2 + {}m . (2.61)
число Френеля N a2/('AL); а радиус наименьшеrо зеркала;
потерями, обусловленными неточностью юстировки X G при накло-
не на уrол f\ (В радианах) относнтельно нормали к оси резонатора, ко-
торые приближенно определяются соотношением
XG V L f(4a);
(2.62)
потерями на рассеяние и поrлощение Xw; эти потери зависят от оп-
тическоrо качества лазерноrо вешества и зеркал, для опенки этих по-
терь нет приrодной формулы.
Суммарные потери
+ + +
определяют ширину J1ИНИИ собственных колебаний (рис. 2.16).
Длина L резонатора определяет интервал между собственными
частотами. Изменения длины по порядку величины на [j,L (Lfn)xtot
приводят к сдвиrу частоты на [j,v. Чтобы потери, обусловленные не-
точностями юстировки, были достаточно малыми, необходимо выпол-
ннть условие f\ (8a/L VF).
Более точное рассмотрение резонатора с плоскими круrлыми зер-
калами дает распределение аМПЛИТУД на зеркалах для различных соб
ственньтх колебаний (рис. 2.17). .
Для резоиансных частот дЛЯ М» 1 в общем случае имеем
с cL ')
Vтnq == 2L q + 4ла2 q f1;nn, (2,64)
1 ,
o';r
.а
o,5
5
1
L1v
1
:.
V
1
{q 1J %L
с
q 2L
(q+1) 2
1
о
с с у
2L (1+0,03) 2L (1+0,06)
с с с
2L (1 о,ОБ) 2L (1 о,оз) 2L
Рис, 2,16, Ширина линин для раз.1JИЧНЫХ суммарных потерь в резонаторе:
а и!!тервал между ЛИ!lИЯМИ; б форма ЛнНИИ
.;::,
o,5
:t
о
а
0,5
r/a
1
о
5
0,5
r/a
1
Рис, 2.17, Распределение амплиТУД на зеркалах для мод ТЕМоо и TEM 1o '
a N l; б N lO
","тn обозначает (n+l) нуль функции Бесселя 1т, в то время как ди-
фракционные потери определяются выражением [2.4]
"== 16 б(М+б) /
"'В f1 mn [(М + б) + б21 ' 0==0,824, М == V 831: N (2.65)
(рис. 2.18).
10
'"
:\!
Рис. 2.18. Дифракционные по
тер и как функuия от числа
Френеля для мод ТЕМоо и
ТЕМIO
0,1
0,0 1 2 4 () 10 N
2.3.3. УСТОйЧИВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ С КРУrлЫМИ ЗЕРКАЛАМИ
- Тип резонатора и ero свойства определяются параметрами (рис.
2.19)
gl == 1 (L/t:\) 1
g2 == 1 (Ц(>2);
N 1 == аU('ЛL)}
N 2 == аУ('ЛL),
(2,66)
(2.67)
rде al, az радиусы зерка.1J; (>1, (>2 радиусы кривизны зеркал (рие.
2.20).
Тоrда имеем:
gl g2 1 устойчивый резонатор с плоскими зеркаламн;
gl g2 О устойчавый кон фокальный резонатор с двумя одина-
ковымн воrнутыми зеркалами;
glo=g2 1 устойчивый концентрический резонатор с двумя оди-
наковымн Боrнутыми зеркалами, по структуре соответствует случаю
gl==g2o=l.
Кроме Toro, справедливы условия:
0<glg2<1 [устойчивый резонатор, для случая Ni>50 (i I, 2)
такой резонатор можно рассмаТРИВа1Ь в приближении rеометрическоИ
оптики, днфракционные потери прllобретаlOТ (с уменьшением N i <50)
возрастающее значение и определяют свойства резонатора];
l glg2<0 (неустойчивый резонатор, электромаrнитная волна уже
после нескольких отражений расходится и больше не попадает на зер-
кало) .
Следует избеrать использования резонаторов с glg2 O или glg2==
1, поскольку разыотировкаa лешо приводнт в неустоi'1чивуlO область.
Хорошую стабильность по отношению к разъюстировке имеют резона-
торы с g]g2o=l/2.
1 2 !l1 g;! Pt/ L pzlL
1 1 ПпоскопаРJ1П
со со пеПЬН6Iи
реЗОlfатор
.с f'
КоНфокапьныii
{:J1 О О 1 1 реЗОlfатор
,
о 1 ПОЛУКОlfцент
<'о трическии
резонаmор
1 1 Кон-центрцчес
1 .1 '2 "2 кии реЗОlfаmор
G' '/
1
1 О "2 1
у
1 ПOllУf<ОНфIJ
1 2 кальныu
2 резонатор
1 2- 4- 1
It 3
1 2 1
1
1 '/ 2 3 2
1 2 * 1
131 / " 5 J
Рис. 2.19. Определение различНЫХ конфиrураций резонаторов
Два УСТОЙЧИВЫХ резонатора совпадают по своим свойствам, если
выполнены следующие соотношения (верхний индекс относится к резо
натору 1 или 2):
ар) aJ1) a 2) aJ2!
'А (1) L (I) 'А (2) L (2) (2.68)
a(l) аЙ
g (1) ==: g (2) j
1 a l) 1 а4 2 }
а(l) а (2)
(1) _ (2}
Л2 (1) g2 (2)'
а 1 а 1
Резонаторы выбирают с учетом свойств лазерной активной среды,
особенно принимая во внимание допустимые потери, длину, диаметр,
при этом должно выполняться соотношение aL== (1,5+2) W, причем aL
обозначает радиус активной среды, а W радиус, при котором интен
сивность TEMoo MOДЫ спадает в е 2 раз.
(2.69)
(2.70)
1
2
Резонатор
.;-
""
4
.
,
/J,<o
, .
РI>О
Рис. 2.20. Определение знака радиусов кривизны зеркал
ОПределение .,исла Френеля. Число Френеля определяется .,ерез
aL для случая aL W, а для случая aL W и a""aF, rде aF обозначает
радиус лазерноrо пучка на зеркалах, и аFдля случая aL W и a ap,
Важными конфиrурациями резонаторов рассматриваемоrо типа яв-
ляются
N<50;
gl ==: g == О.
к о н Ф о к а л ь н ы й у с т о й ч и вый рез о н а т о р, свойства ко-
Toporo rлавнЫм образом определяются дифракцией (рис. 2.21 и 2.22).
Для резонансных частот имеем
с ( 2п + т + 1 )
'Vrпnq == 2L q + 1 + 2' (2.71)
Для дифракционных потерь в общем случае для числа Френеля
N::P 1 действительно соотношение
4л (8лN)2n+т+l e 4лN. ( 2.72 )
'Хв == п! ( т + п + 1)1
1
:::J
0,5
I::!
:i
1::
о
о
0,5
r/a
Рис. 2.21. Распределение отно-
сительной амплитуды на зерка
ле для мод ТЕМоо и ТЕМlO У
конфокальноrо резонатора
(N 1) [5]
100
N
10
<о
0,1
Рис. 2.22. Дифракционные по
терн для мод ТЕ[I100 и ТЕМ lO
как функция от числа Френеля
N для конфокальноrо резона
тора [5]
Шейка (наименьшее поперечное сечение) пучка лежит в середине
резонатора и имеет радиус
W r == (1 /У2") V i\L/л . (2.73)
в месте расположения зеркала радиус лазерноrо пучка равен:
W s == V i\L/л.
(2.74)
Для полноrо формирования мод необходимо обеспечить, чтобы
выполнялось условие QL, Ql, й2> W.
Суммарный уrол расходимости пучка в дальнеЙ зоне (определен-
Ный на уровне половинной интенсивности для моды ТЕМоо) равен:
80.5 == 0,94 Vi\/L . (2.75)
При спаде до уровня e 2 имеем
8 c 2 == 1,780,5 (2.76)
При наклоне оси зеркала относительно ОСИ резонатора на yroJl fI
Имеем для:
l3 a/2 L отсутствие rеометрических потерь 'Хо, однако происходит
изменение структуры мод;
13 а/2 L значительные увеличивающиеся с ростом 13 rеометричес-
кие потери 'Хо,
Однако принципиально справедливо, что допустимьiй наклон зер-
кал для конфокальноrо резонатора значительно больше, чем для резо-
натора из двух плоских зеркал.
N .,;;;; 50; gl == 1; О g2 <з 1.
Устойчивый резонатор с плоским зеркалом (индекс 1) и сфериче-
ским зеркалом (индекс 2). Для резонансных частот имеем
Vтnq == ;L [q + ;п (1 + 2т + n) afccos( 1 : )]. (2.77)
Дифракционные потери получаются при использовании эквивалент-
ных чисел Френеля N ;'Ч' получающихся из чнсел Френеля конфокально-
ro резонатора, при использовании соотношений подобия. Для этоrо
СЛУЧ<lН имеем
ai 1 .. ;""L
N 1aq == 'л 1/ Lp 1I L== Ni V p L;
1
Р
N2aq Y l ==N 2 11 I.
1, V Lp
(2.78)
(2.79)
Тоrда
1
'Хв == 2 ('Х1Б + 'Х2В).
(2.80)
UUейка пучка леlКИТ на пло ском зеркале и имеем радиус пучка
W T "\;! 1/ L (р L) .
(2.81)
Радиус пучка на BorHyтoM зеркале достиrает значения
( 'Л р
W 2 1 .
L
(2.82)
Суммарный уrол расходимостн пучка равещ
80.5 == О,27Л/W 1 .
N .,;;;; 50; gl =F g2; О <; gl g2 < 1.
(2.83)
Устойчивый реЗОН<lТОр с двумя различными
равными воrнутыми зеркалами, свойства KOToporo
фракцией.
или также с двумя
определяются ди-
Для резонансных частот имеем
с [ 1
,\-'тпq q+ (1 + 2т+ п)afccos
2L n
1(1 ! )(1 2 )].
(2,84 )
Дифракционные потери можно определить из выражения
1
хв == '"2 (Х1В + Х2В),
(2.85)
соответственно для N laq и N 2aq из диаrрамм конфокальноrо резо
натора
N 1aq ai/(nri):
N2 q == а /(пrЮ,
(2.86)
(2.87)
rде rl и r2 определяются из выражений
2 "л.. r L(P2 L)
r 1 ---; v (Pl L) (Р1 + Р2 L ) Pl;
2 f 1, "1 I L(Pl L)
r 2 v (Р2 L) (Pl + Р2 L) Р2'
(2.88)
(2.89)
Наименьшее поперечное сечение пучка находится на расстоянии t от
зеrТ ЗJiQ 1, нричем 1 считается положительным в направлении к зерка-
лу 2 резонатора. Если t отрицательно, то тоrда наИМеньшее поперечное
сечение пучка расположено на расстоянии t от зеркала 1 вне резонато
ра. Имеем
L (Р2 L)
t== .
Pl +P2 2L
Радиус шейки пучка (определенный как радиус, при котором ин-
тенсивность TEMoo MOДЫ спадает до e 2 максимальноrо значения на оси
резонатора) определяется из выражения
(2.90)
W T .. ! .!::.... L (Pl L) (Р2 L) (Pl + Р2 L) .
V n р1 + Р2 2L
(2.2-1)
Радиус пучка н а зеркалах достиrает
11 "л Lpl(P2 L)
W l == 7 V L (Рl L) (Р2 L) (Pl + Р2 L) 1 (2.92)
V л Lp2(Pi L)
W2 V L(Pl L)(P2 L)(Pl+P2 L) ' (2.93)
Уrол расходимости пучка в дальней зоне для TEMoo MOДЫ равен:
80,5 == О.38Л;W 1 . (2.94)
N ;;> 50i О < gl g2 1.
Устойчивый резонаТОр с двумя различными илн также одинаковы-
ми воrнутыми зеркалами, У KOToporo дифракционные потери несущест-
венны (допустимо приближение rеометричешой оптики).
Для резонансных частот имеем
VmnQ ;L {q + (1 + 2т + п) arccos [У gl g2 Si g n (gl)] 1*.
(2.95)
Сформированные моды являются идеальными модами устойчивоrо
резонатора (рис. 2.23, сравните для этоrо также рис. 2.13). Для места
* Sign (gl) обозначает, что знак корня определяется знаком gl.
ТЕМ тп
...
I
1/е 2
О 1 2 ;; 4
а) V2" r
w
0,4
",о:::...
3:: 0,2
I
1/е 2
J
Рис. 2.23. Распределение относительной интенсивности для идеалЬНЫХ
мод ТЕМ тn устойчивоrо резонаТора как функция от относительноrо ра-
диуса с p(т O) (1/2)nl и p(m I) (1/2)[(п+l)2n! 2(n+l)(n+
+OI+(n+2)!] :
a m O; б т l
расположения шейки пучка, радиуса, а также местоположения пучка
на зеркалах, как и для ero уrла расходимости, действительны соотно-
шения, указанные для резонатора с N<50, O<gJg2<1.
2.3.4. НЕУСТОйЧИВЫЙ РЕЗОНАТОР С КОНФОКАЛЬНОЙ
СИСТЕМОЙ ЗЕРКАЛ
Этот тип резонатора (рис. 2.24) имеет по сравненню с устойчивым
vезонатором преимущество в том случае, если:
активная среда имеет высокое усиление;
активная среда является высокооднородной;
Рис. 2.24. Схема неустойчивоrо
резонатора длиной L (81. 82
зеркала; F фокус)
Рис. 2.25. Распределение интен-
сивиости вблизи оптическоЙ
оси в ближней и дальней 30-
нах:
a z 6.2 м; б z О,5 м; 8
z O.15 м [91
1
5 "" 3 2 1 О 1 2 J 4- S
:JJЛ,
5 4 3 2 1 .() 1 2 3 4- S
6) Радиус, мм
1
5 4- ;] 2 1 D 1 2 ;] 4- S
о) Раоиус, мм
выведена большая мощность при большом диаметре и малой длине;
устойчнва толЬко основная мода;
отсутствуют приrодные материалы для окон или полупрозрачных
зеркал для резонансной длины волны.
Резонатор определяется путем задания длины лазерной аКТИВlIоii
среды LL, радиуса активной среды aLa и резонансной длины волны 'л
. (значения следует подставлять в .метрах).
О расчетах для этоrо типа резонатора см. [13 15]. В частно,::ти,
Предпосылкой для применения резонатора этоrо типа является IJЫПОЛ-
нение условия
2a La ;:> v 4871, .
Для длины резонатора имеем
LL <З L <! аIа/12Л,
при этом для линейноrо увеличения М по лучается
a La ( V 1271, )
M== 1+ 1 .
бл а 2
\ La
(2.96)
(2.97)
(2.98)
в то время как радиусы кривизны зеркал определяются из выражений
2М
Pl == L М 1 ; Р2 == 2L Pl == 2L. (2.99)
Обратнте ,Внимание: Р2<О является выражением конфокальности
(при радиусах зеркал al>a La и а2==а La/M). Тоrда для дифракционных
и rеометрических потерь получаем
B+ Ха == [1 11 1 1 (1 у]
и для расходимости пучка (рис. 2.25)
80,5 == л/(Ма 2 ).
(2.100)
(2.Jn1)
2.3.5. СЕЛ ЕКЦИЯ: МОД В ОПТИЧЕСКИХ
РЕЗОНАТОРАХ
2.3.5.1. Селекция продольных мод. Для показанноrо на рис. 2.26
оптическоrо резонатора с тремя зеркалами характеристики излучения
по данным [l О] определяются соотношением
1+L,/L2 .. L,/L2 Y Y
z JI R 2 R3 Z Rl R 2 Z + Rl R3 (2R 2 1) == о.
(2,102)
$1
82
8з
м
и 1
щ
и;!
L 1
L 2
Рис. 2.26, Трехзеркальный резонатор для селекции мод (SI SЗ зерка-
ла; М активная среда)
z rq ехр (i{j'q)
получаем для резонансной частоты
Vq == С<рq/(4лL 2 ),
(2.103)
(2.104)
в то время как интенсивность определяется соотношением
/q==rq. (2.105)
При соответствующем выборе коэффициентов отражения зеркал
оказываются предпочтительнымн только определенные резонансные
частоты.
Пример. При L LI+L2 и LI L2 дЛЯ невозмущенных резонансных
частот (R2 O) имеем
с
Vgq == 2L 2q;
/gq (R 1 R3)1/4;
с
v uq == 2L (2q + 1); Iuq (R 1 R з )!J3, q 1,2,3...
(g обозначает четное, u нечетное кратное от c/2L).
Для R 2 =FO имеем
с
vgq 2L 2q,
/gq (y + VR:) y [1 +
+"VI+
4 V з (1 2R 2 ) ] ;
R2( + V R з )2 . "
/Uq (у Rl + V R з ) у R 2
[1
с
V Uq (2q+ 1),
2L
{1 4уR;Rз(I 2R2) ] .
+ R 2 (у Rl + V )2
Отсюда следует, что дЛЯ R2 1/2 нечетные частоты ПОЛностью по-
давляются.
С возрастанием Ll/L2 невозмущенные резонансные частоты неЗf1а
чительно смещаются, в то время как интенсивности подверrаются оп
ределенной модуляции. Однако это приводит не к полному подавлению
определенной частоты, разве только интенсивность этой линии так ма-
ла, что пороr rенерации лазера больше не ДОСТИ1'ается.
Селекция мод повышается с увеличением числа связанных резона-
торов. Часто, например, в твердотельном лазере достаточно установить
несколько плоскопараллельных стеклянных пластинок, которые дейст-
вуют в качестве резонаторов (интенферометр Фабри-Перо), что может
привести при выбранных определенным образом коэффициентах отра-
жения к высокой селекции мод.
у стеклянной пластинки толщиной d с показателем преломления п
для основных частот (максимальное пропускание) справедливо соотно-
шение
'\Iq cq/(2dп).
(2,106)
Межмодовый частотный интервал соответственно равен:
""-V"", c/(2dп).
(2.107)
Настройка основных частот (до совпадения с резонансной частотой
резонатора) достиrается незначительным наклоном пластинки относи-
тельно оптической оси. Таким образом, возможна селекция определен-
ных частот без сильноrо изменения свойств первоначальноrо резона-
тора.
2.3.5.2 Селекция поперечных TEMoo-мод. TEMoo-мода характеризу-
ется мннимальным диаметром пучка, и ее необходимо иметь для мноrих
применений.
Принципиально селекция поперечной моды происходит за счет то-
rо,ЧТО потери для всех дрyrих мод увеличиваются так СИЛЬИО,что для
этих мод не выполняется пороrовое условие rенерации лазера, и диа-
метр активной среды выбирается таким образом, что может образо-
ваться только одна мода ТЕМоо.
Увеличения потерь для всех остальных мод можно достиrнуть с по-
мощью точечной диафраrмы, установленной на место минималыюrо
диаметра пучка для TEMoo-моды (рис 2.27), причем положение диа-
.
.$1
1
Рис, 2.27, Схема селекции моды ТЕМоо с ПОМОЩью точечной диафраrмы
(8 диафраrма; SI, S2 зеркала резонатора)
фраrмы и размер отверстия определиются по соотношениям для рас-
пространения rayccoBa пучка.
Селекцию поперечной TEMoo-моды с помощью точечной диафраrмы
непросто применить для мощноrо лазера, поскольку диафраrма может
разрушиться под действием излучения. Для этоrо случая рассматрива-
ется неустойчнвый резонатор.
Друrая возможность увеличения потерь состоит в применении ре-
зонатора с очень малым числом Френеля (обычно достиrается за счет
большой длины), блаrодаря чему дифракционные потери преобладают
над всеми дрyrими потерями, что приводит к заметным различиям
в потерях TEMoo-моды и более высоких мод (см. рис. 2.22).
Пример. ДЛЯ N O,8 имеем: потери дЛя TEMoo-моды составляют
0,5 %; потери для соседней по уровню потерь моды равны 6 %.
Для достижения TaKoro числа Френеля в Не-Nе-лазсре необходимо
иметь длину резонатора L 2 м при 'радиусе трубки 1 мм и длин вол-
ны л О,63 мкм.
2.3.6. Э'КСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА РЕЗОНАТОРОВ
в соответствии с мноrообразием лазерных активных сред, а также
возможностями применения лазеров конструкции резонаторов, вклю-
чая размеры (длина 1 мм 200 м, диаметр 50 мкм 50 см), сильно
различаются.
При конструировании резонаторов необходимо принимать во BHH
манне следующие указания.
Длнну резонатора для достнжения хорошей стабильности частоты
следует поддерживать точно постоянной (отклонения <лЛО). У более
длинных резонаторов рекомендуется соединение. обоих держателей зер-
кал из материалов с высокой прочностью И незначительными коэффи
циентами тепловоrо расширения. Если резонатор размещается в корпу-
се, то необходимо избеrать неравномерных HarpeBoB, поскольку они
MorYT привести к изrибу резонатора.
Держатели зеркал (если торцевые поверхности лазерной активной
среды сами не представляют зеркала резонатора) должны иметь точную
юстировку, чтобы уверенно получить желаемую модовую структуру.
Реrулировка должна быть арретируемой и нечувствительной по отно-
шению к вибрациям.
При больших мощностях лазерIlоrо излучения зеркала необходимо
охлаждать. Следует принимать во внимание тепловые эффекты, кото-
рые MorYT привести к перекашиванию зеркал.
Снльный неравномерный HarpeB лазерной активной среды в им
пульсных твердотельных лазерах может привести к деформациям ак-
тивноrо элемента и связанному с этим линзовому воздействию актив
Horo элемента. Этот эффект необходимо учитывать при выборе зеркал
реЗUtlатора.
Резонаторы с большой чувствительностью к юстировке следует
устанавливать на массивных столах, демпфированных относительно
вибраций здания, и экранировать от воздействия аКУСТl1ческих волн.
Необходимо обращать ВНlIмание на то, чтобы поперечное сечен не
активной средыI' полностью охватывалось возбуждающейся модой для
достижения BbICOKoro КПД.
Активные среды цилиндрической формы с rладкой поверхностью,
а также лазерные разрядные трубки BbIcoKoro качества имеют склон-
ность к образованию нежелательных колебаний в продольном и азиму-
тальном направлениях. ЭТИ колебания необходимо подавлять путем
СОDтветствуюrцей обработки поверхностей.
Лазерное излучение с преимуrцественным направлением поляриза
ции получают, полируя торцевые поверхности лазерных кристаллов под
уrлом Брюстера или устанавливая окна разрядных трубок под этнм
уrлом.
Поверхности всех элементов в оптическом резонаторе должны от-
клоняться не больше чем на л/IОО л/10 от rеометрической заданной
поверхности (плоскость, сферическая поверхность).
Следует обрашать внимание на то, чтобы при оптической свяЗи
двух раЗЛЦЧНJ>IХ резонаторов диаметр Пучка, а также кривизна волно-
Boro фронта на входе BToporo резонатора соответствовали собственной
Моде колебаний этоrо резонатора.
2.4. пороrОВОЕ УСЛОВИЕ rЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА
Усиление поля за счет испускания вьшужденноrо излучения при
ПОлном проходе через резонатор должно быть больше, чем потери ero
за проход (обусловленные в основном выводом нзлучения из резона
тора). Только тоrда становится возможной rенерация лазерноrо из
лучения. Для оценки часто применяется пороrовое условие в виде (см.
разд. 2.1.3)
1 1
g at + 1п .
2L R 1 R 2
(2.108)
Коrда известно, как это часто бывает, экспериментальное значение
коэффициента усиления слабоrо сиrнала, можно определить характери-
стики резонатора (длину, коэффициенты отражения зеркал).
Пример. L 0,5 м; Rl O,9; R2 0,9; ai O. Требование: g>O,21 M I.
Экспериментальное значение для 'л 0,633 мкм в Не Nе лазере
g 0,5 M l с L 10 см. Следовательно необходимо, чтобы коэффициен
ты отражения были равны: Rl R2 0,976.
С друrой стороны, g определяет необходнмую инверсию заселенно
стей, которую следует создать с помощью накачки. Для определения
мощности накачки пороrовое условие целесообразно иметь в форме,
которая позволяет определить необходнмую инверсию заселенностей.
Условие имеет вид (см. разд. 2.1.3)
N2 N1
<УО V
8п/\ \''112 'х
. А З
С.
(2,109)
rде V объем активной среды; бv ширнна лииии перехода.
Потери резонатора
'X:;:j (l R1R2) c/(2L). (2.ll0)
Необходимая для rенерации плотность инверсии мала для:
малых потер 'Х резонатора;
более низких частот '11;
малой ширины линии бv;
БОЛЫllОЙ вероятности спонтанноrо перехода А.
Не считая частоту перехода, свойства определенной активной cpe
ды входят в noporoBoe условие rенерации лазера в факторе А lбv.
Т а б л и ц а 2.1. Некоторые типичные значения вероятностей
спонтанных переходов А, ширины линий бv и необходимой плотности
инверсии заселенностей <УО дЛЯ лазеров различноrо типа
Обратная спон Плотность
ПIИр!lна инверсии засе.
Тип лазера танная вероятность линни 1\'\1, l/е пенностей 0'0'
перехода I/А, е l/см 3
Твердотельный: 3.1О З 2.IОЦ з.Щ6
А1 2 О з : Cr3+
CaV10 4 : Nd3+ 1 , 3. 1O 4 1012 101<1
Стекло:
Nd3+ 7 . 1O 4 2.1 ()lз 1014
CaF 2 : Dy2+ 1 ,6.1O lCJ9 2.101<1
fазовый He Ne lО з lCJ9 3.1О?
Полупроводннковый 1O 1O 1013 1010
GaAs
На красителе 1O 9 5. 101<1 4.10 1Ii
Только для невозмущенных (покоящихся) свободных атомов или
молекул вероятность спонтанноrо излучения А определяет ширину ли-
нии l)VN излучения. l)VN является естественной шириной лииии,
8 A I&vN Ч2Л.
Однако часто ширина линии l)v за счет одиородноrо и неоднород-
Horo уширений (см. разд. 2.1, 4.1) существенно больше, чем l)VN, и обус-
ловливает, таким образом, относительно высокие необходимые плотио.
сти инверсии (табл. 2.1).
Интересно отметить большое различие между l)v и l)VN В твердых
телах, rде l)v в 108 раз больше, чем l)VN, тоrда как для rазов l)v имеет
по порядку такое же значение, как l)VN. Соответственно этому необ-
ходимые ПЛОТIIOСТIl инверсии также различаются примерно в 108 раз.
Для достижения инверсии заселенностей СJlужат различные методы на-
качки (см. разд. 2.2), причем необходимые пороrовые мощности накач-
ки зависят от способа накачки (оптическая накачка, возбуждение
электронным ударом), устройства системы накачки (качество отража-
теля, предварительная ионизация), активной среды (сечение поrлоще-
ния и поперечное сечение столкновений) и, следовательно, MorYT сильно
различаться для отдельных типов лазеров.
2.5. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ [16 24]
2.5.1. ВВЕДЕНИ Е
Первым реализованным в 1960 r. лазером на кристаЛJlе рубина
в качестве активной среды был твердотельный лазер, причем лазер это-
ro П,iil1 и в настояшее время еще принадлежит к классу важнейших.
Этот лазер приrоден, в частностн, для получения высокой и очень вы-
сокой импульсных мощностей и находит разнообразные практические
применения.
Твердотельный лазер содержит в качестве активноЙ среды кристал-
лы или стеl(ла, которые активируются ионами металлов или ионами
редкоземельных элементов. Эти активные ионы поrлощают оптическое
излучение в широкой спектральной области. В результате релаксацион-
Рис. 2.28. Схематическое изображение конструкции твердотельноrо ла-
зера:
1 зеркало; 2 модовая диафраrма; 8 отражатель; 4 лазерный стержень:
5 лампа накачки
ных пропессов или излучателыlхx переходов через различные промежу
точные уровни происходит возбуждение относительно долrоживущеrо
(метастабильноrо) уровня в качестве исходноrо уровня для испускания
вынужденноrо излучения, т. е. лазерноrо перехода. Твердотельные ла
зеры преимущественно излучают в видимой и ИК-спектральной обла-
стях.
Возбуждение происходит исключительно с помощью оптической Ha
l<ачки при использовании подходящих источников света в специальном
устройстве (для эффективноrо введения излучения накачки в лазерную
среду) .
Твердотельные лазеры характеризуются относительно простой ком-
пактной конструкцией (рис. 2.28) и высокой импульсной мощностью
(при относительно низком качестве излучения).
2.5.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
2.5.2.1. Активные среды. rенерацию лазерноrо излучения в диапа
зоне длин волн от 0,3 до 3 мкм можно получить при использовании
большоrо числа ионов (табл. 2.2): металлов, переходных элементов,
редкоземельных элементов, актиноидов.
о;:
::;,
'"
:}
'<1:>
R
L
а)
п0посс!
поапощеншr
накачки
2 '3
Беаh1апичатеп6
. Н6IЦ переход
f 2
R
ЛааеРН6IЦ
переход
1
о' ОсноВное
состояние О
5)
L
R 6еЗ6lапучатеп6
Н6Iй переход
Рнс. 2.29. Схема энерrетических уровней трехуровневой системы (а) и
четырехуровневой системы (6) (L лазерный переход; R релаксаЦI1-
онные процессы)
Эти ионы имеют широкие полосы поrлощения излучения НВI<ачки
(на уровень 3 на рис. 2.10), после чеrо происходит переход 3--+2 113
верхний лазерный уровень 2. На упрощенной схеме энерrетических уров-
ней все эти ионы можно представить н виде Tpex или четырехуровне-
вой системы (рис. 2.29). Лазерный переход имеет место между раз-
личными электронными уровнями.
В УI<азанном выше спектральном диапазоне rенерацня лазерноrо
излучения происходит на мноrих дискретных линиях с различными
Т а б л и ц а 2.2. Выбор активных ионОв и кристаллических матриц
для твердотельных лазеров (раСПОJlOженных по длинам волн)
АктИвный I I Длина 11 Активный Длина
нон I(ристалл ВОЛНЫ. ион I(pHCTa.Q.Q ВОЛНЫ,
МК:\1 МКМ
1. Лазерные вещества, которые Nd 3 + РЬМоО4 1 ,0586
rенерируют лазерное излучение Nd 3 + LuзGа5012 1 ,0594
при низкой и более высокой Nd 3 + У з Gа 5012 1 ,06')3
температуре (300 к) Nd3+ Сd з Gа 5 О 15 1,06CJ6
Nd3+ У з Аl 5 О 12 1,0610
Gd 3 + V з А1 5 О 12 0,з146 Nd 3 + LaNb0 4 1,0624
ТЬ 3 + LiYF 4 .Gd 3 + 0,5445 Nd 3 + УАЮ з 1,0644
Еи 3 + А1 2 Оз 0,6130 Nd3+ СеС1 з 1,0647
Pr 3 + PrBr 3 0,6400 Nd 3 + CaW0 4 1,0652
Pr 3 + LаС1 з 0,64.52 Nd 3 + GdАЮ з 1 ,069а
Cr 3 + У з А1 5 0 12 0,6874 Nd 3 + Y 2 Si0 3 1,0715
СrЗ+ Аl 2 О з 0,6929 Nd 3 + Gd 2 О з 1,0741
Cr 3 + АI 2 О з 0,6943 Nd 3 + CaSc 2 0 4 1,0755
Cr 3 + АJ 2 О з 0,7670 Nd3+ СаА1 4 О 7 1,0786
Er 3 + LiYF 4 0,8500 Nd 3 + LiNbO:! 1 ,0846
ЕrЗ+ УАЮ з 0,8510 Nd 3 + CeF3 1,3170
Er3+ УЛЮ 3 1 , 6630 Nd3+ РЬМоО 4 1 , 3340
Er 3 + У з А !;,Оl< 1 , 7760 Nd3+ SrMo0 4 1,3440
Er3+ СаF2 ЕrFз 2,6900 Nd 3 + CaW0 4 1,3475
ТтF з 2,7307 Nd 3 + CaSc0 4 1,3565
Er 3 + СаF2 ЕrFз Ndз+ CaW0 4 _ 1 ,3885
Er 3 + У 3 A1 S 0 12 2,9364 Nd3+ У з А1 5 0 12 1 , 6320
Nd 3 + Y3AIP12 О, 8910 Nd 3 + У з А1 5 0 i2 1 ,8330
Nd 3 + У з А1 5 О 12 0,8999 Но3+ Li(Y,Er)F 4 2,0654
Nd 3 + УАЮ з 0,9300 Но3+ (У, Er) АЮ з 2,1230
Nd3+ У з АJ 5 0 12 О, 9385
Ndз+ У з Аl 5 0 12 0,9400 Тт3+ УАЮ з 2,3480
Тт 3 + УАЮ з 2,3490
Nd 3 + CaF2 SrF2 1 ,0369 и3+ CaF 2 2.6130
Nd3+ SrF 2 1,0370
Nd 3 + LaF 3 1 ,04С65
Nd 3 + CeF3 1,0410 2. Лазерные вещества, которые
Nd 3 + CaF 2 _ 1,0461 rенерируют лазерное излучение
Nd: + LiYE 4 1,0471 только при низких температу-
Nd 3 + SrA1 12 0 19 1,0491 рах ( 77 К)
Nd 3 + SrY 5 F 19 1 ,0493 I
Nd 3 + Са2У 5 F 19 1 ,0498 V 2 + МgF 2 1,1217
Nd 3 + NdP 5 0 14 1,0510 N12+ MnF 2 1,9150
Nd 3 + У з А1 ь О 12 1,0521 Co + MgF 2 2,0500
Nd 3 + Sr А1 4 О 7 1,0576 С02+ ZnF 2 2, 1650
Nd 3 + CaW0 4 1 ,0582 Dy3+ CaF 2 2,3587
Dy3+ Ва 3,0220
Nd3+ Са з О 12 1,0583 (У 1,26 Er O,7)F8
длинами волн. Такое излучение лазера опреде.1lЯется, в частности, aK
тивным ионом и видом перехода (у большинства ионов возможны
различные переходы); кристаллической основой (матриuей) (обуслов
ленной различными полями в кристалле).
2.5.2.2. Накачка твердотельных лазеров. Накачка твердотельных
лазеров происходит непосредственно с помощью излучения. Инверсия
sасе.пенiюстей создается, вообще rоворя, при слабозаселенном нижнем
лазерном уровне (исключение рубиновый лазер) блаrодаря доста-
точному возбуждению BepxHero уровня, прн этом В качестве лазерных
переходов преимущественно рассматриваются такие переходы, которые
имеют D спектрах флуоресценции максимальную интенсивность иsлуче
ния.
К важнейшим переходам ОТНОСятся:
осиовные переходы [переход между компонентами мультиплетной
пары (например, 4F3/2--+41Щ2 В Nd3+), В общем случае с caMoro ниж-
Hero метастабильноrо уровня, как это имеет место в иоиах NdЗ+, Pr 3 +,
Еи 8 +, Gd 3 +, ТЬ 3 +, Db 3 +, Н03+, Er 3 +, Тт 3 +, УЬ8+, Dy2+, Тт2+, U+ 3 ]
(рис. 2,30);
80
28
262
24 Н 9/2
22
20
4$
18 3/2
Ъ 16 4 F9 / 2
tu"14
12 419/2
10 "111/2
8 4
6 11 /2.
f
2 ;;;
О 115/2
Er 3 +
(GaWO,,)
3P2
3Р1
О
5 S2
'['f
1 Р2
4F5/2
"F3/2
1 с "
3F"
3Fз
3F2
3Н6
3Hs
JH"
Pr 3 i'
( LаF з}
3Fз
3F'r 1"'""
7t5
3Hlt-
3. '""
'N s
Тт 3 "
(13 AJ S 0 12)
Рис. 2.30. Схемы энерrетичеСIШХ уровней некоторых трехвалентных ак-
тивиых ионов в различных кристаллических основах
каскадные переходы [переход между несколькими метастабилъ-
flЫМИ уровнями в пределах одноrо иона (4111/2--+4113/2--+4115/2 В Er3+,
рис. 2.31, а), различных ионов (4113/2 в ЕrЗ+--+511 в НоН, рис. 2.31, б);
таким образом, rенерация лаsера возможна на длинах волн с повышен-
ной эффективностью, кроме Toro, каскадные переходы имеют место
в Тт 3 +, Pr 3 +, Na 3 +, ЕuЗ+ (основной кристалл УА10 з )];
электрон-фоноиные переходы, коrда наряду с изменением электрон
Horo состояния ПfiОИСХОДИТ возбуждение колебаний решетки (табл. 2.3);
поскольку эти переходы sависят от температуры, то лазер, работающий
иа переходах этоrо типа, можно перестраивать в определенных rрани
цах путем изменения температуры.
Пример. CaF 2 : Sm2+ лазер. Длина волны 1..=,0,71 мкм при TeMnepa
а'уре 75 К. 1..='0,74 мкм при температуре 250 К. Особо следует выделить
т а б л и ц а 2.3. Основные твердотельные лазеры на электронно
колебательных переходах
Длина волны Пороrовая
Ион Кристалл лазерноrо Темпера- МОЩНОСТЬ, ИСТОЧНИК накачки
И3JIУ чения, тура, К мВт
мкм
Непрерывный
режим
V 2 + MgF 2 1,1 80
Ni2+ MgF 1,316 1,409 80
MgF 2 1 ,61 1,74 80 70 ИА[*; 1,33 мкм
С02+ MgF 2 1 ,63 2,08 80 60 ИАr; 1,33 мкм
KZnF3 I,в.) 2,l1 80 30 AproH; 0,514 мкм
к МgF з 1 ,67 1,8 80 AproH; 0,514 мкм
Импульсный
режим
Ni 2 + I МgF 2 1,61 1,74 80 Nd : УАlО з ;
1, 785 1, 797 198 240 570 1650 1,34 мкм
Сс 2 + i\1gF 2 1,6 2,3 80 4,5.IO 3 Nd : УАlО з ;
ZnF 2 2,165 80 430 1,34 мкм
Cr3+ ВеА1 2 О 4 о, 701 0, 818 370 10 Хе лампа
(алексан- .
дрит)
GdSeGa. 0,79 300 2.IO 3 Краситель;
rpaHaT 0,59 мкм
VЧ МgF 2 " 1,1213 80 0,70
. ИАr иттрий алюминневый rpaHaT.
лазер на александрите (ВеА/ 2 О 4 : Cr 3 +): при комнатной температуре
получают энерrию более 5 Дж.
Эффективность возбуждения BepXHero лазерноrо уровня сущест-
венно можно повысить за счет введения сенсибилизующих ионов: Er 3 +,
Nd3+, Тт 3 +, УЬЗ+, Cr 3 +, Мп 2 + (ЦtНТРЫ окраски). Эти центры окраски
поrлощают излучение накачки и переносят эту энерrию путем столкно.
вений BToporo рода или также через колебания решетки кристалличес-
кой основы к активным ионам (рис. 2.32).
Активные элементы (кристаллическая основа+активные ионы) из-
rотавливаются н виде стержней (табл. 2.4) с отполированными Topцe
выми поверхностями, с нанесенными зеркальными покрытиями и также
с обработанной поверхностью для эффективноrо введения излучения
накачки.
Излучение накачки создается в импульсном или непрерывном ре-
ЖИМе с помощью ламп различных форм и наПолнения rазом, а также
20 20
4-
"".53/2 "".53/2
15 15
:::!:
<.з <.з
0,84-мкм 0,84- мкм
10 .10
..
IJ..J IJ..J
4
5 113/2
5
о
а)
ч
3 У,5/2
Er i-
о
о)
2,0.JMKM
5[
Er 3 + но З + 8
Рис. 2.31. Прямой каскадный переход в ЕrЗ+ (а) и каскадный переход
с безызлучательной передачей энерrией (6)
15
4FJ/2.
\
\
10
2Р5/2 1 4/11/2
!J1 6 :!HS'
'I f3 / 2 , Jз
s: Hzt.
[7
:::!:
<.з
с::,
\.LJ 5
*19/2
О
Nd 3 +
2 ч :i .
F 1 !2 [15/2 [8 :!н в
УЬ З + ЕrЗi- ВО З + ТrnЗi-
5)
а)
Рис. 2.32. 'Схема энерrетических уровней сенсибилизироваННЬJХ лазерных
переходов ( переход от сенсибилизирующеrо иоиа) для систе-
мы NdЗ+.-.rУЬ3+ (а), а также Бr Н , Tm 3 +--+НоЗ+ (6)
с помощью лазера. Накачка с помощью лазеров особенно эффективна.
При выборе источников излучеиия для оптической накачки к ним
предъявляе1'СЯ требование, чтобы основная часть эмитированноrо ЭТII
Т а б л и ц а 2.4. Размеры коммерческих лазерных стержней
Материал
I Длина, мм
максимальная тнпичная
I Диаметр, мм
максимальный I типичный
Рубин
Nd-стекло
Nd-ИАr
300
1000
150
100
300
75
25
75
10
10
14
5
ми источниками нзлучения находилась в спектральной области, в кото-
рой лежат полосы поrлощения лазерной активной среды. В качестве
источников накачки для твердотельных лазеров применяются (табл. 2,5,
рис. 2.33):
ксеноновые лампы
криптоновые лампы
ртутные лампы BbJcoKoro
давления
rалоrенные лампы без охлаждения, мало применяются.
С увеличением энерrии в разряде происходит сдвиr максимума из-
лучения в сторону более коротких длин волн.
т а б л и ц а 2.5. Технические параметры ламп накачек
}
воздушное или водяное охлаждение;
Размеры, мм
" I Максималь-
"1 ип лампы "'''' нан мощность, Примечания
I
:a: f: Длина дуrи кВт
"''''''
J:O..:s
.
Ксеноновые лам. 1 19 25,4 1220 0,024 15,4 Длительность им-
пы-вспышки пульса 1 MKC
10 МС
Криптоновые дуrо- 4 7 50 70 2 5 Непрерывный ре-
вые лампы жим
Ртутиые лампы 0,25 0,25 0,1 } Непрерывный
1 50 3,5
2 50 2 режим
2 12,5 1
2,5 14,5 1,5 Длите.'IЬНОСТЬ им-
пульса 3 мс
rалоrенные лампы 15 130 1 Непрерывный ре-
жим
Используемые для накачки импульсные лампы имеют стержневую
форму (длина JO 50 см, диаметр 5 20 мм, рис.2.34) или также спи-
ральную форму, что в значительной степени определяет конструкцию
Излучателя.
Некоторые типичные параметры для коммерческих импульсных
ламп приведены в табл. 2.5. В импульсных разрядах (импульсные лам-
пы) эксплуатация ламп осуществляется для повышения срока службы
в режиме «дежурноrо» разряда, см. разд. 2.8, табл. 2.6.
80
БО
<->
<:>
:::,
<.>
:;J: 40
QJ
Е:
'"
;::,
:i 20
Е;
t:)
О
200 БОО 800 1000 1200
а) А, нм
ВО
'"
Е: 50
'-'
<:>
;::,
'-'
'" 40
QJ
.е:
:;J:
;::,
:t: 20
О
'" 100
<:>
80
;::,
..,
60
:;J:
:::, 40
'"
J5 20
о)
120
700
800
i!, нм
о
J\
n \f 1\ \
1\ '\ v'
J 1\
/ V "- '---- .
:100
400
БОО
700
о)
500
А,НМ
Рис, 2.33. Спектральное распределение интенсивности для ксеноновоЙ
(а), криптоновой (6) и ртутной (8) ламп
Т а б л и ц а 2.6. Основные технические характеристики коммерческих
импульсных ламп накачек
МаксимаJlьная Расстояние
энерrия в Рабочее Напряже- ме>кду элект
Тип ламп импульсе напряже нне за>ки родамих ОхлаждеЮlе
Дж НИе, кВ rання, кВ хдиаметр,
ММХММ
ИФП 800 800 1,6 0,7 80х7 Вода
ИФП 2000 2000 1,5 0,6 130х 11 ВоздуXi
ИФП 20000 20 000 4,65 2,0 580х 16 })
VQX 65 260 1,5 0,4 50х6 Воздух,
VQX 1310 1340 БОда
3,0 0,6 100х 13 То же
1 У J 2
ЕШ>, ""," f
Рис. 2.34-. Стержнеобразная лампа накачки:
1. 2 9.'! !':Tpaды; 3 поджиrаlOЩНЙ электрод; d диаметр; L расстояние Me>к
ду электродами
Для TOrO чтобы передать по возможности большую часть мощно
сти накачки в активную среду (лазерный стержень), в качеСтве систе
мы накачки используются:
1) спиральная лампа, окруженная отражателем, на оси KOToporo
находится лазерный стержень.
Преимущество: простая конструкция при равномерном освещении.
Недостаток: необходимы высокие мощности накачки, поскольку
свет равномерно распределяется в пространстве отражателя и не KOH
центрируется на лазерном стержне.
С такой системой накачки работали первые твердотельные лазеры;
в настоящее время такие системы накачки применяются редко
(рис. 2.35);
2) стержневая лампа на фокальной линии эллиптическоrо отражаю-
щеrо цилиндра, на друrой фокальной линии KOToporo находится ла
зерный стержень; на эллиптический цилиндр наносится зеркальное
покрытие. Потери при отражении незначительны, если нанести полиро
ванное покрытие из Ag или Аl (рис. 2.36); две или несколько стержне
вых ламп, установленных в фокальных линиях двух или нескольких
эллиптических отражателей с общей фокальной линией, на которой Ha
ходится лазерный стержень (рис. 2.37).
Преимущество: достиrаются высокие мощности накачки и тем са-
мым большие интенсивности излучения.
Недостаток: усложненная конструкция при одновременном YMeHЬ
Шении кпд 1'J. Для устройства с Z эллиптическими отражателями при
диаметре лазерноrо стержня d LS , меньшем, чем диаметр лампы d L
Рис. 2.35. Система нака'ши со
спиральной лампой-вспышкой:
1 отражатель; 2 лампа-вспыш-
ка; 3 лазерный кристалл
а)
1
z
J
4-
Рис. 2.36. Система наl(ач-
ки с линейной лампой на-
качки и эллиптическим
отражателем:
1 лазериый кристалл; 2
поверхность отра жателя с
зеркальным ПОКРЫТllем; 3
ИСТОЧНIII< света: 4 фокусы
ЭЛЛ и пса
J
Рис. 2.37. Система накачки с двумя (а) или четырьмя (6) линейными
лампами с двумя или четырьмя эллиптическими отражателями:
1 кристалл; 2 отражатель; 3 .пампа
имеем
d LS
== ZR d L
'11=
световая мощность в лазерном стержне
световая мощность всех ламп
(2.111)
Высокая эффективность накачки достиrается в том СЛУ'lае, если
диаметр эллипса (средний) MHoro меньше, чем длина отражателя, при
этом одновременно малы диаметры лазериоrо стержня н лампы.
Источники потерь излучения НaJ<ВЧКИ следующие:
потери при отражении на поверхности отражателя (нанесение зер-
кальных ПОI<РЫТИЙ);
затенение лампы, в особенности если эта лампа окружена охлаж-
дающей рубашкой;
излучение через отверстия в КРЫШI(е для ламп и лазерноrо стержня;
поrлощение излучения в наружных областях активноrо элемента,
особенно у лазерных стержней с большим диаметром (рис. 2.38),
в системах иакачки, хотя и в оrраниченной мере нз-за более низ-
кой эффективности, при меняются также (рис. 2.39):
расположение отражателя излучения накачки внепосредственной
близости от активноrо элемента и лампы нюшчки (системы накачки
с плотным заполнением отражателя);
подВеденная
электрическая
знерzця
100%
Тепло8ые
потери
О лампе
Потери В
отражателе
Теплоf}ые
потери
О актиОной
среде
Знерzuя
лазерноzо излучения
Рис. 2.38. Относительный баланс энерrии системы накачки с использо
ванием криптоновой дуrовой лампы для накачки непре ывноrо Nd-ИАf-
лазера
;
з
а)
Рис. 2.39. Простые конструкции систем накачек для твердотельных ла
зеров с более низкой эффективностью:
а расположение отражателя в иепосредственной близости от аКТИВноrо элемеита
-и лампы иакачки; 6 цилиидрические отражатели; 1 лазериый стержеиь; 2
отрая<зтель; 3 лампы накачки
отражатели цилиндрической формы.
Преимущество таких конструкций sакл.ючается в их относительной
Простоте,
2.5.3. РУБИНОВЫй ЛАЗЕР
Этот лазер преимущественно работает в импульсном режиме и [e
нерирует излучение на длине волны л О,6943 мкм. Из-за возможности
получения больших импульсных мощностей, а также наличия рубино-
вых кристаллов BbJcOKoro оптическоrо качества рубиновый лазер и [j
настоящее время один из наиболее известных твердотельных лазеров
Рубиновый кристалл (табл. 2.7) состоит из молекул оксида алюминия
(АI 2 О з ), в ero решетке вместо некоторых ионов АI внедрены ионы xpo
ма (Cr 3 +).
т а б л и ц а 2.7. Технические и оптические параМетры рубиновых
кристаллов
Параметр
Значение
Содержание Cr 3 +, %
Плотность, rjcM 3
Температура плавления, 1\
Удельная теплоемкость при 20 ос,
Джj(кr'К)
Коэффициент теплопроводности при 20 ос,
BTj(M'R)
Коэффициент тепловоrо расширения, 1!К:
параллельно оптической оси
перпендикулярно оптической оси
Твердость по Моосу
Режим работы
Лазерный переход
Длина волны лазериоrо излучения, мкм
Сечение вынуждениоrо рассеяния, см 2
Потери на рассеяние, IjCM
Основные полосы поrлощения, мкм, при по
казателе преломления
перпендикулярно оптической оси
параллельно оптической оси
Уrол Брюстера
0,05
3,98
231l
757
38,5
6,7.1O 6
5,0.1O 6
9
Импульсный Непрерывный
E--+4 2А--+4А 2
0,6943 0,6929
2,5.1O O
0,001
0,404
0,554
1,763
1,753
б(f 37'
Вынужденное излучение происходит при переходах в электронной
оболочке 3d ионов Cr3+, причем реальная система уровней существен-
но отличается от системы энерrетических уровней свободноrо иона
из-за влияния поля решетки кристалла (рис. 2.40). Под действием оп-
тической накаЧIШ электроны из OCHoBHoro состояния 1 (уровень 4А 2 ) пе-
реходит в полосу поrлошеиия 3 (4F 2 ), нз которой энерrия за счет быст
рой безызлучательной релаксации (время релаксации примерно IO 1c)
переносится на метастабильный уровень 2(2Е, время жизни 2 4 мс),
являющийся верхним лазерным уровнем. Лазерный переход 2--+1.
Как верхний, так и нижний лазерные уровни в действительности
представляют собой два блИ3lЮ расположенных уровня, которые при
комнатной температуре почти одинаково заселены (несколько больше
заселеи нижний уровень Е). Однако этоrо достаточно для Toro, чтобы
лазер излучал лииию R! на длине волны л 0,694 мкм.
Особенности рубиновоrо лазера: нижний лазерный уровень соответ-
ствует основному состоянию и тем самым сильно заселен.
Для создания инверсии заселенностей необходимо возбудить по
меиьшей мере половину ионов СrЗ+, для этоrо необходимы высокие
30
25 4 р
1
20 2 F2 ..... 0
I
*р :l:
::;: 2 u
u е:,
;:;-, "" 2.4
2Е ! 0
15 .....=:=:== Е
I.Ц
10
.....
:r
*А 2 с:5' .0
AJ,2.D;;: Cr 3 +
Рис. 2.40. Схема энерrетических уровней для Cr 3 + в А1 2 О з (рубиновый
лазер)
мощности накачки, причем применимы источники света накачки, спектр
которых в значительной степени должен совпадать со спектром поrло
щения ионов Cr 3 + (рис. 2.41).
Пороrовая энерrия в импульсном режиме достиrает 45 Дж.
Излучение накачки создается мощными стержневыми ксеноновыми
лампами с несколькими эллиптическими отражателями или спиральиы
ми лампами. При эиерrии накачки 200 104 Дж мощиость лазерноrо
излучения достиrает 10 500 кВт при длительности импульсов O,I 1 мс
и до 100 Вт при непрерывном режиме работы, кпд составляет меньше
1 %.
Рубиновые кристаллы имеют стержневую форму диаметром 0,3
2 см и длину до 30 см (табл. 2.7). Рубиновые кристаллы оптически xo
рошеrо качества относительно леrко изrотавливать, они имеют БОJjЬШУЮ
механическую прочность и высо!<ую теплопроводность, что облеrчает
охлаждение кристалла.
. Кристаллы рубина преимущественно выращивают пламеНН/?JМ ме.
тодом Вериейля, при котором в специальной водородно-кислородной
Печи располаrают порошкообразные А1 2 О з и Сr20з при температуре
свыше 2000 К, реже используют метод Чохральскоrо (вытяrивание кри
сталлическоrо стержня из расплава, содержащеrося в тиrле).
После изrотовления поверхности лазерноrо кристалла шлифуются
и полируются. Торцевые ПОl3ерхности лазерноrо стержня, из которых
выходит свет, MorYT ОТКЛОНЯТЬСЯ от плоскости не более "'/10, и если эти
поверхности используются в качестве зеркал резонатора, то они должны
стоять перпендикулярно оси резонатора с точностью до уrловых секунд
3,6 I
::Е
.; 2,8
<\)
::f
'"
2,0
Е::
'"
..,
1,2
:::,
Е>-
Е>-
'"
0,4
О
200
300
400
500
2,01:
u
I
<:>
1, S ':.
'"
<\)
1,0
<:;
'"
:::,
0,5 ;:;
'"
Рис. 2.41. Спектр поrлощения ионов СI' З + в А1 2 О з
и иметь высокий коэффициент отражения. Часто лазерные стержни
снабжены сапфировыми наконечниками для крепления вне объема, за-
нимаемоrо отражателем.
Излучение рубиновоrо лазера характеризуется большой мощностью
при невысоком качестве излучения (неоднрродное распределение П по-
перечному сечению, пичковый характер излучения) (табл. 2.8 и 2.9).
т а б л и ц а 2.8. Физико теХJiические параметры рубиновых лазеров
Параметр
Значение
Пороrовая энерrИЯ, импульсный режим, Дж
Выходная энерrия, Дж
Мощность в импульсе, кВт
Ширина линии, им
Расходимость луча, мрад
Пороrовая МОЩНОСТЬ, непрерывным режим, Вт
Выходная мощность, Вт
Ширина линии, нм
Расходимость луча, мрад
пд, % .
103
O,1 I,5
1O 40
10
1 20
840
Несколько 100
1O
1
1
Т а б л и ц а 2.9. Физико технические характеристики промышленных
импульсных рубиновых лазеров (A o,6943 мкм)
Энерrия I Частота Повторе-
Тип нмп у льса, Длительность ния импульсов.
Дж нмпульса, МС c l
rоР З00 (СССР)
[ОР-1О0 (СССР)
Holobeam (CЦIA)
300
100
lО
6
1
1
180-
180
6
2.5.4. нЕодимовый СТЕКЛЯННЫй ЛАЗЕР
ЭТОТ лазер является твердотельным лазером, излучающим в ближ-
нем ИК-диапаЗОНе (A 1,06 MI{M), который при меняется, например, для
лазерноrо управляемоrо термоядерноrо синтеза (см. разд. 3.6) или
при меньших мощностях в качестве лазера накачки.
В качестве активных ионов в стекло, используемое в качестве MaT
рицы, вводятся ионы Nd З + с массовым содержанием 0,5 8 % (табл.
2.1 О). Спектр флуоресценции имеет три широкие линии с метастабиль-
иоrо уровня (время жизни 160 мкс) 4F З /2 иа уровни 4}g/2 (л О,92 мкм),
4}I1/2 (л 1,06 мкм) и 4113/2 (A 1,37 мкм) (рис. 2.42).
Наиболее интенсивный переход с длиной волиы 1,06 мкм обычно
используется в качестве лазерноrо перехода.
, 4r
r7/2
r
r5/2
*F;r/2
10
х
<::>
..... 4-]15/2
tJ
. 5
4113/2
4
111/2
4]9/2
О
4- J ;J/2
2Н9/2
r- ........
r- ........
........
1,3*0 МКМ
1,06*
0,930 мКН
4-
F З / 2
1,83*MKM
1,3J8
1,05/r
о,9*бмкм
] 13/2
а) Y;JAI s 0'2: N d 3+
4
111/2
'419/2
5) УАIО з :Nd J +
Рис. 2.42. Схема энерrетических уровней ионов NdЗ+ в У з А1 5 О 12 (а) и
УАЮ з (6) при температуре T 300 К
Параметр
т а б л н ц а 2.1 О. Оптические параметры стекла с неодимом
Стекло
силикатное
ФОсфатное
Режим работы
Лазерный переход
Длина волны лазерноrо излучения, мкм
Сечение вынужденноrо излучения, см 2
Потери на рассеяние, I/CM
Основные полосы поrлощения, мкм при
показателе преломления
Уrол БРlOстера
Импульсный Импульсный
4 -+4
F312 F1l/2
1,0624 1,0560
2.1O O 3, 9.1O О
0,001 0,001
0,81 0,75
1,546 1,531
570 б' 5Б О 50'
Спектр поrлощения имеет выраженные максимумы в области длин
волн от л О,5 до л 0,9 мкм (рис. 2.43).
С помощью оптической накачки происходит возбуждение уровня 4,
с KOToporo эиерrия переносится на (метастабильный) верхний лазер
иый уровень 3(4F З /2) в результате быстрой релаксации.
100 .
'"
'"
'"
:::r
5.0
r::
:х:
JS
о
400
500
Рис. 2.43. Спектр поrлощения иоиов NdЗ+
800
II,НМ
Преимущественный лазерный переход: 3 ..2 (4FЗ/2 4II\/2). Нижний
лазерный уровень опустошается в результате быстрой релаксации (вре-
мя релаксации 10 7 с) 2-+1.
Nd3+ лазер работает по четырехуровневой схеме. Поскольку ниж-
ний лазерный уровеиь почти не заселен, то этот тип лазеров обладает
относительно низкой пороrовой мощностью (200 Вт), в результате чеrо
нетрудно осуществить непрывный режим работы (уже в 1962 r. была
реализована выходная мощность в иесколько милливатт). .
Для 'оптической накачки преимущественно применяются стержне-
вые импульсные лампы с эллиптическим отражателем. В качестве мате-
риала матрицы для ионов Nd 3 + применяются СИЛИl<атное, фосфатное
и бариевое стекла (табл. 2.10 и 2.11). Преимущества стекла заключа-
ются в простоте изrотовлення активных элементов с большими размера-
ми и хорошем оптическом ка'lестве.
т а б л и u а 2.11. Оптические и лазерные параметры стекол,
леrированных иоиами Nd3+ [2.17]
Стекло
Параметр СИЛИкат фосфат фторфос- I Фторберил-
иое ное фатное латное
Показатель прело мления 0,57 1,54 1,49 1,35
Максимум флуоресценции (нм) 1062 1054 1054 1047
при ширине спектра флуорес- 34 24 31 24
ценции, нм
Относительное поrлощение иа 1,0 0,94 0,88 0,77
качки (отнесенное к силикат-
ному стеклу) 0,8 0,9
Относительный коэффициент 1,0 1,4
усилеиия (отнесенный к си-
ликатному стеклу)
Недостатки связаны с низким коэффициентом теплопроводности
(P.1!Q НСЩ;ejJывноrо режима работы необходимы специальные стекла).
сильным уширением линии флуоресценции и ли-нии поrлощеiшя (час-
тично неоднородным); неблаrоприятным отношением иеоднородной ши-
рины (АЛIf<h"" 10 нм) К однородной ширине лииии флуоресценции
(АЛhоm"",2 нм) В силикатном стекле. -
Часто стекла активируют llерием, чтобы повысить фотохимичес-
кую стойкость по отношению к УФ-части излучеиия накачки.
Для повышения эффективности накачки часто добавляют сенсиби-
лизирующие ионы.
Размеры активных элементов: диаметр 5 50 мм, длина до 1 м.
С эиерrиями накачки 1O 103 Дж получают лазерные мощности 105
)08 Вт В импульсном режиме.
КПД ие превышает 1 % (табл. 2.12).
т а б л и ц а 2.12. Технические параметры промышленных импульсных
неодимоВЫХ лазеров (л l,О6 мкм)
Тип
Эиерrия
импульса,
Дж
Длительность
Импульса.
мкс
Частота повторе-
ния ИМПУЛЬСОВ.
c
rOC-301 (СССР)
Фирмы Ароllо Lasers
(США)
300
30
800
400
300
15
Наряду с переходоМ 4FЗ/2-+4J1II2 возможна rенерация лазера' на ряде
друrих переходов при значительно бqлее высокой МОLЦности накачки.
Переход
4
('3/2
4
('3/2
4
('3/2
4
19/2
4
111/2
4113/2
Длина ВОЛНЫ.
МКМ
0,92
1,06
1,37
2.5.5. Nd ИАr-ЛА3ЕРЫ
ПороrОDая
9нерrия, Дж
700
40
460
в настоящее время лазер этоrо типа является важнейшим твердо-
тельным лазером. Он характеризуется тем, что при относительно про
стой конструкции достиrаются высокие мощности в импульсном режи-
ме при высокой частоте следовани импульсов лазерноro излучения
(до 10 кfц) или даже в неперывном режиме. Физический nринцип []o
лучения инверсии заселенностей в этом лазере точно совпадает при
том же активном ионе Nd З + с принципом создания инверсии засе-
ленностей в лазере на стекле с неодимом (см. разд. 2.5.4). У NdЗ+-ИАr-
лазера появляетсч лишь один дополнительный лазерный переход на
длине волны 1,834 мкм (см. рис. 2.42). Основное отличие заключается
в использовании кристаллической матрицы. В неодимовом ИАf лазере
речь идет об иттриево-алюминиевом rpaHaTe (УзА1SОI2). Активирование
ионами Nd+ З достиrает 0,5 3,5 % (табло 2.13).
Т а б л и ц а 2.13. Технические и оптические своЙства кристаллов ИАr
и у АlО з
Параметр
УАЮ.
У.AI.О,. (ИАf) I
Содержание NdЗ+, %
Плотность, r/см З
Температура плавления, К
Удельная теплоемкость, Дж/(кr' к)
Коэффициент теплопроводности,
Вт/(м'К)
Коэффициент тепловоro расширения,
I/К
Твердость по Моосу
Показатель преломления dn/dT, I/К
Область пропускания, мкм
0,5 3,5
4,55
2200
600 643
11 40
6,96. Ю..... 6
8 5
1:816
9,86.1O 6
O,24 6
O,5 3,5
5,35
2120
418
11
3,3.1O 8
8,5
1,93 I ,954
9,7.10 6
0,22 6,5
Преимущества иттриево-аЛЮМlIниевоrо rpaHaTa по сравнению со
стеклом:
высокая механическая прочность и твердость;
хорошая теплопроводность;
отсутствует необходимость в компенсации заряда (поскольку ион
уз+ заменяется ионом Nd+З).
Вследствие измененноrо BHYTpeHHero поля кристалла к этому до.
бавляется БОЛЫllее время )Кизни метастабильноrо (BepXHero) лазерноrо
уровня, а также большее сечение поrлощения на длине I?ОЛИЫ л==
.=,0,75+0,88 мкм (табл. 2.14). Кристаллы иттриево-алюминиевоrо rpa-
ната применяются в виде стержней диаметром 0,3 O,8 и длиной 3
10 см. Возбуждение среды происходит с помощью оптической накачки
в следующих р жимах:
т а б л и ц а 2.14. Оптические пара метры иттрий алюминиевоrо rpaHaTa
с примесью NdЗ+
Параметр
Значение
Р жим работы
пазерный переход
Длина волны лазерноrо излучения,
мкм
Сечеиие вынуждениоrо рассеяния,
., см 2
Потери на рассеяние, I/CM
Основиые полосы поrлощения, мкм
при показателе преломления
Уrол Брюстера
Импу льсный Непрерывный
4 0+4
F312 ! 11/2
1,0641
8,8.1O B
0,81
0,002
1,82
61° 13'
0,75
в импульсном режиме ксеноновыми импульсными лампами, ча-
сто в "ростом устройстве с цилиндричеСIШМ отражателем;
в непрерывном режиме rалоrенными лампами и преимуществен
но J!.ЛЯ ВЬiСОКИХ мощностей криптоновыми дуrовыми лампами в уст-
ройствах с одним или двумя эллиптическими отражателями.
Для охлаждения лампы находяrся в цилиндрической рубашке, че-
рез которую прокачивается вода (5 л/мин). Добавка к охлаждающей
воде O,5 1 % KCr'20 поrлощает ультрафиолетовую область спектра
излучения накачки и предотвращает, следовательно, окрашивание ит-
триево-алюминиевоrо rраиата; сама вода поrлощает большую часть ин-
фракрасноrо излучения накачки и предотвращает, таким образом, на-
rревание лазерноrо стержия.
Пороrовая энерrия, как и у неодимовоrо лазера на стекле, состав-
ляет менее 5 Дж. Максимальная мощность лазерноrо излучення в им.
пульсном режиме достиrает примерно 106 Вт, в непрерывном режиме
около 500 ВТ. КПД составляет примерно 1 % (табл. 2.15).
На осиовании более высокой однородности и более BbICOKoro опти-
ческоro качества иттриево-алюминиевоrо [раната по сравнению со стек-
т а б л и ц а 2.15. Физик о-технические параметры промышленных
Nd ИАr-лазеров (A 1,06 мкм)
1. Импульсный режим
Тип
Энерrия
Импульса,
Дж
I Длительность I Частота ПОБТО-
Импульса, рения ИМПУЛЬ
нс сов, !'ц
ЛТИ-5 (СССР)
Фирмы Quапtеl (США)
Фирмы Ароl10 lasers (США)
0,05
0,85
10,0
10
13
15
100
10
0,1
Продолжение табл. 2.15
2. Непрерывный режим
Тип
Мощность, Вт
I Диаметр I Расходи-
пучка мl\1 МОСТЬ.
. мрад
2660 8 R (США)
0,5 (ТЕМоо)
14 (ТЕМ оо )
100 (мноrомодо-
выи режим)
800 1 000
0,2
1 4
2
1,4 1O
TWO.16 (США)
116 R O (США)
6
1O 18
лом для этоrо типа лазера достиrается более высокое качество пучка,
включая возможность Одномодовоrо режима работы (выходная мощ-
ность до 10 Вт). Однако при высоких плотностях мощности следует
учитывать, что при наrревании иттриево-алюминиевоrо [раната, обус-
ловленном излучением накачки, возникает двойное лучепреломление,
которое вызывает линзовое действие лазерноrо стержня.
Для фокусноro расстояния 1 F справедливо соотношение
1,5 2
lр == ,
MOLЦHOCTЬ накачки
(2.112)
rде 1 р измеряется в метрах, а мощность иакачкИ в киловаттах. Это
соотиошение следует принимать во внимание при применении Nd.ИАr-
лазера для таких процессов, при которых имеет значение волновой фронт
излучения. Этот эффект устраняется с помощью разработаииоrо
в 1970 r. кристалла в качестве матрицы для Nd3+ кристалла УАI0 з
с естественным двулучепреломлением. Для этоrо кристалла влиянием
термоиндуцированноro двулучепреломления иа характеристики лазер но-
ro излучения можно пренебречь. По друrим характеристикам этот кри-
сталл аналоrичен кристаллу иттрий-алюминиевоrо rpaHaTa.
Nd-ИАf-лазер приrоден для rенерации мощноro непреРЫВllоrо из-
лучения с высокой эффективностью (примерно 1,5 %), при этом можно
получить излучение моды ТЕМоо. Лазер reнерирует линейно поляризо-
ванное излучение и тем самым приrоден, в частности, в качестве источ-
ника накачки для нелинейной оптики (см. разд. 3.2).
2.5.6. МОЩНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛЛ3ЕРЫ
Лазеры, которые преимущественно разрабатывалисъ для rенерацин
высоких мощностей излучения, называютсЯ мощными.
Такие лазеры необходимы, в частности, для обработки материалов
(см. разд. 4), а также для получения плазмы в варианте лазерноrо
термоядерноrо синтеза (см. разд. 3.6).
Мощные твердотельные лазеры это исключительно стеклянные
неодимовые лазеры, работающие в импульсном режиме.
Мощность их достиrает примерно 106 Вт, с дополнительным усиле-
нием до 1012 Вт, а длительность импульса составляет O,I 1 нс.
Приицип работы и конструкция соответствуют ПРИlЩипу работы
и конструкции стеклянноrо неодимовоrо лазера, описанных в разд. 2.5.4.
Особенности мощиоro твердотельноrо Щl3ера следующие.
rенерируемое лазером излучение дополнительно усиливается в He
скольких уснлительных каскадах. Для этоrо применяются стеклянные
стer JЖНИ , активированные неоднмоМ, без зеркал резонатора, которые
T a'KjKe возбуждаются оптической накачкой, диаметр стержней достиrа-
ет 10 см, а длина до 1 м.
Как следствие высокой плотности мощности, внутри стекла pea
лизуются процессЬJ (например, самофокусировка), которые MorYT при-
вести к разрушению активноrо элемента, так что выбор стекла имеет
ос.обое значение. Преимущественно применяется силикатное стекло,
фосфатное стекло (преимущества: более высокие коэффициенты уси-
ления, малые нелинейности), фторобериллатное стекло (находнтся еще
в стадии разработки).
Для получения высокой пиковой и непрерывной мощности в по-
следнее время применяются пластиичатые активные элементы, в кото,
рых лазерный луч проходит активную среду с прямоуrольнЬJМ попереч-
ным сечением вследствие полноrо BHYTpeHHero отражения на плоских
боковых поверхностях. Блаrодаря этому происходит компенсация теп
ловой фокусировки и деполяризации.
2.5.1. МИНИАТЮРНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
ТвердотеJIьные лазеры с оптической накачкой и размерами от
100 мкм до нескольких миллиметров будем называть миниатюрными
лазерами.
Такие лазеры были разработаны в последние rоды, в частности,
для применений в оптической передаче информации [18].
д.к,:,шшыми ионами являются ионы Nd"+:
Nd 3 +-ИАf-лазер (массовое содержание Nd3+ составляет 1 3 %,
а длина менее 10 мм; для более маленьких размеров неприrодны, по-
скольку нельзя дальше повысить содержание ионов Nd 3 + из-за возни-
кающеrо тушения флуоресценции);
стехиометрические кристаллы, содержащие ионы Nd 3 + (внедрение
с
5)
Рис, 2.44. Структура стехиометрических кристаллов:
a NdP.O..; б Gd о . зз Уо.6'Р'О.'
Т а б л и п а 2.16. Стехиом{'три'!еские Nd-кристаллы для. миниатюрных
лазеров
Параметр
Кристалл илr
....,
. 6
r5 r5 r5 .
6
r........::' r5 ci: '\:!
0<I:"'i
д:>< a. n , "'" 00< Z
o-Z .......
. "'" , Z:З 0<1:"'" Z"
";;;: ?:. z oo
z; ..J
Концентрация 0,14.1021 3,96.\021 4, 37 . 1021 5,43.1O 1 2,7- 1021
NdЗ+, l/см З
Коэффициент по- 1,1 32,5 40 50 Ш
rлощения, l/см
ДJlИИ8 волны, мкм 1,061 1,054 1,047 1,064 1,063
Бремя ЖИЗIIИ флу 230 110 120 20 85
оресценuии, мкс
Пороrовая мош- 7 0,6 0,14 0,36 0,33
иость накачки,
. мБт
Ионов NdЗ+ происходит в периодически повторяющиеся узлы решетки
на расстоянии от 0,5 до 0,6 им. что приводит к более высоким концеит
рациям).
В качестве стехиометрических кристаллов применяются следующие
кристаллы (рис. 2.44): NdP 5 014, NdP4012, NdАl з (Б0 3 )4, а также
Na 5 Nd(W0 4 )4 (табл. 2.16).
Оптическая накачка происходит с помощью миииатюрных разряд-
ных ламп, непрерывноrо aproHoBoro и криптоиовоrо лазеров, а также
полупроводниковы лазеров.
. . Наряду с обычным резонатором,
находится между двумя зеркалами,
при специальном соrласовании лазера
белем.
rенерируемое излучение лежит в диапазоие длии волн от 1,054 до
1,32 мкм. Быходиая мощиость составляет меньше 10 мБт, а кпд до-
стиrает до 20 %
при котором лазерИЫй кристалл
примеияется волиоводuая схема
со световодным (оптическим) ка-
2.5.8. СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ
Различные твердотельные лазеры rенерируют излучение в широкой
спектральной области:
0.3 3 мкм в импульсном режиме;
0,69 2,6 мкм в непрерывном режиме (табл. 2.17).
Излучение происходит в виде одиночных, спектрально относитель.
1-10 узких линий, которые не являются перестраиваемыми. Само излу-
чение характеризуется:
малой длиной коrерентности « 1 м);
большими колебаниями интенсивности излучения;
слабореrулярным распределением интенсивности по поперечному
сечению пучка, обусловленным простраиствеиными неоднородностями
крпстаЛJ/а,
Та б'л и u а 2.17. МОЩНОСТЬ излучения", КПД непрерЫВНQ рабвтающих
твердотельных лазеров (по данным [19])
Актн. \
nатор
М трица
I Длина в<тны, I Рабочая I Выходнвя I iЩД, \ Лампа
МкМ темпера мощность, % накач
тура, К _ Вт ки
G
Nd
N
N
N
N
N
N
N
N
N
[ 3 + АlzО з 0,6943 300 2,37 0,1 Hg
3+ CaW0 4 1 ,0582 300 0,1 0,01 Хе
d з + Са (NЬОз)z 1,0612 77 0,1 0,05 Хе
d з + Са (NЬОз)z 1,0615 300 1 0,1
Nij3+ Са 5 ( Р0 4)з F 1,0629 300 10 2 W
d 3 + У з Аl 5 0 а 1,064.15 зоо 10З 2 4 Kr
d з + Lu з Аl 5 О а 1 ,0643 300 0,35 0,01
Nd:Ч УАЮ з 1 ,0644 300 35 0,8
d з + УАЮ з :Gr 3 + 1 ,0644 300 6,5 0,3 Kr
Nd 3 + КУ (W0 4 )2 1,0688 300 0,55 О,ОЗ
d з + УАЮ з 1 ,0796 300 100 2
d з + у з А1 S О lZ 1,3184 зоо О,оз 0,01 W
Nd З + УАЮ з 1,3416 300 14 0,4
'i z + MgF 1,674 82 100 1 0,2 W
i 2 + MgF 1,731 100 192 1 0,2 W
Н03+ (У, Еr)з А1БОi2 2,098 77 20,5 4
Но3+ (У, Еr)з Аl Б О l2 2,099 77 15 5
НоЗ+ (У, Еr)з А1 Б О l2 2,1227 85 7,6
Оу2+ СаР 2 2,3.587 77 150
3+ СаР 2 2,61 77 1O B Hg
,
u
Более высокое качество пучка возможно в непрерывном режиме
при возбуждении моды ТЕМоо. Для 3Toro необхоДимо использовать
диафраrму. У стабилизированных непрерывных твердотельныХ лазеров
_ достиrается стабильность по мощности примерно 0,1 %. Относительио
- достиrаемых мощностей см. табл. 2.17. Для излучения импульсноro
. твердотельноrо лазера характерны пичковые режимы.
После достижения пороrовой инверсии заселенностей лазер reHe
. рирует в результате чеrо инверсная заселенность снижается, так что
после HeKoToporo времени уменьшается также интенсивность лазерноrо
излучения, пока за счет накачки атомы не будут снова возбуждены, и
затем Ifнтенсивность лазерноrо излучения также сиова может увели
читься. Излучение происходит часто в форме релаксаuионных колеба
ний, которые MorYT более или менее сильно затухать (длительность KO
лебаннй составляет менее 1 мкс, см. разд. 2.1.3). .
Если инверсная заселенность снижается так сильно, что reHepa
ция для определенной моды обрывается и начинается снова лишь при
ДОстаточной накачке, то появляются скачки мод. Вследствие наложе
ния различных оrраниченных во времени мод возникают статистически
большие интенсивиости в импульсе, обладающие периодичностью. Этот
lJроцесс называется пичковым режимом работы (рис. 2.45).
Длительность импульса накачки равна примерно 5 мс.
rенерация лазерноrо излучения после примерно 0,5 мс.
Длительность пичков примерно 1 мкс.
Излучение твердотельных лазеров применяется прежде Bcero в об-
ласти иелинейиой оптики (см. разд. 3.2), обработки материалов (см.
.... ,..:... ..... ...._................. ."J............ ..
'..'
. . ., .. . . .
....... ......'''''''''' ...... ...._..-:............ ....JU .
; 1 ;t[:;':$ :Z!; :.E.'...
:1Ji,ti:
...
....,.........: .. -. ....-............:..,...:..............:...-........ .
Рис. 2.45. Пичковыlf режим
работы твердотельноrо
JJазера
. : : ;.c
. . . . . .
..._......................._.J ....... ........................................_..
. ..'
.::,...,
..-- .I...----,..... . .,.............,......
. ,-'. .
. ..:1l..l.lJ..:... . 1.... -с: J J :::--.
разд. 4), измерительной техники (лидар), а также для создания плазмы
в рамках лазериоrо термоядерноrо синтеза (см. разд. 3.6).
2.6. rАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ [25 421
2.6.1. ВВЕДЕНИЕ
fазовые лазеры наиболее часто используются в области научных
исследований, в промышленности и медицине. В этих лазерах в качест-
ве активной среды преимущественно применяlOТСЯ возбуждениые элект-
рическим током rазы или пары (нейтральные атомы или молекулы, Ио-
ны атомов или молекул). Характеристики rазовых лаэеров можно иэ-
менять различными способами:
варьируя большое количество rазоВ или смесей rазов;
путем изменеиия параметров rаза (давление, температура, состав
rаза) ;
с помощью различных способов возбуждения;
с помощью соответствующеrо конструктивноrо исполнения.
Блаrодаря этому параметры rазовых лазеров в значительной сте-
пени MorYT быть соrласоваиы с предусмотренными применениями.
По сравнению с друrими типами (твердотельными, полупроводни-
ковыми и лазерами на красителях) rазовые лазеры характеризуются
следующими специфическими свойствами.
. Как правило, из-за низких давлеиий rаза в активной среде. (1 o
104 Па) необходимы существенно большие длины усиления, чем, напри-
мер, в полупроводниковых лазерах, и тем самым более значительные
размеры.
Активиые среды rазовых лазеров одиородны и не имеют потерь'
так что достижимо более высокое качество пучка лазериоrо излучения.
Путем быстрой замены rаза можно леrко отвести выделяющееся
тепЛо, тю{ что достижимы высокие мощности в непрерьшном режиме
работы.
Возможны более высокие абсолютные точности и стабильиости час-
тоты.
Имеется большое число частот rазовоrо лазера от BaKYYMHoro Уф
диапазона (примерно 100 им) до диапазона СВЧ (около 2 мм).
Физико технические предельные параметры приведены в табл. 2.18.
2.6.2. ФИЗИЧЕСКИЕ основы rАзовых ЛАЗЕРОВ
2.6.2.1. Активные среды. В качестве активных сред для rазовых ла-
зеров приrодны все rазообразиые при комнатной температуре элемен-
7Ы. большое число элементов в парообразном состоянии (например, па-
ры металлов), большое число молекул (табл. 2.19).
Из за большоrо числа линий, rенерируемых в rазовых лазерах, мно-
rие представляют только научный интерес, поскольку затраты на их re-
иераuию достаточно высоки или кпд способа возбуждения и выход-
ная мощность слишком низкн.
В качестве лазерных переходов в rазах (которые не всеrда долж-
ны быть идентичны интенсивным излучательным переходам) встреча-
ются следующие [29].
2.6.2.2. Возбуждение среды rззовых лазеров. Инверсия заселенно-
стей в rазах образуется путем [261 возбуждения BepxHero лазерноrо
уровня и (или) опустошения нижнеrо лазерноrо уровня.
При создании инверсии заселеЮlOстей за счет преобладающеrо
увеличеиия заселенности BepxHero лазерноrо уровня используются сле-
дующие элемеитарные процессы:
ударное возбуждение атомиых СОСТОЯНИй путем передачи кинети-
ческой энерrии (столкновения первоrо рода) как важнейший процесс
возбуждения в rазовых лазерах. В большиистве случаев такими частИ-
цами при столкновениях являются электроны в rазовых разрядах и
электронных пучках;
удариое возбужденне атомов и молекул путем столкновеиий с ме-
тастабильными атомами и молекулами и обмена энерrией возбуждения
(столкновения BToporo рода). В данном случае rоворят о лазерах с пе-
редачей энерrии. Возбуждение метастабильных атомов (молекул) про-
исходит за счет столкновений с электронами, оптической накачки или
химических реакций;
возбуждеиие молекулярных состояний с помощью оптической нз
качки. Из-за узких линий поrлощения в rазах этот механизм иrрает роль
Только при возбуждении в молекулярных rазовых лазерах BbJCOKOro
давления и лазерах, работающих в дальнем ИК-диапазоне, причем
в качестве источиика света накачки в общем случае рассматривается
лазер (преимущественно С0 2 -лазер). Для rазовых лазеров, работающих
в дальнем ИК диапазоне на молекулах с более чем тремя атомами,
ОПтическая накачка является единственным способом возбуждения;
возбуждение атомных состояний путем фотодиссоциации молекул,
IJРичем для фотодиссоциации используются импульсные ксеноновые
Лампы. Важнейшим представителем является иодный лазер;
возбуждение колебательно-возбужденных .состояний молекул за
Счет химических реакций (химический лазер). Возбуждение активной
среды за счет этоrо процесса до сих пор приводило К созданию лазеров
Только в ИК области спектра.
При создании инверсии заселенностей за счет преобладающеrо опу
Т а б-л и ц а 2.18. Физико технические предельные парамеТрbJ
rззовых лазеров
Параметр Значение I
Мощность 'в непрерывном 400
режиме, кВт 70
Эиерrия импульса излуче- 10
ния, кДж
Импульсная мощность, ТВт 20
Длительность импульса, пс зо
I(ПД, % 1O 50
инимальная длина волны 116
лазерноrо излучения, нм
Максимальная длина волиы 1,965
лазерноrо излучения, мм 1O 1!!
Стабильность частоты
Тип лазера
r;азодинамический С0 2 -ла-
. зер _
Быстропроточный С0 2 -лазер
ТЕА-лазер на С0 2
ТЕА-лазер на С0 2
ТЕА-лазер на С0 2 с укоро-
чением импульса
Лазер на rалоrенидах инерт-
иых rазов в УФ-диапазо-
не, со- и С0 2 -лазеры в
ИК: -диапазоне
Н 2 -лазер
CH"Br-лазер
Не-Nе-лазер
т а б л и ц а 2.19. Атомы, ионы и молекулы, которые применяются
в качестве активных сред в rазовых лазерах
rаз Длина волиы. мкм I Режим работы Накачка
Н 2 0,1161 pw Е
0,1240
Лr; 0,1 61 pw Е
Kr; 0,1457 pw Е
Н 2 O,l5EO pw Е
0,1613 pw Е
ArCI* 0,170 pw G
Хе.; 0,1722 pw Е
ArF* 0,193 pw G
KrCl* 0,222 pw G
Ne 3 + 0,2358 pw G
KrF* 0,248 pw а, Е
Ат 3 + 0,2624 pw G
XeBr* 0,282 pw G
ХеС1* 0,308 pw G
Cd+ 0,3250 cw G
Продолж lце табл. 2.19
rаэ Длина RОЛНЫ. мим Режим работы Накачка
Ne+ 0,3323 cw, pw G
N 2 0,3371 pw G
';<Ne+ 0,3378 cw, pw G
Ne+ 0,3392 cw, pw G
Кт2+ 0,3507 CW, pw G
XeF* 0,331 pw G
0,352 pw G
Se+ 0,4001 С\\' G
Kr 0,4067 cw, pw G
Kr 0,4131 cw, pw G
Kr 0,4154 cw G
Щ 0,427 pw G
Kr 2 F * 0,430 pw G
Cd+ 0,4416 cw G
Хе 2 Вт 0,445 pw G
Ат+ 0,4545 cw, pw G
Ar+ 0,4579 cw, pw G
Se+ 0,4648 cw G
Ат+ 0,4658 cw, pw G
Kr+ 0,4680 cw, pw G
м+ 0,4727 cw, pw G
Kr+ 0,4762 cw, pw G
Ат+ 0,4765 cw, pw G
Kr+ 0,4825 cw, pw G
Se+ 0,4845 cw G
Ar+ 0,4880 cw, pw G
Ат+ 0,4965 cw, pw G
Se+ 0,4976 cw G
Se+ 0,4993 cw G
Ат+ 0,5017 cw, pw G
HgBr 0,502 pw G
Se+ 0,5069 cw G
Se+ 0,5097 cw G
Си 0,5106 pw G
Ar+ 0,5\45 cw, pw G
Se+ 0,5176 cw G
Xe 2 €1* 0,520 pw G
Kr+ 0,5208 cw, pw G
Se+ 0,5227 cw G
Se+ 0,5254 cw G
Se+ 0,5273 cw G
Ar+ 0,5287 cw, pw G
Se+ 0,5305 I cw G
Продолжение табл. 2.19
rаз Длина ВОЛНЫ, МКМ РежИм работы Накачка
Kr+ 0,5309 cw, pw G
Ne 0,5435 cw G
Se+ 0,5523 cw G
Se+ 0,5567 cw G
Se+ 0,5591 cw G
02+ 0,5592 pw G
Se+ 0,5623 cw G
Кт+ 0,5682 cw, pw G
Se+ 0,5748 cw G
Си 0,5782 pw G
Se+ 0,6056 cw G
Аи 0,6278 pw G
Ne 0,б328 cw G
Se+ 0,6490 cw G
Кт+ 0,6471 cw, pw G
Se+ 0,6530 cw G
Kr+ 0,6761 cw, pw G
F 0,713 pw G
Кт+ 0,7525 cw G
Kr+ 0,7993 cw., pw G
Ат+ 1,090 cw G
Ne 1,0798 1 ,5231 cw G
Ne 1,15228 (интенсивная) cw G
1 1,3152 pw О
HF 2,64.. .3,11 pw, cw С
Ne 3,3913 cw G
НСl 3,707.. .4,030 pw, cw С
DF 3,830.. .4,021 pw, cw С
HBr 4,017. . .4,647 pw С
ОС1 5,045.. .5,614 pw С
СО 5,086.. .6,663 pw, cw G, С
DBr 5,805...6,329 pw С
OCS 8,239.. .8,424 pw G
С0 2 9,127...11 ,016, cw, pw G, С, Е,О
10,6 (наиболее ннтенсив-
ная линия)
N 2 0 10, 346.. . 11 ,042 cw G.
CS 2 11,484.. .11 ,545 cw G
CF 4 16,26 pw О
NOCl 16,71 pw О
NOC1 16,99 pw О
Н 2 О 27,9707 cw, pw G
СНзОО 41,7 cw, pw О
СНзОО 46,7 cw, p\V О
Продолжение табл. 2.19
rаз Длииа волны. мкм Режим работы Накачка
СНзОD 57,0 cw, pw О
D 2 0 66 pw О
СНзОН 70,6 cw, pw О
Н 2 О 78,443 cw, pw G
СНзОН 96,50 cw, pw О
О 2 О 99,00 pw О
.О 2 О 113 pw О
Н 2 О 118,591 cw, pw G
СНзОН 118,8 cw, pw О
СН з NН 2 148,5 cw, pw О
СНзОН 163,0 cw, pw О
СН з NН 2 198,0 cw, pw О
СН з NН 2 218,0 cw, pw О
СНзОD 229,1 cw, pw О
HCN 310,908 cw G
HCN 336,579 cw G
СНзОН 392,3 c\v, pw О
НСООН 406,0 cw, pw О
СНзОН 471,0 cw, pw О
СН з F 496,1 cw, pw О
НСООН 513,2 cw, pw О
СНзОН 570,5 cw, pw О
C 2 H 2 F 2 633,0 cw, pw О
СНзОН 699,5 cw, pw О
C 2 H 2 F 2 764,1 cw, pw О
C 2 H 2 F 2 890,0 cw, pw О
C 2 H 2 F 2 990,0 cw, pw О
C 2 H 2 F 2 1020,0 cw, pw О
СНзОН 1217,0 cw, pw О
СНзF 1222,0 cw, pw О
СНзВr 1965,34 cw, pw О
При м е q а и и е. cw иепрерывный режим; P\V импульсиый режим; G
rазовый разряд; Е электронный пучок; С химиЧеское возбуждение; О оп-
ТИческая накачка (с помощью лазера).
стошения иижнеrо лазерноrо уровня рассматриваются следующие эле-
ментарные процессы:
опустошение за счет спонтаниоrо излучения;
опустошение за счет столкновительиой релаксации;
опустошение за счет вынуждеиноrо излучеиия при каскадных пе-
реходаJ\ между колебательными уровиями (ТЕА лазер иа СО);
опустошеине за счет диссоциации молекул (эксимеры диссоцииру-
ют в основном состоянии, являющемся нижним лазерныt.f уровнем, че-
рез промежуток времеии менее 1O 12 с).
Равность Диапазон ДЛИН
энерrнн. эВ ВОЛfl.-МКМ
0,5 8* O,2 2,4
0,2 1O O,1 8
0.01 0,5 2,4 150
0,01 150
Переход
Чистые элеКТРОНliые переходы в нейт
ральных атомах и ионах
Полосатые электронные переходы в MO
лекулах
Колебательно вращательные переходы в
осиовном электронном состоянии
Чисто вращательные переходы
* в неоне' наблюдались линин лазерноrо излучения более ЮО мкм (6Е<;;;
<;;;0,012 эВ), соответствующие чисто электронным переходам.
Инверсную заселенность получить тем леrче, чем больше (среДllее)
время жизни 1:2 BepxHero уровня и чем меньше время жизни иижиеrо
уровня 1:1 : 't2 't'1*'
Время жизни в rазовых системах может составлять от нескольких
секунд до нескольких миллисекунд (преимущественно в метастабиль-
ных состояниях), может быть меньше наносекунд (в молекулярных ra-
зах BbJcoKoro давления) и определяется спонтанным излучением (rлав-
ным образом, в видимой и УФ-областях спеI{тра) и столкиовительными,
проuессами (преимущественно в ИК-области спектра).
2.6.2.3. Конструкция. Возбуждения rаза, пара или смеси rазов для
создания инверсии заселенностей происходит:
в электрическом rазовом разряде (наиболее часто используемый
способ), в большинстве случаев в аксиальном, реже также в поперсч
ном разряде постоянноrо тока с разрядными токами при:
непрерывиом возбуждении от нескольких миллиампср до 100 А;
импульсном возбуждении от 100 до 1000 А (Не Nе-лазер, ANJa-
зер, С02 лазер и др.);
с помощью релятивистских электронных пучков (эксимерный лазер,
Н2 лазер ) ;
с помощью оптической накачки (преимущественно для лазера с пе.
редачей энерrии' возбуждения, лазера BbJcoKoro давления и лазера, ра.
ботающеrо в дальнем И диапазоне);
с помощью химических реакций (например, НF-лазер, DF лазер);
с помощью фотодиссоuиации (иапример, НgВr лазер, I лазер).
Активная среда находится в пределах лазерной трубки 1 на
рис. 2.46, длина зоны возбуждения достиrает от нескольких сантимет-
ров до 200 м (типичные значения 0,3 1,5 м), а диаметр лазерной труб-
ки O,1 50 см (типичные значения 0,1 2 см).
Наполнение rаза стаuионарное (у большинства лазеров исполь
зуются отпаянные трубки), причем срок службы достиrает IOЗ 1О4 ч
* Для 1:2 '[1 также возможен режим rенерирования лазерноrо
излучения, причем rенерация обрывается сама, если нижний уровень
заполняется за счет вынужденноrо излучения (sеlftеrmiпаtiпg laser
лазер на самооrраниченных переходах) . Максимальная длительность
импульса L'..'t' 't'1I2. Примеры: Н 2 -, N 2 -, Не-Сu-лазеры.
(Пpllмеры: Не Nе-, Не-Сd лазеры, лазеры на ионах инертных rазов),
или происходит в проточной системе (аксиальной или поперечной).
Пример. 'COo. . KrF+-лазеры.
Давление rаза, как правило, достиrает РG==107-2.10 З Па.
Исключения: ТЕА С0 2 -лазер с PG 105 Па, лазер BblcoKoro давле-
ния с электрическим или оптическим возбуждением PG== (17-5).)06 Па,
эксимерный лазер.
2
1
5'
J
Рис. 2.46. Конструкция rазовоrо лазера:
I лазерная трубка (длнна актнвной зовы 1, дваметр d), закрытая окнами. уста.
ноиленными под уrлом БРl!)стера; 2 зеркало лазериоrо резоиатора (полностью
отражающее); 8 зерка.ло лазерноrо резонатора (полупрозрачное. примерио 2
30 %); 4 источник питання; 5 смесь rазов
Охлаждение rаза, т. е. от.вод тепловых потерь, происходит с по.
tdощью:
.воздушноrо охлаждения при незначительной мощности (пример:
Не Nе-лазер) ;
водяноrо охлаждения при средней и высокой мощности (примеры:
СО 2 -, Аr+ лазеры);
быстрой замены rаза при очень высокой мощности лазерноrо нзлу
чения (пример: проточиый СО 2 -лазер).
Обратная связь, необходимая для rенерации излучения, усиливае-
Moro в. активной среде, создается лазерным резонатором (2 и 3
рнс. 2.46). В простейшем случае лазерный резонатор состоит из двух
sеркал. Следует различать резонаторы с внешиими и внутренними зер-
калами.
В резонаторе с внешними зеркалами лазерная трубка заканчивается
окнами, которые обладают, во-первых, низкими потерями на частоте
пазерноrо излучения И, BO BTOpЫX, для устранения потерь при отраже
нии расположены под уrлом БрlOстера!j) относительно оси пучка
(tg !j) п, п пок;133Тель преломления материала окна). Блаrодаря
атому излучение становится линейно поляризованным.
Преимущество: возможность размещения оптических элементов
в резонаторе.
Недостаток: более высокие потери резонатора.
у лазера с внутренними лазерными зеркалами они закрывают ла-
зерную трубку вместо окон. Излучение при этом иеполяризовано.
Преимущество: незначительные потери резоиатора.
Недостаток: существует опасность разрушения зеркала под воз.
действием процессов с участием атомов среды на поверхности.
Вывод лазерноro излучения из резонатора происходит с помощью:
полупрозрачны1x зерка. (наиболее Частый способ при низкнх и сред-
них мощностях лазерноrо излучения);
дифракции на краю зеркала (неустойчивые резонаторы В лазерах
большой мощпости);
отверстия В лазерном зеркале;
отражения на прозрачной пластине, помещенной на пути лазер но-
ro пучка В резонаторе (последние два способа используются rлавным
образом в лазерах, работающих в дальней ИК-области спектра).
2.6.3. rАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ в УФ-ДИАПАЗОНЕ (17, 30]
2.6.3.1. Обзор. KorepeHTHoe излучение и УФ-диапазоне можно по-
лучнть С помощью:
rазовых лазероВ (Лmlп ))6,1 нм для Н 2 -лазера);
лазеров на красителях (Лmiп 340 нм, с удвоением частоты
Лmiп 170 нм);
умножнтелей частоты (Лm,п 38 11М).
Преимущество rазовых лазеров состоит в том, что с помощью спе-
циальных систем можно получить большое ЧIlСЛО длин волн С больши-
МИ выходными мощностями или энерl'НЯМИ и большим КПД (рис. 2.47),
1
10 б
Р.ВТ
108
106
10*
.102
Т
100
I
10 2 I
11
.
01
1.....
* * 9. * Ь
C\.IJ.... C>J Q)аr-.. s.....
:з::..; :>:: -<:><:.::...; :.::
Н H)tт
3 2 1,5
*
н
12
:>< ><;;I:; ";J
н М1
1 У,1О '5 rц 0,75
<о
:I:
....
V
\,о
"<;J
100
;)
I
,,1.:
108
106
10*
102
100
ю 2
400
I
:.1
Рис. 2.47. Выходные мощности rазовых лазероВ В УФ-области спектра
на различных длинах волн:
иепрерывный режим работы; нмпульсный режим; I'1:r. длн-
тельность импульса; 1 наиболее коротковолновое KorepeHTHoe излучение. 28.я
rармоника иеоДнмовоrо лазера; 2 lIазерные средЫ; 3 вакуумный УФ; 4 квар-
цевый УФ
Прl:l этом вынуждениое излучение происходит на переходах между
электронными уровнями:
ионизированных атомов в различных ионнзационных состояниях
(между 154,8 и 400 нм, например, в Ne, Ar, Kr, Хе, CI, F, С, О, N, В,
S. РЬ, и Cd), при этом возбуждеиие происходит в результате Ilеупру-
rих столкновений с электронамн в импульсных сильноточиых разрядах
низкоrо давления (давление Pa 0,3715 Па, плотность тока i""
100A/cM2) за счет ПрЯМОl'О возбуждения (A+e A+'+e +e ), CTY
пенчатых процессов (A+e A++e +e A+'+e +e ) и каскадных
излучательных пронессов.
[Исключение: в Не,Сd лазере возбуждение перехода Cd+ на длине
волны 325 нм происходнт под воздействием ионизации Пенинrа
НЕ' (2 51) + Cd (180) Не (1 150) + cd +(20.3[2) + e' ];
нейтральных молекул за счет Ьоuпd,Ьоuпd-переходов (связанно.
связанные переходы, т. е. верхний и нижний лазерные уровни принад-
лежат связывающим термам, например, в Н2, НО, 02 СО, N 2 ), а также
Ьоuпd-frее-переходов (связанно-свободные переходы, т. е. молекулы
стабильны только в возбужденном состоянии и лазерный переход пере-
водит молекулу в разлет ное состояние, в континуум).
Важными молекулами этоrо вида являются возбужденные молеку
лы инертноrо rаза (Эl(симеры) Ar;, Kr;, Хе;, а также rалоrениды
инертноrо rаза (эксиплексы) ArF*, KrF*, XeF*, KrCI*, ХеСl*, XeBr, прн
этом возбуждение происходит при неупруrих столкновениях частиц rаза
и эле'КТРОНОВ с помощью релятивистских электронных пучков (в Хе;.
KrF*, Н2, N 2 ), несамостоятельноrо rазовоrо разряда, управляемоrо
ЭЛ" Тр НiНЫМ пучком (в KrF*), самостоятельноrо импульсноro сильно-
точноrо разряда (в KrF*, Н2, N 2 ).
Из-за малоrо времени жнзнн BepxHero лазерноrо уровня в системах
с большим временем жизни нижнеrо уровия (например, в Н2, N 2 ) воз-
буждение должно пронсходить достаточно быстро, чтобы получить ин-
версию заселенностей.
т а б л и ц а 2.20. Физико технические параметры N2 и Н2 лазеров
Параметр
N.-лазер
Н.-лазер
Длииа волны, нм
337,1
116 123,
160
Импульсный
5.1O 3,
максималь-
но 1 (с 02)
5.1O з
0,5
Режим работы
Мощность в импульсе, мВт
Импульсный
O,5 5
Энерrия импульса излучения,
мДж
ДЛИlельность импульса, ис
Частота повторения импульсов,
ru
1 10
O,I IO
Отпаянный: 100, быст'
рая замена rаза:
5.103
100 105
Воздух, быстрая прокач-
ка rаза
(O,30 2) .104
Давление rаза, Па
Охлаждение
2.6.3.2. Водородный ("2- )ла ер. Н 2 -лазер является МОЩНЫМ им-
пульсным лазером IJ Ва!(УУМНОМ УФ-диапазоне длин волн на наибо-
лее короткой ДОСТИI-аемоЙ в этой области длине ВОЛНЫ (л 1 16,1 нм)
с длительностью импульса меньше 1 нс (рис. 2.48 и табл. 2.20).
<о
"'8
цj
13 12
11 10
9 g
7
6 1
5" Х /:9 20
4 Meтa
з' стаоuль-
2 ный 10
14
1 С ''Л U
I 3
89
67
45
23
О 1
110
100
90
80
70
;к
ба ';:!.
цj'
50
40
30
о
Рис. 2.48. Схема энерrетпческих уровней Н 2 -лазера (1: время релакса-
ции; X1l:t. B'!:t, С'Пи электронные состояния молекулы Н 2 с на-
ложеИI1ЫМИ колебательными состояниями)
в ' Е :;
12
12
1 l' ' о
1 I
1 1
1 1 '("'о,8НС I I
I 1 1
I
I I 1
I 1 1
1 I 1
1 I
",1 I 1
:!: 1
"'1) &с:, '"
::;,,1 1 "'-;- I :t
I .'"
,'1 1 "" I
I\JI 1 "'...: 1 g;
1 I "'<о 1
1 1 &
<.:> 1
1 1 1
-1
1
I 11
i 11
11
По конструктивному исполнению и лринципу действия Н 2 -лазер
аналоrичен азотному лазеру (см. подраздел 2.6.3.3). Укажем лишь две
особенности:
во-первых, необходимо существенно более короткое время возбуж-
дения по сравнению с N 2 -лазером, и, во-вторых, расстояние, проходи-
мое светом (пока инверсия заселенностей полностью не исчезла) [ор!
",,24 см;
далее излученне поrлощается средой. Для Н 2 -лазера с длиной [>
>lop! необходимо устройство беrущей BO.'lHbl, в котором электрическое
lюзбуждение распространяется со скоростью света через среду.
2_6.3.3. Дзотиый (N 2 -),"азер. N 2 -лазер является высокомощным ла-
зером в УФ-диапазоне с коротким временем нарастания импульса или
короткой длительностью импульса, а также с высокой частотой следо-
10
-;:
х:
r-.,
""
fi
со;
х:::.
4
2
11
о
Т а б л 11 Ц а 2.21. Физико-технические параметры коммерческих
импульсных N2 лазеров
,
' . ИМПУJ]Ь .Частота
Энерr.,я НОСТЬ свая МОЩ, СJlедова.
ТНП Иаffiтовнтель ИМПУJIьса, импульса, НОСТЬ, иия ИМ
мДж НС . "Вт пу JIbCOB.
['ц
лrИ 502 ( СССР) 0,12 6 8 15 1 1000
IGL 300 /2 ZWG (rдр) 0,9 2,5 300 400 1O 100
UV24 Фирма Mo1ectron 9 10 900 50
(США)
о
nания импульсов (табл. 2.20 и 2.21). Этот' лазер находит разнообразное
применение в качестве источника света накачки для лазера на красите-
ле, в спектроскопии, фотохимии, а также при микрообработке.
Лазерное излучение на длине волны л 337,1 нм получается при пе-
реходе между колебательными уровнями различных электронных сос-
тояний в триплетной системе нейтральноrо молекулярноrо азота (вто-
рая положительная система): С 3 П".о+В 3 П g (рис. 2.49). Заселение верх-
"О 1 9 0'
11
11 С 3 1['и 80'
1
11 337,1 нм 70
,8 11 315,9
11 357, 7нм 60
IIYz40 831['9 АЗЕ'"
11 не 9 .
11 50
II' S" lLk
II 32
I11 10 40
11 flазерные Линии
'4- 11 БОлижнем
11 ИК аиапаЗ0Не. 3О'
J тт i :'
11 х 1 Е
11
t I 9
Рис. 2.49. Схема энерrетических уровней N 2 -Л2зера (1: время релакса-
ции)
flero лазерноrо уровня (СЗП,,) происходит при столкновениях с элект-
Роиами со средней энерrией примерно 15 эВ из OCHoBHoro состояния
X.I : в rазовом разряде. Из-за незначительноrо времени жизни верхне-
ro лазерноrо уровня (около 40 нс) инверсия заселенностей достиrается
ТОЛЬКО при возбуждении короткими импульсами (..;:15 ис), Возможная
длительность лазерноrо излучения составляет меньше 20 нс. Поскольку
в.ремя жизни нижнето метастабильноrо уровня В 3 П g составляет при
мерно 10 мкс, а за счет подвода эиерrии с более высоких возбужден-
ных уровней N 2 или за счет столкновеиий с друrими молекулами может
быть до 10 мс, то максимальная частота следования импульсов COCTaB
ляет примерно 100 rц. Более высокая частота следования импульсов
лазерноrо излучения требует быстрой замены rаза. Для достижения
более высоких энерrий в импульсе требуется большая электрическая
мощность возбуждения. Усиление малоrо сиrнала достиrает g-:;.,.
-:;.,.340 дБ/м, блаrодаря чему вся ииверсная заселеииость сиимается в од-
ном проходе: N 2 -лазер может работать без резонатора как излучатель
без обратной связи (сверхизлучатель). Возбуждение активной среды
происходит в очень быстрых сильноточных разрядах в коаксиальных
и полосковых системах (рис. 2.50).
(
50 БООнВ
1
( .
у)
/
2
'7
"
а)
J I
- I I
, iU т , 00 uв,:Jтuщ
о!
, :
3
4
J
ф
В}
Рис. 2.50. Схематическое изображение конструкции N2 лазера:
а коаксиалыюе возбуждение; б возбуждение с помощью полосковой системЫ
{тенератор Блюмляйна) ; 8 возбуждение электронным пучком (в частности, для
Н. лазера); 1 накопитеЛь энерrии: 2 100 %-ное зеркало; 3 лазерная трубка;
4 источник электроиноrо пучка; 5 охлаждающая вода
2.6.3.4. Эксимерные лазеры. Из класса эксимерных наиболее важны
лазеры на I'алоrеllидах ииертиых rазов*. Они ЯВЛilЮТСЯ высокомощны-
МИ импульсными лазерами в УФ llИапазоне длин воли с большими
зиерrиями в отдельном импульсе и высокой частотой следоваиия им
пульсов при отиосительно большой длительности импульсов (больше
100нс) и высоким КПД (J 10 %) (табл. 2.22 2.24). Эти лазеры иа
ходят применение в фОТОЛИТOl'рафии, в качестве источника света накач
\<И для лазеров на красителях, а также в управляемом лазерном тер-
моядерном синтезе. Лазерное излучеиие в ЭКСИПJlексах основано на пе,
реходах из связаиноrо состояния в свободное, например KrF (рис, 2.51),
Е,зВ
Эксиплекс
KrF*
Атомы Kr+ F
Kr"'+F
5
о
1
I
I
::>-1
I
1
:;; 1
"" I
c::. 1
",1
"'1
:%1
Kr+F
1 2 3 f;. 5" 6
МеЖ7JяrJерное расстояние, 10 8 см
Рис. 2.51. Схема энерrстических уровней KrF*-лазера (1: время релак-
сации)
между стабильным молекулярным состоянием B2l:1/2 и нестабильиым
основным состоянием X 2 l: 1 / 2 . Из-за KopoTKoro времени диссоциации
молекулы в основном состоянии 'L' Diss "'" 1 0 12 С нижнее лазерное сос-
тояиие всеrда не заселено. Поэтому при возбуждении электронным
лучком или несамостоятельным rаЗОЕЫМ разрядом, управляемым элект
роиным пучком, возможны относительно большие времена накачки
(1: pump <: 1 мкс) И достиrается высокий КПД. При использовании само-
Стоятельных разрядов при давлениях PG> 105 Па необходимы короткие
импульсы накаЧКI! меньше 150 нс для предотвращения образования
искры.
Лазеры на трехатомных эксимерах (Хе 2 Сl*, K 2 F*, Xe2Br*) и XeF*-
лазер обеспечивают большую перестройку частоты (6"-"",50+80 нм).
Сжатие импульса света можно получить, использовав ВКР-назад, оп-
тичеСlюе уплотнение (шuШр1ехiпg) и синхронизацию мод.
'" Лазеры, работающие с эксиплексами, также называются экси
мериыми лазерами.
Т а б л и ц а 2:22. Сопоставление'ЗI!('имер-ных лазеров
Активная Длнна
, Тип среда нолиы: Приме'!ан""
им
Эксимеры м; 126,1 ) H ,"' кпд
Kr; 145,7
Хе; 172,2
эксиплексы ArF* 193,0 ) >т щ. Максим<льная ,,;нс'р-
KrF* 248 ный КПД rия в ИМПУЛl:!се бо-
XeCl'" 308 лее 300 Дж, при-
XeF'" 351 мерио 1 Дж в прос-
352 том устроцств;,
ArC1'" 170 1 Энерrия в импульсе 100 мДж,
KrC1'" 222 J незначнтельная аrрессивность
XeBr* 282 rалоr нидов
Три меры Kr 2Р 430 } Широкие полосы флуоресцен
Xe 2 Bt* 445 ции (6л 70 нм): перестраи
Хе 2 Сl '" 520 ваемая частота
Т а б л и ц а 2.23. Физико технические параметры аксимерных лазеров
на rалоrенидах инертных rазов и rалоrеНИДах ртути
Параметр
I(r F* -лазер
Хе;.лазер
Длина' волны, нм
Режим работы
Давление rаза, Па
Метод накачки
Энерrия в импулЬсе,
Дж
Длительность импуль-
са, не
Частота повторения
импульсов, ru
Средняя мощность,
ВТ
КПД %
172
248
Импульсный
(1 6).1
Импульсный
1,7.106
Электро/UfЫЙ
пучок
Разряд, управ
ляемый эл{'кт
ронным пучком
СaJ\юстоятель
ный rазовый
разряд
8 О, 1 350 0,1 1
60 20 1 ()3 15 30
Одиночные Одииочные 1()З
100
2,5
10
Продолженuе1абл. 23
Параме-rр
XeCl-лаэер
HgBr Jlазер
Длина волны, им 308 502
Режим работы ИМЦУJI.bсиый Импульсный
Давлеиие rаза, Па 0,3.108 О,2.1()6
Метод накачки Самостоятельный "азовый Самостоятельный
равряд rазовый разряд
Энерrия в импульсе, 0.1 5
Дж
Длительность импуль- 5O 200 90
са, не
Частота повторения 103 1O
нмпульсов, ru
Средняя мощность, 100
ВТ
КПД % 0.7 6
т а б л и ц а 2.24. Физико технические параметры коммерческих
аксимерныx лазеров
I Длитель- Частота
I i1эrотовитель Лазерная Энерrия насть им- повторе-
Тип среда в импуль- 'fIулЬсэ, ИИЯ ИМ
се. мДж Не ПУЛЬСОБ..
rц
Ема 1О2Е Фирма LашЬdа KrF' 250 16 O,l foo
P11ysik, Фрr ХеС\' 150 6 40 O.l loo
Ема 20Ш То же KrF* 1000 :16 0 25
ХеС\' 500 6 40 0 25
ТЕ 260 2 Фирма Lшпопiсs, ArP 375 10 5
Канада КТР" 325 10 5-
ТЕ 860 ! То же KrF* 250 12 150
При накач!{е электронными пучками преобладает процесс возбуж-
дения:
e + Kr -+ КТ+ + 2e ; e + F 2 -+ F + F ;
F + КТ+ + м .... КтР' + м,
rде М обозначает необходимую для трехчастичной рекомбинации час-
тнцу (например, леrкий инертный rаз ар!'он).
Для несамостоятельных управляемых электронным пучком или
Также самостоятельных rазовых разрядов основными являются про-
цессы
e + Kr ..... Kr" + e ;
Kr + р 2 ...... KrF" + Р,
при этом для эффективноrо образования эксиплексов, т. е. для получе-
ния достаточно БОЛЬШОI'О количества возбуждеИIIЫХ атомов, необходи
мо высокое давление l'аза: Puas> (1 +3).105 Па. Существенным про'
цессом, характеризующим потери излучения в этих лазерах, является
УФ,поrлощение, которое приводит к фотодиссоциации.
Подобную кинетику имеют rалоrениды ртути (HgC1, HgBr, HgI).
Возбуждение rалоrенидов ртути осуществляется такнми же методами,
что и rалоrеllИДОВ инертных rазов. Особое значенне имеет НgВr,лазер,
который rенерирует зеленый свет.
2.6.3.5. rелий кадмиевыЙ (He Cd )лазер. Не-Сd-лазер относится
к классу лазеров на парах металлов, работает в УФ-области спектра на
наиболее короткой rенерируемой длине волны (л 325 нм) с выходной
МОЩIЮСТЬЮ P 15 мВт. Лазер изrотавливается Iфомышленностью, ero
срок службы составляет 5000 ч [17].
Излучение лазера используется пренмущественно для возбуждення
флуоресценции в фундаментальных исследованиях, меДИUИllе 11 био,
лоrии.
2.6.4. rA30BblE ЛАЗЕРЫ в ВИДИМой СПЕКТРАЛЬНОИ
ОБЛАСТИ
2.6.4.1. Обзор. KorepeHTHoe излучение в видимой области спектра
кроме твердотельных лазеров н лазеров на красителях (см. разд. 2.5
и 2.8) MOryT давать также rазовые лазеры. Практическое значение
в этой области спектра имеют следующие типы лазеров:
Не-Nе-лазер;
ионнЫй лазер на инертных rазах (Ar+- и Кr+,лазеры) [2.27];
лазер на парах металлов (He-Cd+-, HeSe+. и Не-Си,лазерь!)
(рис. 2.52) [2.17];
фотодиссоциативный лазер (НgВr лазер) (см. подраздел 2.6.3.4).
Эти лазеры отличаются следующими характеристиками:
высокой стабильностью частоты (Не-Nе-лазер);
высокими мощностями в непрерывном режиме (ионный лазер на
инертном rазе).
Лазерные переходы это переходы между электронными ypOB
нями в:
нейтральных атомах" (Ne, Ar, Си, РЬ, Аи, т1 и Р), причем возбуж-
дение для важнейшеrо лазера ЭТОl'О типа (Не Nе-лазера) пронсходит
в непрерывном rазовом разряде НИЗI<Dl'О давления при малых ТОIШХ
(суммарное давление rаза PGesaml",,250 Па, Рне : pNe 5 : 1) путем пере-
дачи энерrии возбуждения от Не к Ne за счет столкновений BToporo
рода. Для друrих названных нейтралыIхx атомов как компонентов
активных сред возбуждение в Основном достиrается за счет электрон-
ных ударов в импульсных сильноточных разрядах низкоrо давления
(преимущественно в смесях с Не, PGesamt ...0,1 -+ 10 Па, PHe 50 Па);
ионизированных атомах (Ar. Kr, Хе. Zп, Cd, Hg, Iп, С, Si, ае, Sn,
РЬ, N, Р, As, Sb, Bi, О, S, Se, Те, Р, С1, Br, 1) преимущественно Ar+
" Кроме He-Ne- и Не-Си-лазеров на парах металлов лазеры на
нейтральиых rазах в видимой области спектра имеют малое значение.
{ '<:! В
t...;) + I +
1 I + н QJ н
:!J:; :X::r::
ШNtТf
:::1
u
.... I
нс}
:r::
аз
j2:j
1+ "" ....
t! ta
t v 10 f4 r
*,5' Ц 4
...
н
::.::
............
Н
3,75'
7,5 7
106
н
6
5
104
, т т
I !
I I
! !
I I
! I
I
I I
I
I I
! !
о I 500 IБОО 700 iI им '800
102
....
са
о:- 100
10 2
4- О
2 , 3
,..1...
4-
'5' 6 '
..\., ,..1.. ,..1...
, .
I
I
5..
I
,..1....
7
Рис. 2.52. Выходные мощностн некоторых rазовых лазеров в видимой
области спеl<тра:
непрерывный лазер; импульсный лазер; 1 лазериые среды.
2 7 диаrJазоиы спектра: прнчем 2 фиолетовый; 3 сиии/!; 4 зелеиый; 5
желты/!: 6 оранжевы/!; 7 красиый
и Ar 2 . При этом накачка ионноrо лазера на инертном- rазе (Ar"", Kr+,
Хе+) происходит за счет столкновений электронов в rазовых разрядах
низкоrо давления (Раеаот! -= 1 + 100 Па), в то время как накачка лазера
на парах металлов происходит путем ионизации с переносом заряда
или иоиизации Пеннинrа в импульсных или непрерывных rазовых раз-
рядах (с большими или малыми токами) преимущественио в смеси
Не (POesamt ""o,1+10 Па, РНе",,5О+10 З Па);
нейтральных молекулах (СО, N 2 ). причем возбуждение происходит
и продольных (СО) или поперечных (N 2 ) импульсных сильноточиых
разрядах при низком давленни (р Gesamt ;:: 60 Па, j"" 100 А/см 2 , длитель-
ность импульса накачки ,.",,2 мкс).
2.6.4.2. rелий-неоновый (Не-Nе-)лазер. Не-Nе-лазер может рабо-
тать в непрерывном режиме в видимой и ИК -областях спектра с ВЫХОд-
ными мощностями в диапазоне милливатт. Этот лазер отличается ие-
большими размерами, простой и надежной конструкцией при низкой
стоимости. Не-Nе-лазер наиболее часто (преимущественно в измери-
тельной технике) используется на практике, причем прежде всею при-
меняется интенсивное, хорошо коллимированное излучение, обусловлен-
ное лазерным переходом в видимой области (красный свет с /.,-=
632,8 нм), в качестве вспомоrательиоrо средства для юстировки для
оптических и механических систем, для устаноиления линии визирова-
ния и управления по лазериому лучу.
В Не-Nе-лазере возможна rенерация на мноrочисленных пер ходах
между электронными уровнями 3Si 2PJ, 3S1 3PJ и 2Si 2PJ атома
неона. Интенсивиыми переходами (рис. 2.53) являются
3s 2 ......2p4' 'Л_ 0,6328 ,мкм;:
2s 2 ......2P4' 'Jv == 1,1523 мкм;
3s 2 ...... 3p-i, 'Jv == 3,3913 мкм.
ff ,Оf;.8ЭВ Js
2 1 S 0 -=- T 2
( <8MKC) 5
I СталкнаfJения
I 2 20 рода "" 10+20 не
20 3 m l о,ОJ9ЭВ\
2 ',51 L.2 205
( ::;130MKe) I 5
I
I
I
I
I
1",
I
I
I
.1
I
I
I ""
I
<::1
I
I ;:;
1<%
I
I
J
1
Т
I
180 I
21
19
<D
'"
LJ
18
17
rелий
Неон
. :H
:5,39 мкм
д.......... 1
*
==== 10
=9,8 не
2,* мкм
0,6328 мкм
2р
1
*
10
1.5
1
1
/Iвлектронные
1 столкноfJения
11 Силь ые линии
1 0,5*..,... 0,73 мкм
1 (Пленение излучения:
/ 7:t;20He)
1
/
} ппенение l1злучения
!/Ф переходоО
(:::: 7* нм)
о
Рис. 2.53. Схема эиерrетических уровией Не-Nе-лазера
,. время релаксации)
(pG"" 130 Па;
Эти переходы сиязаны друr с друrом через общий верхний лазерный
уровень (0,6328 и 3,3919 мкм) или общий нижний лазерный уровень
(0,6328 и 1,1523 мкм).
Создание инверсии заселенностей пронсходит в электрическом ra-
зовом разряде, причем заселение верхних лазерных уровией (2s
и 3s 2 ) в основном происходит за счет неупруrих столкновений (столк-
иовеннй BToporo рода) с метастабильными атомами Не, которые воз-
буждаются непосредстиенно за счет столкновений с электронами.
Эффективные поперечные сечения столкноиеиий BToporo рода для
процессов:
Не (2 1 S 1 ) + Ne PSo) ...... Не (1150) + Ne (2s з ), (J ==O.14.IO 1Ji cм"l;
Не (2 IS o ) + Ne (ISo) ...... Не (1 1 S 0 ) + Ne (3s 2 ) , (J == 4,1. IO 16 см 2 .
Нижнее лазерное состояние 2Р4 опустошается за счет споrlТанноrо
излучения (Л,ролt.D 0.54+0,13 мкм), причем это состояние при более
высоких давлеииях rаза, очевидно, снова заселяется в результате пЛе-
нения излучения и столкновений электронов при более высоком значе-
нии плотности тока, что приводит к увеличению времени жизни до бо-
лее 20 нс. Конечный уроиень 3Р4 (для перехода 1.==3,3919 мкм) опусто-
шается только за счет спонтанноrо излучения (ЛSРоntэn ==2+ 2,4 мкм) на
уровень 1 (на этом уровне кончаются все переходы), расселение с уров-
ня Is происходит в основном в результате столкновений со стенкой.
Соответственно этому коэффициент усиления слабоrо сиrнала g силь-
но зависит от диаметра трубки d. Имеет место соотношение g d 1 для
d== 1 +5 мм. Кроме Toro, усиление слабоrо СИrIщла g в зиачительной
степени определяется свойствами rазовоrо разряда, давлением rаза,
соотношеиием компонентов смеси и плотностью тока. Справедливы сде-
дующие соотиошения для давлений РНе И PNe:
. ( 10: 1 для перехода 2s i ...... 2pJ;
Р . р == (5 1): 1 ддя переходов 3s 2 ...... 3РЛ
Не. Ne
3s 2 ...... 2pJ.
Оптимальное давление rаза р G для максимальноrо усиления, вооб-
ще rоворя, определяется диаметром трубки d: роа,.,.530. Для соответ
ствующей оптимальиой плотности тока J opt имеем J optdl/4"" 10 [Ро' Па;
d,MM; Jopt, MAjCM 2 1, причем обычно J oPt ==O,05+0,5 AjCM 2 .
Связь между оптимальным усилением слабоro сиrнала gopt и диа-
метром трубки d (меньше 3 мм) определяется соотиошением
{ 0,24 M 1 для 1.==0,6328 мкм;
gopt d (мм) = 1,24 M 1 дЛЯ 1.== 1,1523 мкм.
Для Не-Nе-лазера тнпичны следующие значеиия коэффициентов усиле-
иия:
g 0,5 M 1 дЛЯ 1.==0,6328 МI<М;
g:::::: 4 M 1 для Л == 1,1523 мкм;
g:::::: 100 M 1 для 1.==3,3913 мкм.
Из-за относительно небольшоrо коэффициента усиления на длине
волны 1.==0,6328 мкм для Не-Nе-лазера при более высокой мощности
(более 50 мВт) иеобходимы или дополнительные меры (поrлощающая
ячейка) для подавлеиия перехода на длине волны л 3,3913 мкм, или
большие длины [ для разрядной трубкн, [>1 м, обычно [==10+150 см
(рис. 2.54).
При применении изотопа rелия ЗНе из-за более высокой относи-
тельной скорости между атомами ЗНе и Ne повышается скорость обме-
на энерrией н тем самым усиление на длнне волны л О,6328 мкм на
25 %. Тоrда ДЛИНУ разрядноrо промежутка можно уменьшить до
1..,.5 см.
Свойства излучения Не--Nе-лазера (табл. 2.25) типичпы для rазо--
Boro лазера и характеризуются большой длиной коrерентиости, хоро-
шим качеством пучка, эффектом «выжиrапия дырок» И лэмбовским
провалом (см. подраздел 2.1.4.1). При возбуждении мноrих мод резо-
1
7
2
/
,
:
+
ff
Рис. 2.54. Схематическое изображеиие конструкции Не-Nс-лазера:
1 юстируемая оправа зеркала; 2 проставка (инвар); 3 окно, установленное
под уrлом Брюстера; 4 катод; 5 источник питания (неСКОJlЬКО КИЛОВOJIьт; 5
20 мА); б разрядный стеклянный капилляр; 7 анод
т а б л и ц а 2.25. Физико технические параметры Не Nе лазера
Параметр
ЗнаЧение
Длина волиы, мкм
Режим работы
Выходная мощность, мВт
fазовая смесь
Давлеиие rаза, Па
Диаметр лазерноrо пучка, мм
Расходимость Пучка, мрад
КПД,%
Срок службы отпаянной лазерной
трубкн, ч
0,5435; 0,6326; 1,1523; 3,3913
Непрерывный
O,5 50
РНе' PNe==(5:7): 1
270
2
0,5
0,1
(4 20).103
натора происходит равномерное (почтн) умеиьшение кривой (иеодио-
родной) усиления. При достаточно широкополосных лазерных зерка-
лах Не-Nе-лазер может rенерировать одновременно на иескольких дли--
нах волн. fенерацию на более слабых лазерных переходах (например,
"' O,5940; 0,6118; 0,7305 мкм и др.) можно получить только с помощью
частотио-селектиипых элементов в резоиаторе. В Не-Nе-лазере до сих
пор была достиrнута самая высокая стабильиость частоты v/I1v
10[4+ 1015, Отсюда следует ИОЗМОЖность применения Не-Nе-лазера
в качестве стандарта частоты. Этот тип лазера используется преиму-
щественно в качестве вспомоrателыюrо средства для юстировки, изме-
рения длин, в интерферометрии, для нзмерения скорости, измерения
про филей поверхностей и шероховатостеЙ, rолоrрафии, оптической обра-
ботки даиных и при исследоваииях процессов рассеяния света.
Не-Nе-лазеры уже давно выпускаются промышленностью
(табл.2.26).
Т а б л и ц а 2.26. Физико технические параметры коммерческих
непрерывных Не Nе-лазеров (в режиме ТЕМоо.моды)
,.; :>;
... 0.:>;
"
о ...
QJ .
Тип Изrотовитель '" :>;'" ПримеqаllИЯ
S"... ",'"
HN 25 >2 0,5 Юстировочный
Jc", Zeiss, Иена, лазер
HNA 188 S rдр ) ОДПО","О'ПЫ'
>50 1 ,6 лазер
стабильность
119 Stabilite Фирма 1ectra 0,1 0,1 ::1::75 мrц/сут
Physics, СШ (без реrулировки)
2.6.4.3. Ионный лазер на инертном rазе. Ионные лазеры tlа шrерт-
ном rазе [33] мощные непрерывные лазеры в ВIIДИМОЙ области спект-
р:" с ВLIХiJДiЮЙ мощностью O,5 20 Вт. Они rенерируют лазерное излу-
чение на мноrочисленных длинах волн от Уф- до ближией ИК-области
спектра. КПД ионных лазеров достиrает примерно 0,1 %. Большое зна-
чение имеют ионный арrоновыЙ лазер, ионный криптоновый лазер,
а также лазер на смеси rазов с aproHoBbJM и криптоиоlJыM наполнением.
Эти лазеры применяются в качестве источника света накачки для ла-
зеров на красителях, в rолоrрафии, измерительной технике, при обра-
ботке данных 11 записи в память, телевизионной технике (дисплей),
диаrностике плазмы, в медицине и обработке матерналов.
Лазерное излучение возникает при переходах между возбужден-
ными уровнями однократно или миоrократно ионизованиых атомов
инертноrо rаза, преимуществеино однократно ионизованных ионов
aproHa (Ar+) и иоиов криптона (Kr+). Верхний лазерныЙ уровень пред-
ставляет электрониое состоянне rруппы 4р, нижний лазерныЙ уровень
электронное состояние rруппы 4s (рис. 2.55).
Заселение верхиеrо лазерноrо уровня происходит за счет:
электронноrо удара из OCHoBHoro состояния нейтральноrо атома при
импульсном ВО'iбуждении с ВЫСО[{QЙ напряженностью поля E/p
""4+8 В/(см.Па), мощность нмпульса лазерноrо излучения пропор-
циональна плотности то[{а; типичные параметры суммарное давление
PGesamt 7 Па, днаметр трубки d",,5 мм, снла тока /:>100+200 А;
двухступенчатых электронных столкновений в сильноточном дуrо-
вом разряде при низком давлении (J""100+1000 А/см', PGesam!
""'70 Па, d""2,5 мм) в непрерывном режиме.
При первом электронном ударе образуются иоиы инертноrо rаза
в основиом состоянии, которые в результате BToporo электронноrо уда-
ра непосредственно возбуждаются на верхний лазериыЙ уровень.
ОПУСТQшение нижнеrо лазерноrо уровия происходит за счет спон
таиноrо излучения (11,,,,,72 нм). При .достаточио высоких плотностях TO
-ка возбуждение нижнеrо лазерноrо уровня может происходить за счет
электрониых столкиовениЙ, что обусловливает эффективио большее
время жизни этоrо уровня.
;]5,8
4p2So 1/2
;]5',6 p2po{f
1. 2 0 013/2
-;р ts/Z
;]5," { 1/2
" p oO 3/2
5/2
7/2
;]5,2
аз 33,0
n 32,9
Lu
;]2,8
16,0
15,9
15,8
15,7
О
11
11
11 ":::7,5нс
т T-r",9,1НС j 257
I I 4s2P { 1/2 265 .$:
II J/2 /А 265
" I 1 ./ j ",O,J6HC IJ.J
он 4 . 72'M ::
1 1 1/2
11' 128
1 1 . Ar+ ;]p!i 2 р О
О. . Щ 127
ОСНО ное cocтo
янце иона
I
I
1
П
"
" 11
(U 11
11
289
288
287
286
285
"57,9 нм
't-76,5
"96,5
"88,О
_ 51't,5HM
28ч
:::r
'"
'"
.'"
Q.
126
Ar
о
Рис. 2.55. Схема энерrетических уровней' aproHoBoro ионноrо лазера (не-
прерывноrо) ('t время релаксаuии)
Инверсная заселенность и тем самым коэффициент усиления и вы-
ходная мощность при непрерывном возбуждении увеличиваются квад-
ратично с плотностью тока: Рсл]2.
Максимальная плотность тока J составляет примерно несколько
103 А/см 2 ; оиа оrраничена допустимой наrрузкой на разрядную трубку.
Материалы стенок разрядной трубки должны обладать высокой теп
лопроводностью и стойкостью к распылению при воздействии иоиов
(приrодными материалами являются rрафит, ВеО). Оптнмальной яв-
ляется сеrментированная конструкция разрядноrо канала из дисков из
вольфрама внутрн [{ерамическоЙ трубки.
Особенности конструкции заключаются в следующем (рис. 2.56):
наличие трубкн для обратиой подачн rаза, через которую rаз может
поступать обратно к катоду; это необходимо при непрерывном режи-
ме потому, что электроны передают большую часть cBoero аксиальноrо
Рис. 2.56. Схематическое изображение устройства ионноro aproHOBoro
лазера:
J охлаждающая вода (дистиллированная); 2 обводиой канал; 3 rазоразряд-
B!:.:f:: ri:ёiНВЛ; 4 катод; 5 ИСТОЧНИК тока для созд.ания маrнитиоrо поля; 6
эirектромаrнитиая катушка; 7 источни" тока для разряда; 8 диски из rpa.
фита или ВеО (сеrмеитированный лазер); 9 анод
т а б л и ц а 2.27. Физико--технические параметры и6иных лазеров
на инеРТIfОМ rазе
Параметр
Ar+ -лазер
Кr+ -лазер
I дс+ +Kr+ -лазер
Диапазон длин волн,
нм
Мощиость, Вт'
Наполнеиие rаза
Давлеиие rаза, Па
Режим работы
Накачка
454,5 528,1,
10 линий
0,5 20
Ar, 100 %
1,3 130
Непрерывный
ДУl'OвоЙ разряд
постоянноrо
тока
(2Б 40).
(200 300)"
азрядиый ток, А
Диаметр трубки, мм
КПД %
* Для малых диаметров.
*. Для большнх днаметров.
406,1 199,3,
13 линий
O,5 20
Kr, 100 %
1,3 130
Непрерывный
Дуrовон разряд
постоянноro
тока
(25 40).
(200 300)*
1 1O
0,1
4OO 800,
5 линий
O,1 2
PAr: P Kr==I:3
1,3 130
НепрерывныЙ
Дуrовой разряд
постоянноrо
тока
(25 40).
(200 300)"
импульса атомам нейтральиоro rаза, которые дрейфуют в направлении
анода и обусловливают, таким образом, заметную разность давлениЙ
в пространстве между анодом и катодом;
аксиа.'lЬное маrнитное поле образуется с помощью катушки BOKpyr
разрядной трубки, Н"'" (2,4+8) .104 А/м, при этом повышается эффек-
тивность накачки за счет снижения наrрузкн на стеику.
Излучение непрерывноrо ионноrо лазера на инертиом rазе (табл.
2.27 и 2.28) характеризуется рядом иитенсивных линий, которые не-
трудно разделить с помощью чзстотно селективных элементов.
т а б л и ц а 2.28. Физико технические параметры коммерческих ионных
лазеров на инертном rазе
Тип
ИЭfотовитель
I rаз
I мощиость" Диаметр
Вт пучка. мм
ILA 120 } Комбинат НП Carl Ze- Ar 3 1,5
ILK 120 Kr 0(' 1,5
iss, Иена, r ДР ,Q
ILA 190 Ar 10 1,5
Innova 9O 5 } Фирма CoheI'ent, США Ar 5 1,2
СR ЗООК Kr 2 1,6
17l 19 } Фирма Spectra Physics, Ar 20,5 1,58
165.:...01 США Kr 1,5 1,25
I
Особенности модовой структуры (для случая ионноrо aproHoBoro
лазера): лазерные переходы сильно неоднородно и ОДIIОрОДНО ушире-
ны, . а также характеризуются эффектом Доплера (доплеровская шири-
на бv D з,5 rrц), дреЙфом ионов (блаrодаря этому профиль усиления
расЩепляется на две доплеровские [(ривые с интервалом vi"",500 мrц;
скорость дрейфа ионов Vi"'" 102 м/с); большой однородной шириной ли-
нин, бvл 460+800 мrц, обусловленной штарковским уширением вслед
CTBI-Ie высокой плотности электронов, пе"'" 1014 смз. естествеиная шири-
на линии бvп 460 М[ц;
. при межмодовом интервале VM 125 мrц (длина резонатора
120' см) MHoro мод усиливается одновременно, что обусловливает силь
ную коикуренцию мод и прнводит К сильным флуктуациям амплитуды
поля излучения. Вблизи пороrа возможен устойчивый одиомодовыЙ,
а также двухмодовыЙ режимы.
Модуляция ионноrо лазера возможна с помощью:
cavity dшnрiпg (разrрузки резонатора) (Р Iтр \0---;-..50 Вт, дли-
тельность импульса Тр"'" 15 IIС);
синхронизации мод (Р tшр "'" 100 Вт, Т р ""'200 нс, интервал между им-
пульсами составляет примерно 1 нс);
комбинированной синхронизации мод с разrрузкой резонатора
(Тр""'0,5 нс, частота следования импульсов: одиночный импульс до не-
скольких мrц).
2.6.4.4. Лазеры на парах металлов. Лазеры на парах металлов
[171 rенерируют на большом числе волн в видимой области спектра.
Непрерывно работающие лазеры на парах металлов (важнейшими ла-
зерами этоrо типа являются He-Cd- и Не-Sе-лазеры) по своим энерrе-
тическим параметрам в основном соответствуют Не Nе-лазеру. Часть
5
*
3
се
'"
'LJ
2
3/2
5/2
о
а)
J 1/2
3/2
/2
3/2
1/2
'" :х:
"" ""
<:5'
1;; '"
Си
reпuu
.().
I I 3/2
2'So 1/2
20 "2"351 ....
-1' 1'- .......
1 .......
1
1
I
I
I
'
't:>1
';"1
\"1
I
1
I
I
1
J.
т1
1 I
I I
....1
ТТ
1 1
I I
I I
чр"Рf 't0
22
Кадмии
180
4 Р 2р' ]'
30
I
I
I
1
1
I
I
:"1
" 1
cu 1
I
1
I
I
1
I
I
I
18
J
бр2Рf
160
J
3/2
1/2
$.
LЦ 16
20LЦ
1ч
*$22])1'
10
4S 2 S ' / 2 О
8,99 [
J
б)
140
7: 810 не
325,0 нМ
4lr1,6нм
5р2р;
::;:
120 цj
7:<::2,19 не
'[;z5,07ис
1. 1! + 2 1{2
I ТОснобное cocтo
ru яни' ".на
",:::!"
'-:t:>
'" Cd
100
У2,,,
1 0
Рис. 2.51. Схема энерrетическнх уровнеЙ. Не Сu-лазера (а) н Не Сd+ лазера (6) (1: время релаксации)
лазеров на парах металлов работает 1'олько в импульсном режиме
важнейшим представителем этоrо класса лазеров является Не-Си-ла-
зер. Длительность лазерноrо импульса составляет несколько 100 ис,
а нмпульсная мощность не превышает 500 кВт.
Лазеры на парах металлов применяются в репродукциоиной тех-
нике, проекционноЙ микроскопии, при обработке материалов, в rоло-
rрафии, .при возбуждеиии излучения флуоресценции в спектроскопии,
в качестве контрольноrо света для Медицинских целей, а также в ка-
честве источника света накачки для лазеров на красителях.
Лазерные переходы это переходы между электронными уровня-
ми в нейтральных или нонизованных парах (рис. 2.57). Возбуждение
паров металла происходит в непрерывном иди импульсном rазовом
разряде, к которому для поддержання разряда добавляется в большом
избытке Не в качестве буферноrо rаза. Пар металлов образуется
(рис. 2.58) за счет и парения чистоrо материала, Т"" 1800+2300 К для
п
1 tz}
cr 4 1 П
t р}
65' 4- J
ff
)
+
Рис. 2.58. Схематическое изображение конструкции лазера на парах ме-
талла:
а с несколькими источннками парОБ металла: б перенос парОБ металла С rlO
мощью катафореза; в разряд В полом катоде с зазором; 1 ЗапасЫ металла;
2 поток паров металла от анода к катоду; 3 конденсатор; 4 охлаждающее
вещество; 5 металл: б наrреватель
Си, диссоциации металлнческих соединеиий (rалоrениды, оксиды, ор-
rанические соедииения). Т",,700+800 К, однако при этом КПД полу-
чается иизким.
Давление rелия должно быть достаточно высоким, а разрядизя
трубка должиа находиться при одинаковой температуре, чтобы избе-
жать конденсации пара металла на окнах трубки, установленных под
уrлом Брюстера.
Создание инверсии заселенностей в разряде происходит тоrда не-
посредственно путем:
возбу-ждения электронным ударом, что типично для нейтральноrо
атома металлов Си, РЬ, Аи, Са, Sr, Мп; нижиий лазерный уровень яв
ляется мета стабильным, так что rенерация лазера обрывается после за
селения этоrо уровня, длительность импульса составляет 5 50 нс; .
соударений BToporo рода с возбужденными атомами Не, при этом
аТ,ОМ металла ионизируется и одновременно возбуждается (ИОl'!изация
Т а б л и ц а 2.29. Физико-технические пара метры лазеров на парах
металлов
Параметр He Cd+ -лазер I He-Se+ -лазер Не-Сu-лазер
Длина волны, нм 325,0; 442,0 460 653, 510,6; 578,2
20 линий
Режнм работы Непрерывный Непрерывный Импульсный
Мощность, мВт 1 15, 1O 50 О,I 1O (5 70).1()З
Импульсиая мощность, 100 500
кВт
Длительиость импульса, 1O 500
нс
Частота повторения им 1()З 1O
пульсов, [ц 0,1 0,1
КПД, % 1
Давление rаза, Па Р не ===450, Р не ==500, PHe 100--:---200,
Р Cd===o,I--:---1 P se ===O,05--:---5 РСи===1О
()х..ла Дс пн Воздух Вода . Вода
Пеннинrа), см. рис. 2.57 (типичный случай для He-Cd, He-Zn, He-Sr,
He-Sn, Не-РЬ, доминирующий процесс слаботочных и тлеющих разря
дов постоянноrо тока), или возбуждение происходит путем перезарядки
в сильноточных разрядах постоянноrо тока и в импульсных разрядах
(типичный случай для He-Se, Не-l, Не-Те).
Важнейшими лазерами на парах металлов, которые накачиваются
за счет соударений BToporo рода, являются He-Cd и Не Sе-лазеры, в то
время как Не-Си лазер является представителем класса лазеров с воз-
буждеиием электроииым ударом (табл. 2.29 и 2.30).
Т а б л и ц а 2.30. Физико--технические параметры коммерческих лазеров
на парах металлов (режим ТЕМоо.моды)
:!!
Q,:!
Лазерная Длина Средняя ..
Тип Q) .
Изrотовитель мощиость. :s'"
среда ПОЛНЫ I ИМ "'.:
мЕт ",'"
t::1:
4050uv Фирма Liconix, США He Cd+ 325 15 1,1
2003 Фирма Geotek, США He Se+ 460 653 0.1 1O 1,5
751 Фирма Plasma Кiпеtics, He Cи 510+578 70000 79
США
2.6.5. rАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ в иНФРДкРАСНОй
ОБЛАСТИ СПЕКТРА [28, 33]
2.6.5.1. Обзор. Важнейшими коrерентными источниками излучения
в ИК-области спектра являются rазовые лазеры (включая химический
лазер, Лmах 1965 МКМ), лазеры на неодимовом стекле и Nd-ИАf лазе-
ры (л 1,06 мкм) (см. разд. 2.5 и 2.5.5), полупроводниковые лазеры
(0,65 мкм <л<32 мкм, см. разд. 2.7), лазеры 'на центрах окраски
(л 2,2+2,9 мкм), а также источники излучения, основанные на мето-
дах нелинейной оптики (см. разд. 3.2). fазовые лазеры характеризуются
наряду с уже указанными в подразделе 2.6.3.1 свойствами прежде все-
ro незначительными ширинами линий и оrраниченной возможностью пе-
рестройки при высокой мощности (рис. 2.59).
Выиужденное излучение в ИК-области спектра можно получить на
переходах между:
электронными уровнями атомов в ближней ИК области спектра
(например, Не-Nе лазер и I-лазер);
колебательно-вращательными уровнями молекул в основном элект-
ронном состояиии в средней и дальней ИК-областях спектра (напри-
мер, НР-, HBr-, со- и С0 2 -лазеры, а также Н 2 О-, HCN- и SО2-лазеры);
вращательными уровнями в основном электронном состоянии в
дальней ИК-области спектра (например, нр- и СНзF-лазеры.
Создание необходимой инверсии населенностей между состояниями
происходит путем: .
электрическоrо возбуждения в непрерывных разрядах при ннзком
давлении (PGas"",50+100 Па, J"",5+50 мА{см 2 ) или нмпульсных разря-
дах при высоком давлении (PGas 105+ 106 Па, время возбуждения не
более '1 мкс a счет прямоrо возбуждения, процессов передачи энерrllИ
и каскадных процессов, при этом создание заселенностей при элеJ(ТРЯ-
ческоIv\ возбуждении за счет внутримолекулярной релаксации ВОЗМожно
только: у молекул с тремя или менее атомами;
оптической накаЧIШ в результате непосредствениоrо поrлощения
или процессов передачи энерrии, причем в качестве источников излуче-
ния ИЕКЛЮЧИТельно рассматриваются непрерывные (С0 2 -лазер низкоrо
давления) или импульсные лазеры (ТЕА лазер на С0 2 ); оптическая на-
качка, особенно целесообразна для молекулярных rазовых лазеров в
дальней ИК-области спектра и молекулярных rазовых лазеров при вы-
COKOI1 давлеиии (POas> 105 Па);
фотодиссоциации (1 -лазер);
химическоrо возбуждения, при образовании молекул или диссоциа-
ции возбужденных молекул во время химической реакции возникают
молекулы или атомы, заселенности энерrетических (лазерных) уровней
которых инвертированы [2.34] (например нр-, DF-лазеры).
2.6.5.2. Лазер на оксиде уrлерода (СО-лазер). СО-лазер является
высокомощным ИК-лазером в диапазоне длин волн 5 6 мкм, работа-
ющим в непрерывном или импульсном режимах с очень высоким КПД:
'IJ 40+50 %. Однико эффективный режим работы требует оХЛаждения
rаз до температуры Т <100 К, так что ero применение в иастоящее
время оrраиичено по сравнению с С0 2 -лазером (см. подраздел 2.6.5.3),
несмотря на сравнимые энерrетические характеристики, из за техничес-
ких соображений. В настоящее время СО-лазер при меняется в спектро-
скопии. Над ero дальнейшим совершенствованием работают Во мноrих
лабораториях различных стран [2.35].
tН з Вr ....
.;,
tI='
....
..;j-
""
""
с:::.
::
t- ....
""
t-
t-
t- t'-,j
"'>
t-
с:::.
t-
r
>(
:i:
.... "-
... '"
... <:::,
....
,....
с:::.
""t'-,j
<-..
'<>
'"
..;j-
'"'>
C\J
'(;13 H3 F ....
2H2Y2
tH ОН
'C2 2 1:
исuон .;,
- сн з F
'С Н зОН ...
ИСN >:
t'Н з О1J .....
'СНзNНz<=
...,
"'"
! aOH 5=
'СИз ОН ...
.D 2 0 ...... ....
iСНзОD{; .;,
::1
3120
\:!
'Нос!
а4
....
ft0 2
...{
....
--I
...
'"
"....
to ...{
1iBr .....{
'lIe Ne.....
ЕУ .....{
..
'"
'"
H r
..""i.... r
::t ...
Ule Ne ..... С
101:1 1012
106
10" 102
Р, Вт
100
10 2
Рис. 2.59. Выходные мощности для различных rазовых лазеров в ИI(-
области спектра:
непрерывны!! режим; импульсный режнм; / блнжни!! ИI(.
диапазон; 2 среднн!! ИI(-диапазон; 8 Дальнн!! ИI(-диапазон (ДИI(-днапазон):
4 МНКрО80ЛНЫ
Лазерное излучение реализуется на мноrих лиииях, соответствую-
щих переходам между колебательно-вращательными уровнями, кото-
рые принадлежат соседним колебательным состояниям; .Vj---+VJ I' rде j
""3'737 (рис. 2.60). При этом переходы образуют каскад, так что ииж-
НИЙ лазерный уровень для первоrо лазерноrо перехода одновременно
ЯВляется верхним лазерным уровнем следующеrо за иим лазерноrо пс-
р.ехода. Переход колебательной энерl'ИИ в кинетическую энерrию (Tell
ло) у СО в противоположность друrим двухаТОМIIЫМ молекулам (HF,
HBr, NO) происходит очень медленНо. Поэтому ква ито вый выход
у СО лазера достиrает почти 100 %.
Создание инверсии заселенностей происходит в электрическом раз-
ряде блаrодаря возбуждеиию нижнеrо колебательноro уровия СО
3 10 1S
::. Парциальная
'" 10 1';.
12 :>::% инОерсия
" :>::<>
2 10 ';:::. 10 13
са 9<::1. '"
'" 8 t:j <>а
Щ 7 ....vv u
6 I ':::' 1012
-<>",
1 5' 1::J5
4- '" I
з I :>:: '&..1011
1:::::»
2 I х 1 Е+ '"
О v О 1 7:VT 1010
О 10 20 З'о 40 50
а) б) Колебательное
хОантоОое число, v
Рис. 2.60. Схема энерrетических уровней СО лазера (а) и заселенности
колебательных уровней (6)
электронным ударом с последующим перераспределением колебатель-
иой энерrии вследствие неупруrих соударений между молекулами СО.
Таким образом, на нижних колебательных уровнях устаиавливает
ся почти больцмановское распределение, отклонение от KOToporo воз
растает на более высоких уровнях из-за анrармоничности колебаний
(и создает, следовательно, инверсную заселенность и тем больше,
чем ниже температура, см. рис. 2.60). Поэтому только при охлаждении
rаза (до температуры Т... 100 К), которое также необходимо для непре-
pbJBHoro режима, можно достиrиуть известиоrо BbJCOKoro КПД СО-ла-
зера (табл. 2.31).
Необходимые низкие Tel\inepaTypbJ rаза достиrаlОТСЯ путем:
охлаждения всей лазерной системы при стаuионарном наполнении
rаза;
охлаждения rаза в проточных системах, причем разрядная система
сохраняется при комнатноЙ температуре среды (скорость rаза меиьше
скорости звука); в настоящее время проектируются лазеры со сверхзву
ковы м потоком с непрерывной мощностыо больше 10 кВ или импульс-
ной энерrией в несколько килоджоулей.
Применяются буферные rазы (Не служит для более интенсивноrо
охлаждения rаза, N 2 уменьшает средиюю энерrию электроиов).
2.65.3. Лазер иа уrлекислом rазе (СО2 лазер). С0 2 -лазер р6, 17]
работает в средней И!<-области спектра (примерно 10 мкм) В иепрерыв-
ном и импульсном режимах. Это один из важнейших типов лазеров.
С помощью С02 лазеров достиrается максимальная непрерывная мощ
ность лазериоrо нзлучения (больше 100 кВт). Достижимы эиерrии
в импульсе как у твердотельных лазеров (свыше 10 кДж), однако при
Т а б л и ц а 2.31. Физико--техиические navaMeTpbJ co и СО2 лазеров
Параметр
СО-лазер
СО 2 -лазер
Непрерывный
Импульсный
(ТЕА)
Непрерывный Импу льсныА
Длина волны, мкм
мощиость, Вт
Энерrия в импуль
се, Дж
Длительиость им-
пульса, мкс
Частота повторе-
ния импульсов, [ц
КПД, %
Смесь rазов
Давление rаза, Па
Охлажденне
Температура ох-
ладителя, К
4,9 6,6
ю 1000
l lOOO
50
(1 2)..103
40 50
СО, N 2
40
Не, СО, 02'
103 2.104
Жидкий азот или охлаж-
дение rаза
80 270 100 300
9 11, 300 линий,
преимуществеИНQ 10,6
1 Ю 100 Ю l2
0,1 103
1O 4 105
(l 2).1{)3
5 30 5 ЗО
10 % С0 2 , 10 % N 2 ,
80 % Не
103 104 104 Ю.
Охлаждение стенки,
быстрый rаЗ00бмен
т 3 б.!:. Н Ц а 2.32. Режимы работы СОтлазера с высокой средней
мощностью
Скорость I Давление Выходная Охлаждеиие
rазоснабжеиие rаза, м/с rаза, Па МОЩНОСТЬ, за счет
I<BT
Стационарное 103 -<0,1 Диффузии
Медленная продольная 5 103 O,O5 O,5 »
прокачка 500 4.103 0,5 5
Быстрая продольная КонвеlЩИИ
прокаЧI{а I 100
Быстрая поперечная 30 150 (O,3 »
прокачка 3) .104
rазодинамический прни- 1300 104 106 >100 »
ЦIIП
т а б л и ц а 2.33. Физико технические параметры коммерческих
непрерывных СО2 лазеров
::;; .:,
0.::;;
Выходиая t; - ...
",,,,
Т.IП Изrотовитель МОЩНОСТЬ, ::;;'" :с:с::;; Примечаиня
"':.: 'i6 _
Вт :с'"
1::1:1;' 1::1:"''''
0.0.
SM 400 НП FEHA, rалле,
rдр
130 Фирма Photon Sour
ces, США
400
75
12
15
10, 8 ТЕМ 00
2 Импульсиый
лазер
Продолжение табл. 2.33
o. о
Выходная ... . ...
(1)'" "''''
ТIШ Изrотовитепь МОЩНОСТЬ :>i>< "'''':>! Примечания
Вт ",,,, "'о
"'>' ",'" .
I::ft:: I::f(l)'"
0.0.
Ever1ase Фирма Coherent, 200 600 ТЕМоо
525 США
PL 3 Фнрма Edinburgh lп- 20 6 1,78 С решеткой,
struments, Велико. перестраи-
британия ваемыД от
9,2 до 10,9
мкм
975 Фирма Spectra Phy- 5000 4.5 5,4 - Прокачка rаза
sics, США
более высокой частоте следования импульсов. Ero высокий кпд (боль-
ше 20 %) превышает кпд почти всех друrих лазеров (табл. 2.32). ПО
КПД С0 2 -лазер уступает только СО- и НF-лазерам.
В С0 2 -лазере получены самые малые (для rазовых лазеров) дли-
тельности импульсов (менее 30 пс). При непрерывном режиме с выход-
ной мощностью в несколько ватт достиrается стабильность частоты
I1у/у"'" 10 JЗ, лучше которой достиrнута стабильность частоты He-Ne.
лазера, ио при мощности толыю нескольких десятков микроватт. Кро-
ме Toro, длина волны лежит в одном из наиболее прозрачных окон
в атмосфере.
С0 2 -лазер это наиболее часто применяемый промышленный тех-
нолоrический лазер (табл. 2.33 и 2.34). Он применяется для микрооб-
Т а б л и ц а 2.34. Физические параметры коммерческих импульсных
ТЕА СО 2 -лазеров
I Эиерrня в I Пиковая I ДпнтепЫlDеть
Тип Изrотовитепь импульсе, МОЩНОСТЬ, импу пьеа, ие
Дж мЕт
TEA 103 2 Фирма Lumопiсs, 15 50 (45 1,5).104
Канада
TEA 624 То же 2000 13200 60
oo 300 Фирма Gel1 Тес, 1 2 125
Канада
работки материала, улучшения поверхности, превращения вещества
(лазерная химия, разделение изотопов. очистка материала), в спектро-
скопии, лазерной хирурrии и в управляемом лазерном термоядерном
синтезе.
Молекула С0 2 представляет собой линейную молекулу с тремя
основными типами колебаний. Лазерное излучение на длине волны при-
мерно 10 мкм возиикает при пер ходах между колебательно-враща-
тельными уровнями в основном электрониом состоянии ; с антисим-
метричноrо валеНТl'!оrо колебательноrо уровня (0001) на симметрич-
ный валеитный колебательный уровень (100 О) или на деформационный
колебательный уровень (0200). Из-за расщепления колебательных YPOB
ней иа различные вращательиые уровии молекулы С0 2 возможно боль
шое число переходов (рис. 2.61).
Заселение BepXHero лазерноrо уровня (000 1) происходит за счет:
столкиовений с электронами (в rазовых разрядах) или электрон
ными пучками;
столкновений с колебательно-возбужденными молекулами N 2 (в ка-
честве дополнительноrо fаза) или также с молекулами СО и N 2 0;
',<--
I
СтОllкноВения
Второео рооа ";.
,
(00 01) (V==1)
2349 3CM 1
зе 1\ ' t N: 6,5 МКС
:'I' (). ()'" Н:70не
O",of.'" N:1 МС
о"" o;, Н:1Омкс
O' '< '
(1000) '
1387. 8 CM 1 (0 20 О) 1
N : п 1 285,5CM "'-
.и, мке " !
1 Н: 1,3 НС 13 N:4-,5MKC ""
7 :::!: Н:4-7нс "
<;: '"
(0110)
бб7,J CM 1
! V Т релаксаu,ия:
N;30МКсl.... столКно8енl1я
H:O,JMKcj Не,Н2'Н2 0
(00.0) ОсноlJное состояние I со стенкой
О .
'%; { o c o o c o o c o
i (Y1000)""" '(ovlo) ' .....(oo )
5
(00.2 )
4
CDz
N:z1OHC
g Н;:::; 0,1 не
1:3
'"
'"
"'-
j
(2000)
2
(V==2)
800
5"00
N Z
ItOO
. (,.
:Е
300 tЧ'
200
<t:5
""
I
I
'"
н:",о,lС
100
о
N N
(У)
Рис. 2.61. Схема энеРfетических уровней С0 2 -лазера с указанием времен
релаксации [N лазер низкоrо давления (PG"'" 1 03 Па); Н лазер вы-
. COKoro давления (р"'" 105 Па); С0 2 : N 2 : He 1: 1 : 8}
оптической накачки (на длине волны накачки Лр""4,3 мкм),
химических реакций (непрерывный DF-С0 2 -лазер).
Опустошение нижнеrо лазерноrо уровия (1000) или (0200) очень
быстро происходит вследствие колебательно-колебательноrо (Y Y)
обмена, так что молекула попадает в нижнее колебательное состояние
(010), причем выравнивание заселенностей между лазерными уровнями
(1000) и (0200) происходит в течение 1O 9 10 8 с блаrодаря резоиан-
су Ферми. Опустошение колебательноrо состояния (0110) происходит
на несколько порядков медленнее по сравнению с указанным y y об
меиом, так что необходимы дОполнительные компоненты в активной
среде для достижения быстроrо опустошения уровня (0100) и тем
самым создания достаточной инверсии заселеННОf.тей. Оптимальными
компонентами являются reлий, водород и водяной пар. Соответственно
этому используется rазовый разряд со смесью из С0 2 , N 2 И Не (отно-
шения парциалыIхx давлений PCO.:PN.:PHe 1 : 1 : 8).
К уменьшению инверсии заселенностей и тем самым также усиле-
IJИЯ приводит:-
диссоциация молекул С0 2 с образованием молекул СО; 50 80 %
молекул распадается в течение 0,1 1 с;
повышение температуры rаза, что приводит к более высокому теп
ловому заселению нижнеrо лазерноrо уровня и ускореиию столкнови-
тельной релаксации BepxHero лазерноrо уровня.
Для поддержания небольших потерь применяют соответствующие
катализаторы (Pt, Н 2 , Н 2 О), которые уменьшают скорость диссоциации,
проточные системы (скорость rаза VGaB составляет несколько метров
в секунду), в которых rаз обновляется на входе в разрядную трубку,
а также охлаждеиие rаза (максимальная температура достиrает 650
700 К).
G п е Ц и а-л ь н ы е л а з еры н а у r л е к и с л о м r азе. С0 2 -л а .
з е р с н е п р еры в н ы м в о з б У ж д е н и е м (рис. 2.62). Возбужде-
ние происходит в электрическом разряде постоянноrо и перемеиноrо то.
ка. Для объема rаза V максимально отбираемая мощность лазерноrо
излучения P L равна:
P LmRx h V L VNco/TR'
rде N со, плотность молекул С0 2 на верхнем лазерном уровне; TR
время, в течение KOToporo отводятся тепловые потери (примерно 70
80 % PL); hVL I.88.10 2o Дж энерrия фотона С0 2 -лазера.
Способы охлаждения для С0 2 -лазера (см. табл. 2.31):
диффузионное охлаждение, причем теплоотвод осуществляется за
счет теплопроводности на стенки разрядной трубки, которая охлажда-
ется водой или маслом; для максимально возможиой мощности Р тВХ
для С0 2 -лазера с диффузионным охлаждсиием справедливо соотноше-
ние Pтax (50+ 80) Le, rде Р выражается в ваттах, а длина разрядноrо
промежутка Le в метрах, она ие зависит от диаметра трубки d;
мощность лазерноrо излучения не повышается с увеличением давления
rаза (Po 1,5.103 Па);
конвективное охлаждение, при этом тепловые потери отводятся за
счет быстрой прокачки rаза, в разрядную трубку поступает холодный
rаз.
Лазеры этоrо типа называются быстропроточными [12]. Для не-
npepbJBIIoro возбуждения справедливо следующее:
максимальное давление Pmax",,4.10 4 Па;
максимальная выходная мощность Р mах ",,70 кВт;
типичная выходная мощность P 1 + 25 кВт.
Коиструктивные особенности:
мноrопроходный' резонатор; для мощности больше 100 Вт приме-
няются, как правило, мноrопроходные резонаторы, чтобы иметь малую
' 2
а}
Рис. 2.62. Схематическое
изображеиие коиструкции
С0 2 "лазера непрерывноrо
действия:
а лазер иизкоrо давления
(резоиатор с изrибом оптнчес
кой оси, продольная прокачка
rаза); б быстропроточный ла-
зер с поперечной прокачкоlI;
1 охлаждающая среда
(впуск); 2 охлаждающая
среда (выход);'3 rаз (впуск);'
4 rаз (выход): 5 цнркуля-
циоиный насос; 6 тenлооб
менник; 7 впуск охлаждаю
щей воды; 8 выход охлажда
ющей поды; 9 электроды ra.
aOBoro разряда
l Fr+
4
}L
+
длину трубки; расположение разрядных трубок осуществляют парал-
лельно (наиболее часто применяемая форма) или «зиrзаrообразно»;
БЫСТРОПРОТОЧlIЫЙ лазер с замкнутым контуром для rаза; преиму-
щество TaKoro лазера состоит в иезначительном расходе rаза;
к контуру добавляется незначительное количество свежеrо rаза,
,тепло отводится с помощью системы охлаждения;
. восстановление rелия. С0 2 "лазеры без замкнутоrо коитура для ra-
за имеют высокий расход rелия (для лазера мощностью 200 Вт расход
rелия составляет 200 л/ч при нормальном давлении); реrенерация re-
лия целесообразна из экономических соображений.
И м п у л ь с и ы й С0 2 -л а з е р.. В лазере этоrо типа осуществляется
импульсное возбуждение с оrраничеиной частотой следования им пуль-
.сов v F "" 1 + 1 ОЗ [ц. Для максимальной средией мощности JS Lшах или
ЭНерrии импульса Е L справедливы зависимости
2
Р Lшах с/) N со'; E L hvN со;
Об импульсном режиме работы с помощью модуляции добротности
резонатора или синхронизации мод (mode 10сkiпg) см. 2.10.1. Наибо
лее важным типом импульсноrо COz-лазера является ТЕА лазер на С0 2
(transversely excited atmospheric pressure) с поперечным эле.ктрическим
возбуждением (табл. 2.35.), в котором давление rаза равно атмосфер-
т а б л и ц а 2.35. Физико-техиические параметры ТЕА СО 2 -лазера
с предварительиой иоиизацией
I I Электроионизациоиный/
Лазер с двойным разрядом /фотоионизационный лазер
Параметр
Плотность энерrии, 20 20 50
Дж/л 200 600
Плотность электрической
энерrии возбуждеиия,
Дж/л
КПД,% 1O 20 20
Сечение разряда, см 2 25 1000
Давление rаза, Па 1O 105 106
ному давлеиию (примерно 105 Па). Разрядная трубка в конструктив-
иом исполнении является особенно простой, возбуждеиие разряда про-
исходит в поперечном направлении к оптической оси (рис. 2.63). Для
этоrо типа лазера существенным является получение однородноrо, силь
иоточноrо разряда, причем время возбуждеиия 'tАДОЛЖНО быть мень-
ше, чем время жизни Т2 BepXHero лазерноrо уровня. ДЛЯ РО "" 105 Па
имеем Т2"" 10 мкс, ТА"';:} мкс. Для выполнения этоrо условия разрабо-
таны различные способы возбуждения:
система с короткими импульсами возбуждения: 't А .,;:50 нс; разряд
может не переходить в дуrовой режим и оСтаваться однородным, при-
меняется до Ро"" 106 Па;
системы двойиоrо разряда; предусматривается дополнительный ко-
роткий разряд между вспомоrательным и основным электродами, KO
торый создает плазменный фон, необходимый для paBHoMepHoro зажи-
r8НИя OCHoBHoro разряда; равномерное распределение напряжениости
IJОЛЯ достиrается специальным профилем для основных электродов
(профиль PoroBcKoro или Бруса);
система с внешней ионизацией активной среды с помощью реля-
тивистских электронов (энерrия 0,3 1 мэБ) или фотоионизации УФ-
излучением скользящеrо разряда.
Преимущество: создаиие иосителей заряда (ионизация) и накач-
ка ИМПУЛЬСНЫХ С0 2 -лазеров разделены, так что возможны более низ-
кие энерrии электроиов, необходимые для более эффективиоrо возбуж-
дения. Тем самым можно оптимальным образом выбирать напряжен-
J!(iIСТИ поля в основном разряде.
ТЕ - л а з е р н"а С0 2 в ы С ок О r о д а в л е н и я. При давлениях
rаза Po";;>-6.I05 Па происходит перекрытие отдельных колебательно-вра-
щательных лииий молекул С0 2 , так что образуется широкая иепрерыв-
ная полоса усиления (рис. 2.64). Это дает возможность непрерывноЙ
перестройки длин .волн в интервале от 9 до 11 мкм, а также rенерациlO
импульсов пикосекундной длительности.
.
z
' ]
+
"-40
а)
1
I:::::::=::::J
п
.2
t'
z!DDJlB
Рис. 2:63. Схематическое изображение конструкции импульсноrо СО 2 -л1\..
зера: ..
а ТЕА-лазер с поперечным тазовым разрядом. стабилизированным Электронным
пучком; б ТЕА-лазер с фотопредыонизацией; 1 источник электрониоrо пу ка
с ХОЛодным катодом; 2 ТЕА разрядная кювета BbIcoKoro давления; 3 подсое.
динеиие для BaKYYMHoro иасоса; 4 искровые промежутки . .'
в о л н о в о Д н ы й С0 2 -лазер. В этом типе лазеров раЗрЯДlIая труб-
ка выполиена в виде капиллярной трубки (d I+2 мм, l 30 см), в KO
торой происходит непрерывное или импульсное (ТЕА-) возбужпение.
'Капиллярная трубка одновременно действует в качестве волновода.
Блаrодаря этому возможно получение BbJcoKoro усиления при компакт-
ной конструкции с малыми размерами. Промышленные 80лноводные
лазеры имеют большой срок службы и дают непрерывную выхопную
мощность больше 40 Вт.
r а з о Д и н а м и ч е с к и й С0 2 -л а з е р. rазодинамические лазеры
Прииадлежат к классу мощных, непрерывно раБОТаю!дих лазеров (мощ-
Ность больше 100 кВт).
Инверсия заселенностей образуется блаrодаря тому, что смесь ra-
зов (С0 2 , N 2 , Н 2 О) С высокой температурой (1400 к) и большим дав-
лением (1,7 МПа) вытекает через св..ерхзвуковое сопло с большой ско-
РОстью (больше 4 М). Поскольку нижний лазерный уровень С0 2 ре-
ЛаRсирует сушественно быстрее, чем верхний, в направлении потока
Образуется инверсия заселенностей. Недостатком rазодинамическоrо
С02-лазера является высОКИй расход rаза примерно 14 Kr/c при
Pt '=60 кВт.
i!, мкм
11,1 11,0 10,9 10,8 10,7 10,6 10,5 1O,ft- 10,3 10,2 10,1 10,0
0,3
СО2 переход
0001.....1000
'"
'" 0,2
""
.0;::
:..,
;
.
0,1
о
'900 910 920 930 94-0 950 960 97{] 980 990 1000
1/i! 7 CM 1
Рис. 2.64. Зависимость усиления g в С0 2 от длины волны 'Л при высо-
ком давлении:
1 давление СО, р G l05 Па; 2 давленне СО, р G lОб Па; NOD1fNloo l,l [47)
2.6.5.4. Лазеры в даль ей ИК-области спектра (ДИК лазеры). Эти
лазеры работают в непрерывном или импулЬсном режимах на более
чем 500 дискретных длинах волн в диапазоне от :25 мкм до 2 мм. Одна-
ко" большая часть этих волн из-за незначительйой выходной мощности
и трудности их rенерации представляет ТОлько научный интерес. Мощ-
ные ДИК-лазеры имеют выходные мощности от 10 до 400 мВт В не-
прерывном режиме и более 1 мВт В импульсном режиме (табл. 2.36)
[38, 39].
Самая большая длина волны, которая получена до сих пор, дости-
raeT 'Л 1,96534 мм. Она получается в СНзВr-лазере (мощность в им-
пульсе F L 1 мВт, накачка происходит импульсным С0 2 -лв.зером, мощ-
ность накачки Р р "" 100 Вт, Tp 150 мкс, частота следования импульсов
Vp 120 rц). ДИК-лазеры применяются для диаrностики плазмы,
в спектроскопии твердоrо TeJla (электронный резонанс), при разделе.
нии изотопов и в технике дистанционноrо зондирования атмосферы,
измерениях частоты (сопоставление оптических частот с частотой цезие-
Boro стандарта), радиоастрономии, а также при обработке изображений
и контроле в дальней ИК-области. В ДИК-лазерах лазерные перехо-
ды имеют место между колебательно-вращательными уровнями и
вращательными уровнями различных молекул, причем возбуждение про-
исходит в rазовом разряде (NН з , Н 2 О, H 2 S, S02 И HCN) или оптиче-
ской накачкой с помощью С0 2 -лазера (для CHзF, СН з ОН, НСООН,
NН з , D 2 0).
Создание инверсии заселенностей в электрическом тлеющем разря-
Т а б л и ц а 2.36. Физико технические Щlраметры лазеров, работающих
в дальнем инфракрасном диапазоне
Параметр
Длина волны, мкм
Режим работы
Мощность (в непре
рывном режиме),
мВт
Импульсная мощ,
ность, кВт
Длительность импуль
са, мкс
КПД, %
Смесь rазов
ДавлеШlе rаза, Па
Метод возбуждения
I Н.О-лазер I D.о лазер I
I 66 I
CH.OH
лазер
HCN-
лазер
СНзF
лазер
28
111 ,8
337
496
Непрерывный или импульсный
100 400 100
40
5 17
2,5
0,7 0,7
D 2 0 СНяОН
СН з :N 2 =;=
1:1
100 500
Электри
ческий
5OO 1000
0,04
0,06
СНзF
130
Оптичес-
кий
Не:Н 2 О=;=
==1:0,14
350
Электри
ческий
270
Оптичес Оптичес
кий кий
де основано на внутримолекулярных селективных релаксационных про
ц,,;;сах, после Toro как в разряде были заселены все вращательные
уровни колебательноrо состояния. Достиrаемая инверсия заселенностей
и тем самым усиление незначительны. Интенсивная электрическая на-
качка приводит к диссоциации молекул. Инверсии з селенностей у мо-
лекул больше чем с тремя аТО"1ами получить еще не удалось.
Высокую эффективность, напротив. позволяет получить оптическая
накачка. Возбуждение происходит селективно, можно доrтиrнуть высо-
кой инверсии заселенностей и, следовательно, BbJcoKoro усиления.
Для максимально достиrаемой мощности nазерноrо излучения
PLma" при заданной мощности накачки Р р имеем
P Lmax (Лр /ЛL ) Р р /2.
(2.113)
Пример. ЛL 100 мкм; Лр 10 мкм; Pp 20 Вт, тоrда получаем
PLrnax 1 Вт.
Однако экспериментально достиrается только примерно 1 % этоrо
значения.
Оптическая накачка с помощью С0 2 -лазера позволяет осуществить
в 26 различных молекулах возбуждение больше 500 различных перехо-
дов (см. табл. 2.18).
Конструкция ДИК-лазеров отличается применением (рис. 2.65) ре-
зонаторов Фабри Перо (при электрическом возбуждении), диэлектри-
ческих и металлических ВОЛ но водных резонаторов (при оптической на-
качке), комбинированных резонаторов при использовании ла,:<ера на-
качки (при оптической накачке), резонаторов зиrзаrообразнои формы
(при оптической накачке)_
. Для вывода излучения из резонатора используются зеркало с от-
верстиями для вывода излучения, металлическая сетка (медная решет-
ка с ПОСТОЯННОй 30 мкм), комбинированные металличеСЮ1е сетки н ди-
электрическое зеркало.
Специальные лазеры в дальней Иl( области
с п е к т р а. Н 2 О л а з е р. Н 2 О-лазер работает с электроразрядной на-
качкой в непрерывном и импульсном режимах. При этом возможна rc-
нерация на большом числе лазерных линий, соответствующих колсба-
:t ИЗЛУ1/еНlIеДИf( лазера
1
/НЗЛУ11енuе ДИf( лазер«
4 5"
I
"" --\. 1J
""
о)
п
t:::? СО2. Лазер
l' 1/
I \ .\ '\ f\ " 1\ 1 \ " f\ 1\ '\ 1\ " 1\ i I 11
1 ,.' \.' V \1 V V \.' V V \1 \1 \/1/11 1 11
1, 1\ 11 А -'\ -'\ -'\ 1111 -'\ " А /\ А 1 11 ""
I I v \1 \1 V J V \1 ,} \/ V \/ 11 11.. jj I И3Л!JllеНllеДИ}f лазера
11 tf) I
. 3
'Рис. 2.65. Схематическое изображение конструкции ДИК-лазера:
а с зеркалом с отверстием для вывода излучения; б с зиrзаrообразным резо
иатором и выходным зеркалом в ВИДе металлической сетки при высокой МОЩIIО
сти; В С лазером накачки на СО 2 в общем резонаторе; 1 . окно ИЗ полистиро-
ла;. :<.,.... OK O' из', Nac!; 3 зеркало В. виде металлической сетки; 4 решетка;
5 кювета для СО2 лазера; б кювета для rазовоrо ДИК-лазера
тс.цhНО-Вр.ащательным переходам между колебательными уровнями
009-::+(020) и (001)--+(020) молекулы Н 2 О (рис. 2.66).
К наиболее интенсивным переходам отиосятся
(001)--+(020) ЛL 27,9707 мкм; P L ))4 мВт;
(001)--+(020) Л L 118,591 мкм; Р L 6 мВт.
Накачка происходит в слаботочном rазовом разряде низкоrо дав-
,1Jения (1"" 0,4, ро 270 -+- 350 Па), через который проходит смесь
He H20 (90 % Не, 10 % Н 2 О, длина резонатора примерно 4,5 м, диа
метр разрядной трубки d 5 см). Н 2 О-лазер с непрерывным режимом
является важным промежуточным звеном при приведении оптических
частот к цезиевому стандарту.
HCN л а з е р. НСN-лазер накачивается электрическим разрядом,
интенсивные лазерные линии соответствуют колебательно-вращатель-
нЫм переходам между комбииационным уровнем (ll'O) и уровнем де-
формациоиной моды (0400) (рис. 2.66):
ЛL 31O,908 мкм; PL 3 мВт;
Л L 336,579 мкм; PL 100 мВт.
Разряд (1 == 0,5 А; ро == 500 Па) происходит в проточной смеси
CH4 N2 (50 % СН 4 , 50 % N 2 ).
СН з F - л а з е р. CHbF-лазер работает с оптическоЙ накачкой в не-
прерывном и импульсном режим'ах. Оптическая накачка CHbF-лазера
осуществляется излучением С02 лазера (длина волны накачки Л р =='
:.09,55 мкм). Наиболее интенсивной линией является лазерная линия
на длине волны ЛL==496 мкм (рис. 2.66). В этой области спектра на
СНзF лазере достиrнута максимальная до сих пор мощность в им-
пульсе (с дополнительным усилением): P L "", 1 МВт, длительность ИМ-
пульса 'timp 40 нс, ширина полосы частот бv 30 мrц. Для накаqки
применяется импульсный ТЕА-лазер на С0 2 с энерrией накачки Е р ==
,001
I
I
118,бмкм 42
б .J.т;rз 10
2 MKM
! ,! 5 0 :
I I I
l J 5 4- 5 6 5
i н;, ;
а)
100
020
J
12 +
284мкм
+
311 МКМ J:= 10
310 +
J'J5MKM
9
1f9Бмкм
}
J=1O
11
+
3$7
СО2 пазер
Р(20)
9,55мкм
1110
J7JMKM
8+
0400
z2800CM 1
'"
13 }
"''''
12
"'<.>
J=11 '"
K 2 <.>
ОсноВное
СОСтояние
.......
5)
о)
Рис. 2.66. Схема энерrетических уровней некоторых ДИК-лазеров:
а Н 2 О; б HCN; в СН з F
== 17 Дж (длительность импульса накачки Tlmp==80 нс). ДИК лазеры
с такой мощностью в импульсе применяются для диаrностики плазмы,
в частности, на установках типа токамак.
2.6.6. СВОйСТВД ИЗЛУЧЕНИЯ rдзовых ЛДЗЕРОВ
По сравнеиию с твердотельным лазером rазовый лазер блаrодаря
лучшей однородности активной среды и более узкой ширине линии
имеет более высокие параметры излучения относительно длины Kore-
рентности, стабильности интенсивности излучения, расходимости пуч-
ка и одноропности по поперечному сечению.
Спектральные свойства лазерноrо излучения в основном опреде-
ляются сильным неодн')родным (доплеровским) уширением (см. под-
раздел 2.1.4.1). При этом изменение доплеровской ширины в зависи-
мости от длины волны равно:
БVD 50 мrц для л==10,6 мкм (СО 2 -лазер);
БVD 1,5 rrц для л==0,633 мкм (Не-Nе-лазер);
БVD"",3,5 rrц для л==0,448 мкм (Аr+-лазер).
Неоднородное уширение привопит к тому, что rазовый лазер без
дополнительных мер (частотно-селективные элементы внутри резона-
тора, маленькая длина резонатора) излучает на большом числе час-
тот собственных мод, и в результате образуется спектрально относи-
-ТСЛьно Широкая линия.
Естественная (однородная) ширина линии актнвной среды лазера
Jlежит в диапазоие от 5 до 500 мr'ц, однако в зависимости от типа
rазовоrо разряда в результате столкновений или под действием элект-
рических полей (штарковское уширение при высокой плотноСТи элект-
ронов примерно 1014 CM 3 в Аr+-лазере) однородная ширина линии
может быть сильно уширена (БVh 100+800 Мfц).
Из-за большоrо неоднородноrо уширения линии (у важнейших
i'азовых лазеров Не Nе-, Аr+-лазеры) может СИИll(аться инверсия
заселенностей только у атомных rрупп, участвующих в процессе reHe
рации JJaзера, что приводит к образованию провалов, лежащих сим-
метрично относительно атомной. частоты Vo (рис. 2.67), при этом ши
с G =VL
./
V
..1У8
а)
I
I
/..
lio== V L
v
G
G
о)
У ц
Ji o Ji L2
V
8)
, 2 J 41i.5Ii.CVL7
Уа
V
Рис. 2.67. Снижение спектральной кривой усиления для rазовоrо лазера
для одиомодовоrо (а), двухмодовоrо (6) и мноrомодовоrо (8) возбуж
дения (VLi, i 1, 2, 3'''' частота лазериоrо излучения; !1vs OДHOpOД
ная ширина линии; !1v B неоднородная ширина линии; Vo цеитраль-
ная частота)
рина провалов определяется однородной шириной линии. При пере
стройке частоты это приводит к уменьшеиию мощности лазерноrо
излучения в центре доплеровской линии (лэмбовский провал) .
Одномодовый режим работы лазера может быть достиrнут наря-
ду с примененем частотно-селективных элементов с помощью корот-
IШХ резонаторов (для Не Nе-лазера L 10 см) и работы лазера вБJШ-
зи пороrа. u
При увеличении одиороднои ширины в rазовых лазерах может
происходить заметная конкуренция мод, что может оказывать суще-
ственное влияние на спектральные свойства. Типичным примером яв-
ляется ионный арrоновый лазер с б'VD 3,5 rrц и б'Vh 500+800 мrц.
Для этоrо случая имеет место:
устойчивый двухмодовый режим работы вблизи пороrа (межмодо-
вый интервал составляет 500 900 мrц);
возбуждение большOI"О числа МОД (примерно 20) при работе вы-
ше nopora, что из-за эффектов конкуренции приводит к сильным флук-
туациям интенсивности лазерноrо излучения.
Излучение данноrо лазера, определяемое используемой активной
средой, происходит иа фиксированной длине волны. Возможны пере-
стройка частоты лазерноrо излучения в пределах доплеровской кри-
вой б'VD 4 rrц (путем изменения длины резонатора), а также допол-
нительная перестройка с помощью эффекта Зесмана, l'.'Vz 2"1011 rll
(с помощью сверхпроводящеrо маrнита).
2.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
2.7.1. ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК-
диапазонах (0,32 32 мкм) KorepeHTHoe излучение; в качестве а!\,тивной
среды лрименяются полупроводниковые кристаллы.
Полупроводниковые лазеры теоретически предсказаны в 1959 r.,
а в 1962 r. впервые реализован инжекционный лазер на основе GaAs.
В настоящее время известно свыше 40 приrодных для лазеров различ-
ных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может
осуществляться электронными пучками или оптическим излучением
(O,32 16 мкм), в р п-переходе полупроводниковоrо материала элект-
рическим током от приложенноrо внешнеrо напряжения (инжеliДИЯ но-
сителей заряда, O,57 32 мкм). ;
Инжекционные лазеры отличаются от всех дрyrих типов лазеров
следующими характеристиками:
высоким КПД по мощности (выше 10 %);
просто той возбуждения (непосредственное преобразование элект-
рической энерrии в KorepeHTHoe излучение как в непрерывном, так
и в импульсном режимах работы);
возможностью прямой модуляции электрнческим током до frц-
диапазона (до 1010 rц);
крайне незначитсльными размерами (длина менее 0,5 мм; ширина
не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм);
низким напряжением накачки;
механической надежностью;
большим сроком службы (до 10' ч).
Изменяя состав активной среды (например, тройных или четверных
соединений типа АПIВV), можно варьировать за счет изменения шири-
ны запрещенной зоны E g длину волны излучения в относительно ши-
роком интервале:
I 'AEg I
'А hc/E n == 1237 /Е д ' ,
. нмэВ
(2.114)
Т а б л и ц а 2.37. Материалы полупроводниковых лазеров и их длины
волн rеиерацин (х, у обозначают процентиую долю 8лемента в твердых
растворах)
Метод во"буждеН>lЯ
Длина волны . " '"
u ,"о '" ,;,
Соедннение Осиовной материал rенерации. о'" ::f
., р,:>, :.: р,,,"""
мкм '" !:: ., ..."'0
i':", * """,
.,,,,, .,,,0
0::'" ,,:;; '" g!1::
О:': "''" '"
р,
Бинарные соеди- GaN 0,36 х
нения типа GaAs 0,82 0,92 х х х х
AIIIBv GaSb 1,5 1.8 х х х
InP 0,89 0,91 х х х
InAs 3,0 3,2 х х х
InSb 4,8 5,3 х х х
Тройиые соедине- GaXlnl XP 0,56 0.9 х х
ния типа GaX1nl xAs О, 9 3,2 х х х
AII1Bv GaPXAsl X 0,63 0, 9 х х х
GaAsxSbl X 0,9 1,8 х х
A1xGal xAs 0,62 0, 9 х х х
A1xGal XSb 1,1 1.8 х х
InPxAsl X 0,9 3,2 х
InAsxSbl x 3, 1 -5,3 х
Четвериые соеДIl-1 A1xCal xP yASl Y O,62 O,90 х
неиия типа I А! xGal xASySbl Y O,62 l ,80 х
АшВ. v
IпхGаl хРуАSl У 0,58 3.0 х
Бинарные " I PbS 4,3 х х
нения типа PbSe 8,5 х х
AlvBvl РЬТе 6,5 х х
Тройное соедине- I PbSXSel x
ние типа AlvBVI
4,3 8,5
I х I х I х I
Тройные соедине- PbxCdl xS O,5 4,1 х
ния типа (Ан, PbxGel xTe 4,4 6,5
A 1v ) BVI х
Pb?nl xSe 8 - 32 х х
PbxSnl xTe 6,5 32 х х х
Бинарные соеди- ZnO 0,37 0,38 х х
иения типа ZпS 0,32 0,33 х х
AI1BVI ZnSe 0,46 х х
ZnTe 0,53 х
CdS O,49 O,53 х х х
CdSe 0,69 х х }ji
CdTe О, 78 0, 79 х I
п родолженuе табл. 2.37
МетОД возбуждеиия
Длина волны u :i: 5
СОединение Основной материал rенерации. о'" Б,:cI с:
'" ",,» :::
мкм '" ...1:: '" ..."'0
"" "" "''" 0<0<'"
",,-,о
1::'" ,,:О "'''' ""'''''
00< "'''' "::f "''''1::
Тройные соеди- ZnxCdl ..s 0,33 0,49 х
нення типа CdSxSel x 0,5 O,69
Анву, х х х
CdxHgl xTe O,50 4, 1 I х
Ау. Те 3,7 I I х I I
АI11ВУ' GaSe I 0,59 0,60 I х I х I I
InSe 0,97 х
А I11 (2) ВУI In 2 Se I 1,6 I I х I I
AII(2I B V(S) CdlP S I 2,12 I х I I I
А Н В'УС У (2) I CdSiAs 2 I 0,77 I I х I I
CdSnP 2 1,01 х
A.B I11 CVI(2) AgGaS 2 0,462 I
х
CuGaS 2 0,50 х
AgGaSe 2 0,698 х
CuInS 2 0,8J7 х
rде h постоянная Планка: h 6.63.IO S' Дж.с; C CKOpOCTЬ света
в вакууме с::::;З.I0 S м/с.
Меньшую перестройку длины волны в данном материале можно
осуществлять за счет:
изменения температуры (0,2 нм на 1 К в пределах 4 К<Т <300 К);
rидростатическоrо давления (O,84 O,76 мкм для 0 14 Па) (более
СИЛЬное изменение при излучении в дальней ИК -области спектра, на-
пример, для PbSe при 77 К для 0 14. 108 Па диапазон составляет
17 22 мкм);
применения решетки в качестве дисперсионноrо элемента во 8неш
нем резонаторе (на 2 3 %, например у инжекционноrо GaAs-лазера
прн температуре 300 К);
применения неаксиальноrо сжатия в маrнитном поле (также око-
ло 2 3 %).
Изrотовление полупроводниковых лазеров требует высокоразвитой
технолоrии.
Основными областями применения ПОЛУПРОВОДИIIКОВЫХ инжекци-
()нных лазеров на базе соединения типа А1пВ v являются:
передача информации по световодному кабелю (волоконно-опти-
ческие линии связи, управление и контроль процессов, обработка дан-
ных. вычислительная техника);
приборостроение [системы записи и воспроизведения звука, видео-
диски, лазерное печатающее устройство, нзмерение расстояний, инф-
равизоры (приборы ночноrо видеиия), rолоrрафия, инфракрасные про-
жекторы и т. д.].
Вследствие 'маJlЫХ размеров этот тип лазеров является идеальным
активным элементом в интеrральных оптических схемах (<<интеrраль-
пой оптике»). Полупроводниковые инжеКШlOнные лазеры на основе
соедннений AlyBy! или соединений (Ав, A 1v ) ВУI (соли свинца) при-
меняются в спектроскопии.
В табл. 2.37 приведены обзор полупроводниковых материалов, нс-
пользуемых в качестве активных сред, а также ПРИМСllяемые методы
накачки.
2.7.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
2.7.2.1. Активиые среды. Вынужденное излучение это рекомбина-
ционное излучеиие в р n-переходе полупроводниковоrо диода. Соот-
ветствующими основными материалами являются (табл. 2.37):
соединения типа А lllВ'У;
соединения типа А l'yBy! или (А l1A!y ) В у!;
, оединения типа АВВУI ;
полупроводник типа АУI ;
соединения типа Аll!ВУ! или A\l1(2)B y1 ;
соединения типа А Щ2)В У (З);
соединения типа A ll B 1Y C V (2);
соединения типа А IBl\lCY\(2) ,.
Индексы I VI обозначают соответствующие основные rруппы в
Периодической системе :iлементов Д. И. Менделеева.
Для создания reTepocTpYKTYP необходимы не только подходящие
активные полупроводниковые материалы, ио и материалы с идентич-
ными кристаллоrрафическими параметрами, однако требуются при
этом более широкозонные полупроводниковые материалы для пассив-
ных слоев (см. подраздел 2.7.2.3). В эти непроводящие полупровод-
никовые материалы вводятся элементы, которые или отдают электро-
ны (доноры), или связывают их (акцепторы). Блаrодаря такому ле-
rированию возникает электронный полупроводник (n-типа, в зоне
про водим ости находятся электроны, отдаваемые донорами) или ды-
рочный полупроводник (полупроводник р-типа). В валентиой зоне не
достает связанных с акцепторами ЭJlектронов. Эти дырки про водимо-
сти ведут себя как «положительно заряженные электроны», т. е. при
нриложении напряжения они движутся от плюса к минусу (дырочная
электропроводность) .
к донорам относятся Si, Sn, Те, S, Ge, а к акцепторам Ge, Zn,
Сч, Mg, Ве, Si, Li.
КонцентрюlИИ леrирующей примеси в области от 1010 до 1014 СМ З
дают слаболеrированные полупроводники, в области от 1014 ДО
1 019 CM 3 СИJlЬнолеrированные полупрОБОДНИКИ. Для полупроводии-
KOBoro инжекционноrо лазера необходимы сильные леrирования (от
1017 до единиц 1018 CM 8).
Соединение ПОЛУПРОВОДНFка n- и р-типов образует p n (полупро
водниковый) диод основной элемент полупроводниковоrо (инжек-
ционноrо) лазера. Схема энерrетических уровней (структура зон) ха-
рактеризуется потенциа.'JЬНЫМ барьером, который вызывается различ-
ным распределением зарядов в полупроводнике n- и р-типов (рис,
2.68).
р оолаетh Е
Е п оолаетh
Ее
- EF
Ei
"""
'"
'"
"''''
",,,,-
!'=
'"
<1:>
р о/jлаетh п о/jлаетh
Е, '/ИИ'''''
I I
Е.
l. i, I ///////////. Е с
i: - R- EF
Зона прост I ' Ei
paHcтOeHHO I I
80 заряiJа . Jv
в)
Ее
Ei
E F -
t v
,Ev
а)
о)
Рис. 2.68. Зонная модель р п-перехода:
й полупроводник р'типа в термодинамическом равновесии; б полупроводинк
п типа в термодинамическом равновесии; в р п переход в термодинамическом
равновесии; Ее энерrия для зоиы проводимости; Ev энерrия верхней rраиицы
валентной ЗО"Ь]; Е энерrия; Е F энерrия уровня Ферми; Е i уровень Фер-
ми в собствениом полупроводннке
Внепосредственной БЛИЗОСТF от области перехода избыточные
электроны MorYT рекомбиниронать с дырками с йспусканием излуче
ния (спонтанное рекомбинационное -излучение). Частота испускаемоrо
излучения определяется шириной запрещенной зоны "'-Е (рис. 2.68).
Как показывает табл. 2.37, ширина запрещенной зоны н различных
полупроводниковых материалах изменяеrся в относительно широких
rраниаах, блаrодаря чему становится возможной rенерация излучения
в широкой спектральной области.
2.7.2.2.Накачка. РекомбинаЦИОНlJые процессы н р n-переходе тре-
буют создания элеКТРОIlНО-ДЫРОЧНЫХ пар. Создание электронно-дыроч-
ных пар наряду с возбуждением, определяемым тепловым равновеси-
ем, происходит путем:
инжекции носителей заряда (наиболее часто используемая фор-
ма накачки полупроводниковых Jiазеров, которые поэтому называют-
ся инжекционными лазерами), при этом под дейстнием приложенноrо
внешнеrо напряжения электроны и дырки движутся к р------n-переходу,
так что там повышается плотность носителей заряда;
возбуждения электронным пучком; блаrодаря взаимодействию
быстрых электронов, кинетическая энерrия Е которых мень-
Ше, чем пороrовая энерrия Е. образования дефектов в полу
ПРоводниковом материале, но больше, чем пороrовая энерrия
Ионизации Е; атомов кристалла, образуются свободные носители за
Ряда; для GaAs Е. составляет примерно 300 кэВ, а E i ;;:::;; 100+200 эВ;
столкновительной или туннельной ионизации кристалла посред-
ством приложения BbIcoKoro электрическоrо поля;
оптической накачки с помощью импульсных ламп или лазеров
(типичные удельные мощности накачки достиrают 107 Втjсм З ).
Накачка инжекционноrо лазера электрическим
т о к о м. Приложеиное к р n-переходу напряжение приводит к сни-
жению потенциальных барьеров (рис. 2.69), а тем самым к инжекции
:A ; /#;; .
1J
Рис. 2.69. Зонная
структура р п-пере-
хода:
а без тока; б при
пропускаиии тока (ука-
зан переход с рекомби-
иациоииым излучеиием)
о}
Попупро80d
flIК p типa'
о)
Л0пупРО80а
JlШ( п тиfJa.
носителей заряда, к образованию электронно-дырочных пар И, следо-
вательно, к рекомбинационному излучению. Инверсия заселенностей
в усиление слабоrо сиrнала g прямо пропорциональны плотности тока:
g (3J. (2.115)
Необходимая плотность пороrовоrо тока равна (см. 2.1.3):
J s == + ( а; + 2 1п RI 1 R2 ), (2.116)
rде Ui внутренние потери (поrлощение на свободных носителях за-
ряда, дифракция); fI коэффициент ПРОПОрциональности, зависящий
от температуры.
Пороrовый ток нозрастает при повышении температуры:
J s ехр(Т/Т о ),
rде т температура, 1\; То характеристическая температура,
но зависит от материала (рис. 2.70)_
Плотность пороrовоrо тока зависит от (табл. 2.38):
полупроводниковоrо материала;
режима работы (непрерывный или импульсный); ток накачки при-
водит к HarpeBY полупроводника и обусловливает более высокую
плотность пороrовоrо тока при непрерывном возбуждении, поэтому
часто иеобходимо охлаждение;
структуры р п-перехода; уменьшение плотности пороrовоrо тока
достиrается путем перехода от rOMoCTpYKTypbJ к односторонней (<<оди-
нарной») reTepocTpYКType OfC (см. подраздел 2.7.2.3) и двусторон-
ней (<<двойной») reTepocTpYKType дrс или мноrократной reTepo-
структуре;
рабочей температуры.
(2.117)
1\. силь-
Т а б л и п а '2.38. Пороrовые плотности тока для нижеI<ЦИОННЫХ
лазеров
Пороrовая .;,
Длииа ".
Полупроводииковый Темпера- Плотность '"
структура материал БОЛИЫ, тура. К тока, ::;;
мкм кЛIсм' s.
r::",
[омоструктура GaAs 0,840 4,2 0,03 cw
GaAs 0,870 77 0,12 cw
GaAs 0,910 300 20 40 cw
(lп, аа) As 1,085 77 1,9 cw
IпР 0,907 77 0,75
(Iп, аа) Р 0,610 77 5,9
GaSb 1,550 77 2 3
IпSЬ 5,300 4,2 3-------4
In(As, Sb) 3,170 77 0,8
. PbS 4,325 4,2 0,3 cw
PbS 3,960 77 2
PbSe 8,500 4,2 1 2
PbSe 6,900 77 4 6
PbSe 7,220 77 4 cw
РЬТе 6,500 4,'2 0,5 2
Pb(S, Se) 4,740 77 6
Pb(S, Se) 4,740 4,2 0,03 cw
(РЬ, Cd)S 3,500 4,2 0,185 cw
(РЬ, ае)Те 5,500 4,2 0,1 cw
., (РЬ, Sn) Se 18,00 78 3 1O cw
-
д
[С GaAs 0,890 300 cw
(AI, Ga)As 0,850 300 0,7 cw
(AI, Ga)As 0,785 300 1 2 cw
(аа. In) (As, Р) 1,30 300 0,5 cw
(аа, Iп) (As, P 1,55 300 1,2' cw
(А1, аа) (As, S ) 1,77 300 1,6' cw
(А1, аа) (As, Sb) 1,67 300 3,9
(lп, аа) (As, Sb) 1,90 90 0,9
(Iп, аа) (As, Sb) 1,90 180 10
I GaAs
0,900 I 300
6 8
orc'
Пр н м е q а н и е. cw непрерывный режим, orc односторонняя reTep!)-
структура, дr'с двусторонняя reTepocTpYKTypa.
Для непрерывноrо режима работы вознИ!{ающие тепловые потери
должны быть незначительными (переход к боковым узким полоско-
БЫм структурам, см. подраздел 2.7.2.3), Н, кроме Toro, лазерные дио-
ды припаинают к радиатору (блоку из меди или алмаза).
2.7.2.3. КОИСТРУIЩИЯ. Наиболее простым спос()бом изrотовления
диодов с р n-переходом янляется диффузия быстро диффундирующих
;щцепторов (Zп,Ве) в подложку с проводимостью n-типа или эпитак-
си аль ное осаждение материала с ПРОRОДИМОСТЬЮ р-типа на материал
с проводимостью n-ТИпа (rомолазер). Электрический ВЫВОД припаива
ется к металлизированным поверхностям n- и р типов.
Вынужденное излучение происходит параллельно к р n-переходу
(ри<':. 2.71). Типичными размерами лазерноrо кристалла являют
ся (мкм);
длина 100 500;
ширина 200 400;
высота 80 1 00;
толщина области рекомбинации 1 3,
ос:!:
::!:
'::150
'"
<:>
1:;,
100
'"
'"
'"
о
30
4-0 50 60
Температура, ос
70
п
L
L
L
рп
р
+
Рис. 2.70. Зависимость пороrовоrо то-
ка от температуры;
а ПОЛОСКОВЫЙ лазер с оксидиоil изоля-
цией иа осиове А!GаАs/GаАз; б полоско'
ВЫЙ лазер на ос ноне GaInAsP/Inp (MCRW
meta! c!ad ride waveguide)
L
Рис. 2.71. Схематическое
изображение конструк-
ции инжекционноrо ла-
зера (п область п-ти-
па; р область р-типа;
рn р n-переход; L
выходное лазерное излу-
чение)
L
L
в качестве зеркал резонатора, как правило, служат чистые по-
верхности скола (обычно плоскости кристалла {110}), при этом вы-
сокий показатель преломления полупроводниконых материалов относи
тельно воздуха дает коэффициент отражения от 30 до 40 % (по
интенсивности). В rомолазере ширина области рекомбинацин определя-
ется диффузиониой длиной носителей заряда (электронов, дырок).
Диффузионная длина растет с повышением температуры. Путем' со-
отнетствующеrо 9питаксиальноrо осаждения слоев reTepocTpYKTypbJ
параллельно на обе стороны р n перехода можно:
оrраничить область рекомбинации носителей заряда по ширине,
меньшей, чем диффузионная длина носителей заряда [если rранича-
щий слой I'E'TepocTpYKTypbJ имеет более высокое значение ширины за-
прещенной E g по сравнению с активной областью и, следовательно,
образует потенциальный барьер для носителей заряда, !1E 18 %
(<<электронное» оrраничение»);
образовать оптический диэлектрический волновод для поля излу-
чения, возникающеrо в результате рекомбинации носителей заряда
[если rраничащий слой reTepocTpyKTypbJ имеет более низкий показатель
. преломления n по сравнению с показателем преломления активноrо
слоя, !1n",,5 % (<<оптическое» оrраничение»).
Для этоrо необходимо, чтобы отдельные эпитаксиальные слои
этой мноrослойной структуры име.rrи соrласованные постоянные ре-
шетки.
На рис. 2.72, а показана типичная односторонняя reTepocTpYKTypa,
а на рис. 2.72, б типичная двусторонняя reTepocTpYKTypa.
Рис. 2.72. Схематическое изображение reTepocTpYKTyp:
а (,динарная reTepoCTpYKTypa (OrC) AlGaAs/GaAs:
1 п GaAs (подложка); 2 GaAs (активный слой); 3 р _Аlо.зGао,7Аs (барь-
ер); 4 p GaAs (контаI<ТИЫЙ слой); б ДВУСТОрОИНЯЯ reTepoCTpY({Typa (дrс)
AlGaAsfGaAs: 1 п GaAs (подложка); 2 п A10 зGао 7As (барьер); 3
Alo,osGaO,9SAs (а({тивный слой); 4 Р АJо,з Ga O ,7 As (б'арьер); 5 р------GаАs (КОИ-
такТиый слой) типичиые значения толщин ЭТИХ слоев: dl 70: 100; d2 I,5: dз О.I;
d 4 == 1,5; d s ==O,5 мкм; типичные степени JIеrирования в ЭТИХ слоях; Sl Si; 2-1018;
S2 Sn: 3.10"; S3 нелеrированный; -< 10"; S4 Ge: 4'10". S5 Ge: 3.10'8 CM 3)
в двусторонней reTepocTpYKType барьерные слои с обеих сторои
обусловливают высокую концентрацию носителей заряда в активном
слое (толщина 0,I O,2 мкм) и одновременно образуют волновод и бо-
лее нысокую плотность поля излучения. Тем самым достиrается силь-
ное уменьшение плотности пороrовоrо тока (1 "< 1 KAjCM 2 ) И становит-
ся возможным непрерывный режим работы при комнатной темпера-
туре.
2.7.2.4. Изrотовление р-n-переходов. Наряду с диффузией aIшеп-
торов в однородный, леrированный донорами, основной материал (по-
лупроводник n-типа), блаrодаря чему в об. асти диффузии этот мате-
риал за счет перекомпенсации преобразуется в полупроводник р-типа,
для изrотовлення р n-переходов используются следующие методы
эпитаксиальноrо выращивания:
эпитаксия из жидкой фазы; в процессе охлаждения соответствую-
щее изrотавливающемуся слою растворенное соединение смешанноrо
Кристалла (включая необходимое леrирование) выпадает из насыщен-
HOro расплава и осажДается на подложке; этот метод (метод LPE,
Iiquid phase epitaxy) в настоящее время наиболее часто применяется;
эпитаксия из паровой фазы; этот метод основан на реакциях пе-
реноса химических компонентон соединения из rорячей зоны в более
холодную, в которой находится подложка; при контакте с подложкой
разлаrаются летучие компоненты. желаемая твердая фаза синтезиру-
ется из элементов и кристаллизируется в виде монокристаллическоrо
слоя (метод VPE, vapour phase epitaxy);
молекулярно-пучковая эпитаксия (метод МВЕ, тo1ecuJar Ьеат
epitaxy); этот метод основан на эпитаксиальном росте пленки на ПОk
ложке при конденсации направленных пучков молекул или атомов в
системе с ультра высоким вакуумом;
химическое осаждение из паров метаJlЛоорrаническоrо соединения
(метод OM CVD. оrgапотеiа1liс chemicaJ vapour deposition, также
применяется MO CVD, тetal10rganic CVD); осаждеиие мноrокомпо
нентных слоев происходИ1 при применении по меньшей мере одноrо
металлоорrаническоrо соединения для связи с основным кристаллом.
2.7.2.5. Специальные лазернЫе СТРУКТУРЫ. ДЛЯ специальных ла-
зерных ПРИМЕ'нений (лазерное печатаюшее устройство, лазер для запи-
си на оптический диск, лазерный измеритель расстояний, системы рас-
пределения данных и т. ,д.) необходимы непрерывно rенерирующие
мощные инжекционные лазеры (Р:;;..l О мВт при температуре 300 1<:).
Такие лазеры в настоящее время разработаны на основе двусторонией
reTepocTpYK'fypbJ AIGaAsjGaAs (Л О,82-70,88 мкм). Для достижения
большоrо срока службы торцевые поверхности этих лазеров должны
быть защищены от высокой лучистой и тепловой наrрузок. Это дос-
тиrается с помощью следующих мер:
поперечноrо расширения ПУЧl{а света за счет применения крайне
тонких активных элементов (примерно 0,05 мкм); соrласно ТЕ'ОрИИ
диэлектрических волноводов это вызывает увеличение эффективной
то.nщины волновода (рис. 2.73); расширение пучка достиrается также
путем отделения области волновода от области высокой плотности
носителей зарядов (separate сопfiпетепt structure) с помощью мно-
rих слоев структур со ступенчатыми нзменениями показателя прелом
Распределение
поля
.....
.....
'\:j'"
'\:j
l
I
d, мкм d eff , мкм
0,05 1,00
0,20 0,60
0,70 1,00
...............
Покааатель
преломления
Рис, 2.73. Схематическое изображение двусторонней reTepocTpYKTypbI с
очень тонким активным слоем (der r эффектнвная ширина волновода,
определенная по уровню e 1 от интенсивности излучения в максимуме;
d ширина диэлектрическоrо волновода, определяемая слоистой струк-
.турой стандартной трехслойной двусторонней reTepocTpYKTYPbI; таблица
характеризует значения для структуры Ао,зGаО.7Аs GаАs Аlо.зGаО,7Аs)
ления и ШИРИНЫ запрещенной зоны, при этом носители заряда реком-
бинируЮТ в тонком активном слое (р n-переходе), в то время как
распространение света происходит в более широкой области волново.
да (расположенной симме'fрИЧНО с обеих сторон от активноrо слоя
или также асимметрично n CTopOHe) у активноrо слоя (LOC CTpYKTypa,
large optica1 cavity structure) (рис. 2.74); поперечное расширение пуч-
ка одновременно обусловливает более низкую расходимость пучка;
Рис. 2.74. Схематическое изо-
бражение LOC-СТРУКТУРbJ (lar-
ge opticaI cavHy):
1 р Аlо.чоGаО,64 As (барьер); 2
.Alg,07GaO,9зAs (активный слой); 3
... п Al o . 21 Ga O ,79 As (волиоводный
.лой); 4 п AI O,31GaO,69As (барь-
ер); контактиый слой н подложка
не указаны, для d O.1 МКМ и D
=172 мкм эФФективная толщииа
волиовода получается d eff 1 +-"
72 МКМ
.;
РаспреiJеление
поля
l:::J
1:::\
ПокааатеЛh
лрелонления
непоrлощаю их .зерка ьных или прозрачных структур (NAM-
CT!1 VK T)'pa. r-опаоsоrЬшg mlrror structure, window structure), при 'этом
вблизи торцов формируются области из полупроводниковоrо матерна-
лз с более высоким значением ширины запрещенной зоны или 'Насы-
Е 9 .
..,
::se:
"->'1;:
..,
Ь:Е:.
"''''
с:;
Рис. 2.75. Схематическое изображение
NAM-СТРУКТУРbJ (попаЬsоrЫпg mir-
ror) , непоrлощающая область за-
штрихована
Рис. 2.76. Схематическое изображение полосковоrо лазера с прозрачным
окном (window stripe1aser). На полосковую область с rлубокой диффу-
Зией Zп шириной 3 мкм нанесены штриховые линии. Этот тип лазера
устойчиво работает на одной поперечной основной моде при 300 К с
непрерывно излучаемой мощностью 55 мВт на торцевую поверхность.
ЭТо соответствует лучевой наrрузке на торцевую поверхность 4,7 МВт/
см 2 .. Напротив, обычный полосковый лазер с двусторонней reTepocTpYK-
Турой испытывал бы лучевую наrрузку только примерно до 1 МВт/см 2
щенные диффузией Zn, что приводит [{ повышению стоикости лазер
ных зон вблизи поверхностей скола, в которых имеют место максималь-
ное отклонение периода кристаллической структуры и максимальная
напряженность cBeToBoro поля в лазере (рис. 2.75 и 2.76);
параллельноrо расположения до 10 полосковых лазеров на одном
кристалле, которые излучают связанное друr с друrом лазерное из-
лучение (multi stripe array); таким способом были достиrнуты в не-
прерывном режиме работы мощности 50 IOO мВт, а в импульсном
режиме (коэффициент заполнения периода импульса 1 %) до 1 Вт
при температуре 300 К.
Друrая специальная лазерная струКтура имеет особое значение
для полупроводниковоrо инжекционноrо лазера, используемоrо в ка-
честве источника света в оптических системах передачи с очень боль-
шими расстояниями между ретрансляторами при 'применении одномо-
довых световодов (особенно в третьем оптическом окне, т. е. для
длины волны Л 1,55 мкм). А именно оказывается, Что лазеры с ре-
зонатором Фабри-Перо в качестве структуры обраnюй связи (т. е.
при применении ПОВЕ'рхностей скола в качестве зеркал резонатора, в
котором возбуждается одна продольная мода при одновременном
возбуждении только одной поперечной и только одной боковой моды)
при высоких скоростях модуляции нестабильно rенерируют на этой
продольной моде и переходят в режим rенерации мноrих продольных
мод или в режим со скачками между различными продольными мода-
ми. Динамически стабильные лазеры с одной продольной модой
(DSМ-Лазер, dynamic sing1e 10пgitudiпа1 mode lasers) получают
в результате Toro, что вместо резонатора Фабри-Перо используют рас-
пределенную обратную связь с отражением на rофрированных струк-
турах (рнс. 2.77). .
и) о)
L 1
Рис. 2.77. Схематическое изображение лазерных структур:
а с распределеиной обратной СВЯЗЬЮ (РОС) (DFB): б С распределенным брэr-
rовским отражателем (РВО) (DBR)
В лаборатории с помощью лазера на основе GаlпАsР /InP с зара-
щенной мезаполосковой rетероструктурой (типа ВН) и распределенной
обратной связью (РОС) с шириной полос 2 4 мкм и длиной резо-
натора 300 500 мкм достиrнуты следующие параметры:
режим fенерации одной продольной моды до температуры 90 ОС;
пороrовый ток 35 мА при температуре 22 ос;
значение характеристической То в температурной зависимости по-
poroHoro тока:
158 l( при температуре около О ос;
67,3 К. в интервале 0..;:t..;:67 ос;
46,4 l( в Интерва.rrе 67:;;;:;t:;;;:;105 ОС;
максимальная выходная мощность 22,5 мВт на каждую торцевую
поверхность при температуре 25 ос и токе 250 мА;
изменение длииы волны от температуры L\л!L\Т 0,098 нм!К без
перескоков мод в диапазоне температур 20 ос t 90 ос;
динамически стабильный режим rснерации одной продольной Мо-
ды при частоте модуляции 1,5 rrц без спектральноrо уширения;
срОК службы составляет 12000 ч (при работе в непрерывном ре-
жиме Pew 2-73 мВт на торцевую поверхность и температуре 25 ОС).
С помощью лазеров с распределенной обратной связью (длина вол-
ны л 1,55 мкм) в 1984 1985 rr. осуществлена передача информации
по одномодоному световоду (при температуре [ 16 ОС) со скоростью
2 rбит!с на расстояние 130 км, 420 Мбит!с на расстояние 203 км и
4 rбит!с на расстояние 103 км без ретрансляции.
Лазеры с такой структурой обратной связи имеют значение для
монолитных оптических схем в области интеrральной оптики.
С помощью новых методон эпитаксии (MO CVD и МВЕ) воз-
можно выращивание очень тонких эпитаксиальных слоев, при этом
для толщины слоев L, порядка длины волны де БроЙля носителей
заряда (GaAs: Lz<500.10 IO м)
Л h/P Lz (2.118)
появляются размерные квантовые эффекты (QSe, quапtum size effects).
В слоистой структуре «Quantum wel1» structure (QWS) ось кван-
тования направлена вдоль нормалей к rраницам слоев. Она обуслов-
ливает фундаментальные изменения всех физических свойств:
энерrии зонной структуры;
симметрии волновой функции;
лакализации носителей заряда, которые приrодны для улучшения
эксплуатационых свойств полупроводниковых лазеров.
Простым примером такой структуры является полупроводниковый
слой на основе соединения AIIIBv с малой шириной запрещенной зоны
(активный слой из прямозонноrо полупроводника), с обеих сторон ОК-
руженный полупроводниковым слоем из соединения А III Bv с более
высоким значением ширины запрещенной зоны. Такой структурой
(quапtum wel1 structu e) является структура на основе A1xGal xAs
GaAs A1xGal xAs или также IпР Iп\ хGаХР1 zАsz IпР. Электроны
или дырки в слое GaAs (слой InGaAsP) оrраничены конечной потен-
циальной ямой, и обычный процесс рекомбинацин зон зона сущест-
венно модифицируется. В области, в которой необходимо учитывать
квзнтово размерный эффект, спектр собственных зиачений' энерrий но-
сителей заряда имеет вид
п ( 2 2 )
Е (n,kX,ky) Е п + kx + k ll '
mп,р
rде m .p эффективная масса электрона или дырки; h h/2'Л посто-
янная Планка; kx и k y компоненты х и у квазиимпульса; En зна-
чения энерrии чаСТИllЫ в потенциальной яме; Еп---+Е\, Е2, Е з ... для
электронов; En >-E 111, E 112, Еll З ... для тяжелых дырок; En---+EI I, El 2.
ЕIhЗ... для леших дырок (рис. 2.78).
Ниже Е! нет разрешенных состояниЙ. На рис. 2.79 показана ди-
arpaMMa плотности СОСТОЯНИЙ дЛЯ электронов Еп и дырок Eh для QW-
[етероструктуры. Параболические кривые, исходящие от края зоны
проводимости Ее или края валентной зоны Ev, соответствуют плот-
Iюстям состояний В однородном материале. Ступенчатые плотности со-
стояний характерны для двумерных или QW-СТруктуР. Как видно из
(2J 19)
с постоянной плотнос.
рис. 2.79, при Е ! начинается подзона (ступень)
тью состояний на единицу поверхности:
( * )
m п
g(E)dE== лn dE.
(2.120)
Выше имеется друrая rюдзона с постоянноЙ плотностью состояний при
Е 2 И т. д, Аналоrично такое поведение можно увидеть для тяжелых
и леrких дырок на рис; 2.79. На этом рисунке показаны также ре-
Lz
Ее
Ез .......""
Е2
Е 1
'""
'" -;;;
-<>:
'"
u
"" '---
,,-,""
EZM - -E hh1 .....,'"
"""
Еh.l72
E Zh2 ....... ....... \Q
Е hhз '
"'"
-<>:
<.!>
.з
щ
EJI
Рис. 2.78. Схематическое изображе:
ние прямоуrольной потенциально и
ямы, типичной для quantum well re-
тероструктуры A1xGal xAs GaAs
A1xGal xAs (потенциальная яма су-
ществует как в зоне проводимости,
так и в валентной зоне, что вызыва-
ет для Lz<л ряд связанных состоя-
ний Е п для электронов, E hhn для тя-
желых дырок, а также E 1hn для леr-
ких дырок)
1
щ""
Ev
Е п
с."",
"11 "11
С:С: t::: с:
.......
gfE)
lJЛ О переХ(JVЫ
Ел
"-
Тяжелые
иыркl.i
Рис. 2.79. Диаrрамма состояний для электронов Е п и дырок Б. дЛЯ
AlxGaJ xAs/GaAs quапtum "iе]]-rетеросТРУКТУРbJ (Q W-rетероструктура)
комбинационные переходы (с правилом отбора п O) для переходов
из связанноrо состояния в зоне проводимости Еn в связанное СОстоя-
ние в валентной зоне (Ehhn "n, f>--+hh/-переход или Elhn "n, e--+lh"-
переход). Энерrия перехода или рекомбинационное излучение определя-
ется тоrда выражениями
nro == Е д (GaAs) + Еп + Ehhn:' }
nro =о: Е д (GaAs) + Ел +Elhn.
Из рис. 2,79 следует существенный признак QW-rетеросТjJуктурbJ:
(2.121)
рекомбинация может происходить между rруппой электронов с фи!{си
рованной энерr'ией (например, E 1 ) и аналоr:ичной rруппой дырок так-
же примерно одинаковой энерrии (например, Е ьы ). В результате fЮЗ
МОЖНlI излучательная рекомбинация с очень узкоil шириной линии.
В однородном материале носители зарядов по энерrии имеют парабо-
лическое распределение плотности состояний, которое достаточно уз
ко только на 1'J)аницах зоны. Таким образом, электроиы и дырки не
MorYT обладать фиксированной энерrией, и вследствие этоrо линия
излучения рекомбинации получается неузкой (длины волн не фиКСi-l
рованы) .
Друrим существенным признаком QW-СТРУКТУРbJ является более
высокая эффективность терм:ализации носителей заряда в этой струк-
туре. Электрон, прежде чем он рекомбинирует, может попасть в COCTO
яние (E 1 ) и, следовательно, может rенерироваться излучение с кван-
том пffi<E g (но без участия фононов возможно только fjffi>Eg).
В полупроводниковом диоде иижектированные носители заряда
с более высокоЙ энерrией в процесах рассеяния MorYT потерять энер-
rню и перейти в состояние с более низкоЙ энерrией (термализация).
Возиикающий в этом процессе поток фононов /еш в объемио однород-
ном образце пропорционален плотности конечноrо состояния (nuko
энерrия фонона) :
1 ern 11 Е 1tш Lо .
(2,122)
ПOl'лощаемый поток фононов lа Ьо соответс твенно равен:
1 abs V Е + 1tffi LO r.>lern.
(2.123)
Поэтому в объемно-однородном образце (без QSE) скорость термали
ззции носителей заряда оrраничеНlI процессом rенерации фононов (осо-
бенно па rраНlще края зоны) вследствие спадающей пЛотности состоя-
ний. В квазидвумерной QW -системе, однако, такое оrраничение вслеk
ствие постоянной плотности состояний не появляется. Поэтому Tep
мализация носителей заряда в случае Q\V-СТРУКТУРbJ более эффек
тивна.
Таким образом, в противоположность объемному материалу, в KO
тором слабая рекомбинация, сопровождаемая испусканием фононов. IJ
QW-rетеросТРуктуре электронно-дырочная рекомбинация, сопровожда-
емаи испусканием фононов, является сушественным эффектом. Лазерный
режим rенерации может проявляться при очень низких порOl'овых
уровнях (примерно 370 AjCM 2 или для полупроводниковых лазеров с
оптической накачкой примерно 900 BTjCM 2 ).
На рис. 2.80 схематическн показаны дВе QW-rетеросТРУКТУРbJ:
а) Siпg1е quапtUlп wеll (SQW)-rетероСТруктура, состоящая из ОДНОЙ
потенциальной ямы, и б) Мulti quапturn well (MQ\V)-rетеростРУКТУ-
ра, состоящая из последовательности тонких (до 5 нм) слоев из не-
леrироваННОl'О GaAs (потенциальная яма) и нелеrированноrо A1GaAs
(барьер). Ширина переход а между этими отдельными слоями не пре-
вышает 1,7 нм.
Если в SQW-rетероструктуре значеНие Lz становится равным дли
не lр рассеяния электронов (в нелеrированном GaAs lр Достиrает при-
мерно 5 10 нм, в IпGаАsР значение l р может быть еще больше), то
па расстоянии Lz электроны недостаточное число раз рассеиваютси.
чтобы термализоваться в этой области. В результате этоrо потенци
альная яма теряет свою способность удерживать избыточные носите
JIИ заряда (электроны), поступившие из оrраничиваюших СJюев (соп-
fin-етепt-слои). Тоrда для слоя GaAs/AlxGal xAs SQW с Lz, меньшим
10 нм, электроны, например, не релаксируют по эиерrии от энерrии
Края зоны оrраничивающеrо слоя AlxGa) xAs до энерrии ниж еrо со-
стояния частиu в потенциальной яме. Таким образом, для этои систе-
мы в качестве нижнеrо предельноrо значения для SQW-I'етерострукту,;-
ры можно взять Lz 20 нм. Для меньших размеров потенuиальнои
'"
00:
o GaAs со
t!)
p AIGaAs '"
--.1
п AIGaAs
п GaAs (поiJложка)
т
n
J
o CaAB
p AlyGa1 yAs
п AlyGa1 yAs
п GaAs (ауtpеРН61и слой)
п СаАз (подложка)
Яма
Барьер
т
5
т
Рис. 2.80. Схематическое изображение reTepocTpYKTypbI:
а Siпglе quапtum wеlI-rетеросТРуктура (SQ\V-rетероструктура), состоящая
ТОЛЬ1<Q из одиоrо TOHKoro слоя GaAs в качестве активноrо слоя (Lz 20 ИМ) и двух
слоев p AlGaAs (d l мкм) н n AlGaAs (d 2 м)(м); б Mult1 quantum \vell-
[етероструктура (MQW-rетероструктура), состоящая из шести слоев OaA (потен-
циальная яма) с Lz'" 12 нм. разделеННblХ пятью «нелеrнроваННblМИ1> барьерами
Аlu,зGЗо,7Аs (d 12 нм); с обеих сторон оrраНИЧl1вающне слои p- или n
AlyGal yAs с O,4 У """"" 0.6 и толщиной 0.1 м)(м d 2 мкм пли 1 M)(M d """'"
2 мкм соответствуют обонм слоям !\ристаллз смешанпоrо состава твердоrо
раствора для обеих сторон активноrо СJIOЯ стандартной дrс
ямы необходима MQW-rетеросТРуктура с активной областью, состоя-
шей из связаниых потенциальных ям. Связь происходит через тонкие
(менее 20 нм) барьерные слои из .1\J"Ga) xAs между СЛОЯМи из GaAs
(рис. 2.80, б), сквозь которые происходит туннелирование. В получаю-
шеiiся активной среде мноrослойной структуры происходит эффектив-
ное накопление избыточных носителей заряда и их термализация в
нижние состояния связанных потенциальных ям. В результате [енера-
ция лазерноrо излучения происходит с участием частиu в нижнем со-
стоянии, ширииа KOToporo для квантовых барьеров толшиной 8 10 нм
увеличена не очень сильно.
Для MQW -лазера на основе AIGaAs/GaAs (рис. 2.80, б) измерены
значения To 200+220 ОС, для SQ\V-лазера на основе AIGaAs/GaAs
(рис. 2.80, а) значение ТО достиrали даже 437 0 с. Эти большие зма-
чения Т о, т. е. слабая температурная чувствительность пороrа лазер-
ных диодов [Jth(T) Jth (О ОС)ехр (Т /Т о)], объясняются учетом эффек-
та ступенчатой плотности состояний и возмушения распределений
электронов и фононов в активной Q\V -лазерной области.
Лаз еры п о л о с к о в о й r е о м е т р и и. Мноrие применения,
особенно в оптической системе передачи информации по световодам,
требуют непрерывной rенерации лазерноrо излучения при температу-
рах свыше 300 К и мощности 5 10 мВт со стабильным пространст-
венныМ и спектральным распределением. Эти требования удается удов-
летворить за счет боковоrо BHYTpeHHero структурирования, при кото-
ром область активной rенераUИll Jiазерноrо излучения оrраничивается
узкой полоской (1 20 мкм) (рис. 2.81). Боковое оrраничение как об-
Рис. 2.81. Схематическое изображение
пространственноrо оrраничения актив-
ном области полосковой структуры
лазерноrо диода:
а продольное оrраниченне за счет зер-
кал резонатора (плоскости скола 110); 1
б оrраничение по вертикали эа счет
двусторонией reTepocTPYKTYPbI; в боко-
вое оrраннчение за счет дополнительной
виутреивей полосковой СТРУКТУРЫ; 1 ;;?
активная область; 2 зеркало
ласти накачки, так и области оптическоrо резонатора обусловливает
rенераuию лаЗЕ'ра только на одной поперечноЙ в этом направлении
основной моде. Подавление мод более BbJcoKoro порядка затрудняет
про явление эффектов неустойчивости (например, так называемые из-
ломы) на характеристике ток мощность, предотврашает шумы излуче-
ния и флуктуаиии поля в дальнеЙ зоне вследствие конкуренции мод,
а также деформаuню боковоrо профиля усиления (эффект насыше-
ния) за счет вынужденноrо излучения.
Для изrотовления такой ПОЛОСКОВОЙ fеометрин имеются различ-
ные технолоrические возможности реализации. Они при водят к боль-
шому разнообразию конкретных лазерных структур, которые можно
разделить на два семейства (в зависимости от типа боковоrо волно-
вода в лазере):
лазерные диоды с локализацией поля усилением (gain guided
laser diode GGL) с индуцированиым током волноводом; в этих ла-
зерах с помошью теХНОЛQI'ичеСIШХ методов токовое сечение (и тем
самым инжектированиые носители заряда) оrраничивается по бокам
узкой полоскоЙ; блаrодаря этому мнимая часть показателя преломле-
ния имеет боковой профиль, который обеспечивает для достаточио ма-
лых ширин полосок (примерно 3 мкм) стабильную rенерацию на бо-
ковой основной моде; этому профилю показателя преломления соот-
ветствует профиль усиления ИЗЛУ'Jения (gain рroШе); типичными пред-
ставитlOЛЯМИ этоrо семейства лазерных структур являются оксидный по-
лосковыи лазер (рис. 2.82); лазер с имплантаuией протонов (рис. 2.83, а)
и лазер с V -образным пазом (рис. 2.83, б) ;
лазерные диоды с локализацией поля преломлением (index gui-
ded 1aser diode IGL) с встроенным волноводом; в этих лазерах с
помощью технолоrических приемов реализуется как боковое оrраниче
ние тока, так и фиксированныЙ боковоЙ профиль деЙствительной или
мнимой части показателя преломления; действительная часть пока
зателя преломления может варьироваться за счет:
введенноrо скачка показателя преломления (изменение состава
материала в боковом направлении); типичным представителем этоrо
типа является лазер с заращенной мезаполосковой rетероструКТУРОЙ
3МКМ
".:'-'0
........
.":- ; '.
Распре8еление
поля
.L Перпен8икgлярно
плоскости
контакта
11 Параллельно
плоскости
контакта
Рис. 2.82. Схематическое изображение конструкции лазерноrо диода с
оксидной полосковой структурой
(типа ВН, buried heterostructure); из двусторонней reTepocTpYKTypbI,
выращенной на первом этапе эпитаксии из жидкой фазы на плоской
подложке, вытравливается мезаполоска, которая на втором этапе жид-
костной эпитаксии «заращиваетея» (рис. 2.82, в и е).
изменения эффективиоrо показателя преломления (изменение тол-
щины боковоrо волновода); лазеры этоrо типа получают путем эпи
таксии на непланарных подложках, при этом используется присушее
материалу различие в скоростях эпитаксиальноrо выращивания в раз
личных кристаллоrрафических направлениях; на структурированной
подложке эпитаксией из жидкой фазы получается желаемая CTPYKTY
ра лазерноrо диода; представителями лазеров этоrо типа являются, Ha
пример, СSР-лазер (сhаппеllеd substrate p1anar) (рис. 2.83, д) и CDH
лазер (constricted double heterostructure) (рис. 2.83, е).
Лазеры этих двух разновидностей структуры различаются по
своим свойствам, в частности, отиосительно (табл. 2.39) пороrовоrо
тока, распределения испускаемоrо лазерноrо излучения в дальней зо
не, спектра (число продольных мод). .
MemtM/f
Импланта
ft,:c'%:fo,%:/'..OB
ая область
AIGaAs
аКfrШВНЫЙ
слой) .
Металл
МетшИ"
:::::.: :: :;. ,,;.j.::: p GaAs f:/../.<"; ';' ц
: :: .};: :.::. ? р АIGаАSI;;::::-:-'::.:\? (.
............. . н
п AIGaAs (.
По8ложка' п GaAs
.....p GaAs
J р--:Аl GaAs l
п AIGaAs
Ло8710жка п GaAs
Л1GаАS
aKmutJlfbIи
слой).
МетаЛr{
5)
а)
Метал/!'
Оксид
p IhGaAs:
.. п InP
p InP
IllGaAsP
I -:> п IпР
)'; .... MkM (по81l0жка)
Метши
Оксид
п AIGaAs
p AIGaAs
п GаАs
п А1GаАs
п GaAs
(подложка)
т Метам
""";"'4 , .j..I.1.1'; ';"
IпР
I
I
"'1
..: : 1MI(M
т
2)
1
В)
Zп fjиrpl{lуаия
/
Металл
Оксио
п GaAs
p AIGaAS,
AIGaAs
(актио..ный
слоU) .
п GaAs'
т (по8ложка)
J,Металл
Рис, 2.83. Схематические
изображения лазерных
диодов:
п АIGаAs
а Полосковы!! лазерllыll
ДИОД, получеи.иый путем
имплантации протонов; б
nазеРllыl! днод с V.образноlI
KaH BKolI; в пазервы!! ди-
од типа ВН на основе
ДЮа Д;; (burled heleroslru.
cture) (непрерывная выход.
ная мощвость лазерноrо из.
пучения 5 7 мВт на зерка-
по, пороrовый ток 1 s 10."
30 мД); а nазерны!! ди..
од тнпа ВН на основе
IпGаДз (значення, как н в
сnучае в); д CSP па-
эерный диод (channelled
зuЬзtrаlе planar) (непре.
рывная выходная мощ-
ность 5 7 MBr иа зеркаnо,
пороrовый ток l 70 мД, re-
нерацня лазера на одно!!
продольной моде до 1
21 s) (20 мВт/зеркало);
е СОН лазерный диод
lсопзtrlсtеd double hеtеrозtruсturе) (непрерывная мощность Р cw 3 м Вт. 1 8
40 мА при 20 ОС, to 300+400 ос, поэтому в лабораторных условнях был достиr-
пут непрерывный режим работы до 170 ос, а непрерывный режим rенерации на
одной продольной моде с Р cw 3 мВт при 150 ос). С помощью СОН-, LOC-CTPYK-
Туры были достиrнуты; Р cw (20 ос, непрерывный режим rенерацин на одной про.
дольно!! моде) 40 мВт/зеркало; Р cw (70 ОС) 14 м Вт/зеркало; , 8 60+ 100 мА
(300 К). В импульсном режиме былн достиrнуты 60 мВт. максимально даже
100 .мВт/зеркало (l O,9Is+50 % коэффицнента заполнения периода импульса).
В rрадиентном световоде с днаметром серДцевины 50 мКм И NA O,Z вводилась
р реаи 40 мВт
t
о)
Металlf.
ОксшJ"
p GaAs
p AIGaAs
AIGaAs
п AIGaAS
п+ GаАs
(поОложка)
:":: :::..:. -:': . '. :.: : -::.".-. = .' .".:. ,:,-::::,;' :.: :.:: -: .::".=.::.::--
:..:;............
I Mk 1
JЗ)
Т а б л и ц а 2.39. Сравнение характерных признаков структур
GGL (gajn gui(ler1 1aser diode) и IGL (index guided 1aser diode)
на примере системы AIGaAsjGaAs
GGL
IGL
Образование
волновода
параллельно
активному
слою
Боковое распределение HO
сителей зарядов (обра
зует профиль усиления).
например оксидный по
лосковый лазер
Встроенный скачок ПОЮ'J
зателя преломления, lJа
пример ВНS-лазер
в атт ампер-
ная xapaK
:теристика
':ffi
о 100 200
':ВЕ
о 100 200
Дальнее
поле:
боковое;
вертикальное
J 30. \
Спектр
(непрерыв-
ный режим)
848
\
, \
, \
;-'10.\'"
852
848
850
852
Несколько продольных мод Одна продольная мода
Поро овый 50 120 мА
:ток (длина
резонатора
L== 200-7-
-7-400 мкм)
Астиrматизм I Сильно выражен
Чувствитель- Незначительная
ность отно-
сительно
оптической
обратной
связи
1O 160 мА
\ Очень мал
Сильная
Интервал между двумя продольными модами достиrает
'А}
/).Л , (2.124)
2L ( n л : )
[де L длина лазерноrо резонатора Фабри Перо (расстояние между
поверхностями CKOJIa, действуюшиlvlИ в качестве зеркал); л длина
волиы лазерНОI'О излучения; n показатель преломления.
В непрерывном режиме IGL rенерирует только на одной домини-
рующеЙ продольноЙ моде, частоты которой попадают в максимум кри-
вой }'силеиия. Однако при BbJCOKflX скоростях модуляции изменяется
положение максимума. В связи с этим у IGL возникает динамическое
уширение спектра, а также увеличение числа fенерируемых продоль-
иых мод с ростом скорости пер.едачи.
При изменении температуры спектр сдвиrается в обоих семействах
лазеров на 10 нм/К в сторону длинных волн: В GGL это обусловли-
вает лишь смешение оrи6ающеЙ спектра, в IGL, напротив, может про-
исходить перескок на ДРУПlе моды (лежащие в окрестности).
2.7.3. ИНЖЕКЦИОННЫй ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ GaAs
Лазер 9TOI'0 типа реализован первым в семействе полупроводнико-
вых инжекuионных лазеров и в настояще время чаще Bcero исполь-
зуется и до сих пор усовершенствуется, реализуются усложненные мо-
дификации. Область применения этоrо инжекционноrо лазера OTHO
сится преимущественно к обработке информации, хотя есть использо-
..анне и в друrих ПРОМЫШJlенных применениях.
ПолупроводниковыЙ материал GaAs леrирован Те (в качестве до-
норов), а также Zп (в качестве акцепторов) (концентрация Те>4Х
Х 1017 CM 3, а Zп>I,5.10 19 CM 3). Длина волны, определяемая шири-
ной запрещенной зоны, достиrает л 0,89 мкм. .
Инжекционный JJазер на основе GaAs в виде rомолазера облада-
ет относительно большим пороrовым током (больше 1 А), так что
непрерывный режим работы возможен только при ннзких темпера-
турах или (при комнатной TeM!Jfparype) в импульсном режиме.
Использование троЙных соединеннй привело к разработке ДВОЙНОЙ
(или мноrократной) reTepocTpYKTYPbI и тем самым к уменьшению по-
poroBoro тока и возможности изменения ширины запрещенной зоны
и длины волны.
2.7.3.1. инжекционныIй лазер иа основе A1 x GaH"AsjGaAs. Ширина
запрешенной зоны E g и показатель преJlомления n A1xGal xAs изменя-
ется с относительным содержанием A1As (значение х) по закону
Eg 1,424 + 1 ,247х (Е д , эВ);
n 3,59 O,71x.
(2.125)
(2.126)
AIGaAs при зна'Jении х, превышающем 0,46, становится полупровод-
Ником с непрямыми переходзми. Поскольку в двойной reTepocTpYKType
требуются различия /).х"'О,3 относительно доли A1As в активном слое
и оrраничивающих слоях смешанноrо кристалла для стабильной работы
при комнатной температуре, то для активноrо слоя получается оБJlасть
ИЗменения 0<x<0,l6 или диапазон изменения длин волн лазерноrо из-
Лучеиия 0,9 мкм<л<О,78 мкм.
Непрерывно работаюшие лазеры (P 1 +3 мВт при температуре
300 1\) на длине волны л 0,78 мкм (так называемый видимый лазер)
применяются для считывания звуковых и видеодисков, в лазерных пе
чатающих устройствах, в качестве юсrировочных лазеров и для репро
дукций рисунков. Специально для применения в качестве юстировоч-
Horo лазера (замена Не Nе лазера с л 632,8 нм) в настояшее время
разрабатываются с помощью методов МО CVD- или МВЕ-лазеры,
работающие на еще более КОрОТКИХ длинах волн (МQ\V лазер)
(л<0,78 мкм).
Лазеры на односторонней reTepocTpyKType (SHS siпg1е hete
rostructure) работают в импульсном режиме с высокой импульсной
мощностью (л 0,905 мкм) и используются для измерения расстояний,
длины линейных отрезков, дальности, локальной плавки, скоростной
фотоrрафин в ИI\-области спектра и моделирования оружия
(табл. 2.40). С помощью мноrоканальных устройств (Stacks, Arrays)
Т а б л и ц а 2.40. Типичные пар а метры лазерных диодов
на простой reTepOCTpYKType на основе AlGaAsjGaAs
Параметр
Значение
Длительность импульса т, нс
Коэффициент заполнения (периода импульса), %
Длина волны Л, нм
Выходная мощность Р, Вт
Рабочий ток (максимальный) Iрм, А
Пороrовый ток 1 s, А
Напряжение V FM , В
Излучающая поверхность, мкм:
длина
ширина
Спектральная ширина полосы 6.л, нм
200
Q,Ol
9С5
3 12
2O 60
6 18
11 16
120 350
2
4,5
Типичные параметры миоrокrистальноrо устройства
(блок из двух-трех кристаллов)
Выходная мощность Р, Вт
Рабочий ток (максимальный) Iрм, А
Пороrовый ток 1 s, А
Напряжение V FM , В
Излучающая поверхность, мкм:
длина
ширина
Спектральная ширина полосы 6.л, нм
17 33
40 60
12 18
16 26
230 350
12 2з0
10
можно достипiуть еще более высокой импульсной мощиости. Линей
ки с выводом В световод представляют компактные источники излуче-
ния для BbICOKOKa'JeCTBeHHbJx оптических систем.
DНS лазерные диоды с широким контактом (без полосковой
структуры) работают в импульсном режиме с высокой средней мощ-
ностью и маленьким пороrовым током (табл, 2.41).
Т а б л и ц а 2.41. Типичные пара метры лазерных диодов на двойной
reTepocTpYKType с широким контактом
Параметр
Значение
Длительность импульса, нс
Коэффициент заполнения (периода импульса), %
Длина волны Лреак, нм
Выходная мощность, мВт
Рабочий ток [FM, А
Спектральная ширина полосы l'J.л, нм
пороrовыIй ток [s, А
Напряжение V FM , В
Расходимость пучка, rрад:
параллелыю р п переходу е 11
перпендикулярно р п переходу e.L
Из.Qучающая поверхность, мкм:
длина
ширина
350
6
850
50 100
1,3
4,5
0,5
3;5
11
50
1ОО
0,2
Эти элементы (л 0,85 мкм) используются для ИК-облучения,
как элементы передаюшеrо устройства для систем передачи в свобод-
ном пространстве, а из-за их относительно ВЫСОКОй импульсной мощ
ности также в световодных передающих устройствах со средней ши-
риной полосы с применением дешевых волоконно-оптических кабелей.
Друrими областями применения являются измерение заrрязнений. пе-
реносные системы отклонения пучка и т. д.
DНS-лазерные диоды из семейства GGL (табл. 2.42) с л""О,85 мкм
используются В качестве элементов передающеrо устройства в систе-
мах передачи информации на основе MHoroMoAoBblX световодов с час
тотой модуляции ДО 34 Мбит/с и расстоянием между ретрансляторамн
До 12 км. Современные псредзющие устройства представляют собой
т а б л и ц а 2.42. Типичные параметры непрерывных лазерных диодов
ПОЛОСI{ОВОЙ rеометрии (GGL с оксидной полосковой структурой)
при температуре 300 К
Параметр
Значение
Выходная мощность (на зеркало) Р О , мВт:
в rрадиентном световоде с числовой апертурой
NA 0,2
то же с диаметром сердечника 50 мкм P LL
Длина волны Л, нм
Спектральная ширина полосы 6.л, нм
Расходимость пучка (дальняя зона), rрад:
параллельно р п-переходу е 11 ,
перпендикулярно р п-переходу e.L.
Пороrовый TOI{ [s, мА
5
850
1 4
20 30
30 50
8O 120
I'ерметически закрытые модули с I<ОНТрольным фотодиодом для ста-
билизации мощности, с элементом Пельтье и термистором для тепловоЙ
стабилизации и подсоединенным световодом (pig tai1) (рис. 2.84).
DНS-лазерные диоды из семейства IGL с 11.",0,85 мкм можно раз-
делить на две I'РУППЫ:
Рис. 2.84. Лазерный модуль с присоединенным концом световода:
1 лазерНЫЙ кристалл: 2 стекловолокно с соrласующим устройством; 3 _ OHT-
рольный фотодиод; 4 термистор; 5 охлаждающий элемент, построенный по
Прннцнпу Пелыье; 6 монтажный уrолок; 7 корпус; 8 пластинка для тепло-
отвода; 9 вывод стекловолокна
непрерывно работающие одномодовые лазеры с малой выходноЙ
Мощностью (l 7 мВт на зеркало);
непрерывно работаюшие одномодовые лазеры с высокой выходной
мощностью (l5 30 мВт на зеркало).
Первая rруппа лазеров используется n волоконно-оптических лини-
ях связи, а также в научном приборостроении. Вторая rруппа лазеров
наХОДИ1' применение в лазерных печатающих устройствах, для записи
на оптических дисках, в качестве источников света в дальномерах и в
центрах разветвления дэнных с одновременным выходом на несколько
световодов.
2.7.3.2. ИнжеlЩИОННЫЙ лазер на ОСНОВе GахIПI "АSРI у/lпР. Шп-
рина запрешенной зоны E g и показатель преломления n GахIПI хАS'JРl У
изменяются соответственно по законам
Е!! (х, у) == 1,35 o, 72.11 + О,12у2 (E-g, эВ);
n (х. у) 3,4 + 0,265.11 0,095y2;
У == 2,?х/(1 +0,063х),
(2.127)
(2.128)
(2.129)
при этом выполняется уже тре6уемое соrласоваиие решетки четверноrо
раствора материалов с постоянной решетки подложки из InP. Таким
образом, на основе Э1'оrо состава компонентов можно реализовать
DНS-лазерные диоды с излучением длин волн 1,05 мкм:S:;;;л:S:;;;I,67 мкм.
Для непрерывноrо режима работы при температуре 300 К мини
мальная длина волны достиrает примерно 1,2 мкм. Из-за очень малоrо
затухания в световоде, изrотовленном из кварцевоrо стеl<ла, на длине
волны 1. 1,3 мкм (х=0,27; y O,58) и л 1,55 мкм (x 0,42; y O,90)
лазеры на этих длинах волн представляют определенный интерес для
ВОЛOlюнно оптических линиЙ свизи. По сравнению с системой
A1GaAs/GaAs лазер на основе GalnAsP/lnP уступает по так называемой
П\эоблеме То (увеличение безызлучателыlOЙ рекомбинации с ростом
длииы волны), т. е. высокоЙ чувствительности пороrовоrо тока к TeM
пературе, из за чеrо умеlIьшается диапазон температур для непрерЫВ-
Horo режима работы. Поэтому из-за меньших пороrовых токов лазеры
на основе IGL CТPYKTYPbI имеют некоторые преимущества. При больших
скоростях передачи максимальное расстояние между ретрансляторами
оrраничивается динамическим уширением спектра (а не затуханием,
как в диапазоне длин волн около 0,85 мкм). ЭТО имеет особое значение
д/IЯ л 1,55 МЮvl (затухание одномодовоrо световода 0::",,0,2 дБ/км),
поскольку на длине волны л 1,3 мкм (0::""0,4 дБ/км) дисперсия квар-
цевоrо "текла стремитсн к нулю. ДинамичсCl<И стабильный (продоль
ный) одномодовый режим работы может быть достиrнут с помощью:
РОС лазера (J1азера с распределенной обратной связью);
стабилизации модулируемоrо лазера излучением BToporo непрерыв-
Horo лазерноrо диода, который работает в одномодовом режиме
(injection locking);
получения ДlIнамическоrо одномодовоrо спеl{тра при использовании
внешнеrо резонатора или двойноrо резонатора;
внешней модуляции оптическоЙ мощности непрерывноrо OДHOMOДO
Boro лазера.
В 1984 r. с помощью специальноrо РОС-лазера (л 1,55 мкм) ocy
ществлена без ретрансляторов передача на расстояние 203 I{М (с про-
пускной способностью 420 Мбит/с), а в 1985 r. на расстонние 103 км
(с пропускной способностью 4 [бит/с).
в табл. 2.43 прнведены типичные параметры лазерных диодов на
длине волны л 1,3 мкм.
2.7.3.3. Инжекциоиный лазер на основе AlxGaH"AsySbl y/GaSb.
Соrласование решеТlШ четверноrо смешанноrо кристалла <: решеткой
GaSb происходит при
у О,О9х/(1 + О,О6х).
т а б л и ц а 2.43. Типичныс параметры лазерноrо диода с излучением
на длине волны л 1.30 мкм
(2.130)
Параметр
ЗначенИе
Длина волны Л, мкм
Спектральная ширина полосы 111.., нм
Выходная мощность (на зеркало), мВт:
в rрадиентноМ световоде с числовой апертурой
NA 0,2
с диаметром сердечника 50 мкм Рц., мВт
Пороrовый ток 18, мА:
GGL
IGL
1,3
1 5
2 3
1 2
IOo 120
IO 20
Для 0 x 0,26 длина волны излучения изменяется в диапазоне
1,7 мкм л I,8 мкм, причем пороrовый ток сильно возрастает сумень.
шением длины волны. В дrС диодах с плоской мезаполОСКОЙ в 1983 r.
реализован непрерывный режим работы при температуре 300 К (про.
должительность работы в течение более' 2000 ч без ухудшения xapaK
теристик). Эти лазеры представляют значительный интерес, потому что
минимум дисперсии световодов на основе оксида rермания лежит на
длине волны Л 1,75 мкм.
2.7.4. ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ PbSnTe
Этот лазер работает в среднеЙ ИК-области спектра (6,5 32 мкм).
Преимущественными областями применения являются ИК-спектроско-
пин и применения, rде требуется источник ИК излучеиия. в табл. 2.37
приведены исследованные соединенин солей свинца и диапазоны длин
волн излучения, в табл. 2.44 существенные параметры инжекционных
Т а б л и ц а 2.44. Физико-технические параметры инжекциониоrо лазера
на ОСJlове Pbl xSnx Те
Лараметр
rOMOCTPYK'fypa I
CTPYK'fypa
Одинарная I
re'fepOC'fPYK'fypa
Двойная
reTepOCTpYK
'I"Ypa
х 0,12 0,17 0,17 0,13 0,18
Режим работы l cw cw cw cw cw
Температура, К 10 77 10 77 10 77
Плотность пороrовоrо 0,05 2 3 1O 0,1 16 O,I 1 3
тока, KAjCM 2 0,4
Выходная мощность, О, 5 10
мВт
1 С\У непрерывный режнм.
лазеров на основе тройных соединений Pbl xSnxTe. Полупроводниковыi1
материал PbSnTe применяется с различным содержанием РЬ и Sп, за-
писывается в виде Pb' xSllx Те, rде х обозначает долю олова, а (l x)
долю свинца.
Следует отметить, что варьирование х обусловливает изменение
ширины запрещенной зоны и приводит, таким образом, к большому
диапазону длин волн, охватываемому этим полупроводниковым мате.
риалом. При температуре 12 К для x 070,35 изменение длины волны
достиrает л 6,5--;--.30 мкм.
Леrирование происходит с помощью Cd или Sb (доноры), в то
время как РЬ в качестве акцептора уже содержится в смещанном кри-
сталле. р п переход создается тоrда за счет диффузии Cd (Sb) или
с помощью различных эпитаксиальных технолоrий (в виде rOMocTpyK-
туры, односторонней или двусторонней reTepocTpYKTYPbI).
Поскольку полупроводииковыЙ материал РЬSп относительно MHr-
кий, то чистые поверхности излома, которые в то же врervlЯ действуют
как зеркала резонатора, получить затруднительно, так что в большин-
105'
1O't
'"
,
'"
::<:
" юЗ
<t
102
{j
101
О 20 40 БО 80 Т, К
Рис. 2.85. Температурная зави-
симость плотности пороrовоrо
тока длн инжекционноrо лазе-
ра на основе РЬSпТе [38]:
й двусторонняя reTepOCTpYKTypa;
б r{)MOCTpYRTypa; в одинарная
reTepOCTpYKTypa
1б
а
H
4
.;, 12
о
10
8 8
б
О 20 чо БО 80 т,к
Рис. 2.86. Температур нан зави-
симость длины волны инжекци-
oHHoro лазера на основе
PbSnTe [38]:
й двусторонняя reTepOCTpYKTypa;
б rOMOCTpYKTypa (x O,12); в
rOMOCTpYKTypa (х О,Об5)
стне случаев необходима дополнительная обработка путем шлифова-
ния и полировки.
При изменении внешнеrо резонатора (см. разд. 2.7.5) следует в про-
тивоположность GaAs-лазеру уменьшать отражение торцевых поверх-
ностей.
Лазеры на основе PbSlITe преимущественно рабqтают в непрерыв-
ном режиме (мощность не более 10 мВт) (табл. 2.44) и исключительно
при низких температурах (T 77 К), поскольку плотность пороrовоrо
тока очень сильно увеличивается с повышением температуры (рис. 2.85).
Длина волны излучения определяется составом (х) смешанноrо
кристалла и перестраивается при изменении температуры в широких
rраницах (8 мкм<л<16 мкм для 20 К<Т<120 К, рис. 2.86).
Ширина линии 6v излучения очень мала: 6v<3.10 6 [ц. COOTBeTCT
вен но этому лазер этоrо типа в основном находит применение в спект-
роскопии BbIcOKoro разрешения. Разрешение спектрометров, которые
содержат инжекционный лазер в качестве активноrо элемента, из-за
малой ширины линии на порядок выше, чем у обычных приборов.
ПО свойствам, а также по технолоrии изrотовления лазеры на осно-
ве PbSnTe аналоrичны инжекционным лазерам на основе PbSI xSex
и Pb, xSnxSe [2.38}
2.7.5. СВОйСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ ИНЖЕlщионноrо
ЛАЗЕРА
Свойства излучения в значительной степени определнются ;
соответствующей поперечной и боковой структурой лазериоrо «ри-
сталла;
незначительными размерами и спецификой волновода лазерноrо ре-
ЗОНатора.
2
'"'
'"
",1,5
"'"
": 1
......
о 0,1 0,2 0,3 d, мкм
"''<
Е;'"
..,::::!"
"':::'
'"
2 0,5
'"
'"
о::>
1
1,ч;И
1,ч38
1,чч2 Е,эВ
Рис. 2.87. Зависимость плотности I10pOrOBoro тока лазера на основе дrс
A1xGal xAs с широкой крнтактной поверхностью от толщины активноrо
слоя d длн x 0.3 (а) и x 0,6 (6)
Рис. 2.88. Мноrомодовый спектр лазера на основе дrс A1xGal xAs
GaAs, который rенерирует только одну поперечиую моду (ТЕо). Число
возбужденных продольных мод достиrает, как правило, М 20
оrС лазеры с широким плоским контактом характеризуются боль
шими импульсными мощностями и малой расходимостью излученин
(е == 147200, е" "" 100) (см. табл. 2.39). Поляризация излучения co
ответствует ТМ-волне. Вследствие небольшоrо I1змененин показателя
преломления на р l1-переходе даже при больших толщинах активноrо
слоя (d 3 мкм) возбуждена поперечнан Мода ТМо.
В дrС-лазерах с широким плоским контактом и симметричной KOH
струкцией дrс появляются поперечные моды более BbIcoKoro порядка
(m;;;;;;:l) при толщинах активноrо слоя d>O,7 мкм (предполаrая значе-
ние х==0,3). На рис. 2.87 показано изменение плотности пороrовоrо
TOI<a от толщины аКТИВНОI'О слоя для двух различных скачков показа
теля преломленин (х значенин для оrраничивающих слоев смешан-
Horo кристалла) на rраницах активноrо слоя. Испускаемое излучение
соответствует ТЕ-волне {основноЙ моде ТЕо). Излучаемый спектр со-
стоит из частот мноrих продольных мод (рис. 2.88). РасходиМОСТЬ пуч
ка в направлении, перпендикулнрном Р I1'переходу, из-за малой тол-
щины активноrо слоя (d<:0,2 мкм) достиrает значеиия e.l 30-7-500.
Для малых значений d справедливо приближенное соотношение
( 2 2 )
.1 == 2е 1 / 2 4 ,112 111 (d/'Ao),
(2.131)
rде el/2 обозначает уrол, при OTOpOM интенсивность излучения спада-
ет дО JРОВНЯ, paBHoro 50 %; 112 показатель преломления активноrо
слоя; 111 показатель преломления слоя смешанноrо кристалла, rpa-
ничзщеrо с активным СJюем; d толщина активноrо слоя; 'Ао длина
волны лазерноrо излучения в вакууме.
Для симметричной двойной reTepocTpYKTypbJ AlxGal xAs/GaAs
2?
справедливо соотношение 112 п! == 1,42Т"12Х, в результате получаем
e.l ==20xd/'A o (в рад.);
E>.l ==I,I.10 3 хd/л (В rрад).
3
5
р
Рис. 2.89. Инжекционный лазер с внешним резоиатором (селективным
как в спектральном отношении с помощью дифракционной решетки,
так и в пространственном отношеиии за счет щели, перпендикулярной
р п переходу) :
1 лазерный кристалл; 2 поверхность скола 13 каЧестве зеркала резонатора;
3 поверхность скола кристалла с просвет ающим слоем; 4 объектив для фор-
мирования пучка лучей, параллельиоrо р n.переходу; 5 щель, оrраничивающая
пучок лучей В плоскости р n-перехода; 6 дифракционная решетка
Отсюда следует для x 0,3 d O,1 мкм и 1vo 0,9 мкм значение e..L ==
36,70 (более точные расчеты дают значение 39,50).
С помощью как спектральноrо (например, при использовании ди-
фракциониой решетки), так и пространственноrо (например, при исполь-
зовании щели) селективн'оrо внешнеrо резонатора можно уменьшить
пространственную расходимость пучка до значения е 11 0,50 (при од'
HU!3peMeHHoM повышении пространственной плотности излучения до
5 раз), реализовать излучение в спектральной линии шириной 0,05 нм,
а также перестройку этой линии (путем поворота дифракционной pe
шетки) в диапазоне 20 нм.
Предпосылкой длн этоrо являетсн то обстоятельство, что находя-
щиеся внутри резонатора торцевые поверхности инжекционноrо лазе-
ра или просветлены (R 3 %), или длн устраненин внутренних резонан-
сов в лазерном кристалле отполнрованы наклонно к активному слою
(примерно 90 в случае лазера на основе A1GaAs/GaAs).
На рис. 2.89 показана r,ринципиальная схема инжекционноrо лазе-
ра с внешним дисперсионным резонатором.
При сужении боковой ширины области испусканин лазерноrо из
лучения увеличиваетсн расходимость пучка в этой плоскости. В случае
дrС-лазера полосковой rеометрии с шириной полоски 3 !vшм на основе
AlxGaH.As/GaAs расходимость пучка составляет е 11 25+350. Появ-
ление выраженноrо астиrматизма характерно для GGL. Спектр излуче-
ния этоrо типа лазера имеет интервал примерно 0,2 нм между отдель
ными продольными модами, причем полуширина продольных мод до-
стиrает примерно 0,01 нм.
Полуширина оrибающеI"! спектра, образованноrо мноrими продоль
ными модами, составлнет 1 3 нм. Эта ширина спектра соответствует
длине коrерентности несколько сантиметров.
С помощью внешних резонаторов у импульсных оrС лазеров MorYT
быть _достиrну1'Ы плотности мощности до 200 BTjHM при ширине линии
только 0,001 нм. Это соответствует длине коrерентности 1 м. У непре-
рывных ДfС-лазеров с выходной мОщностью 5 мВт ширины линий co
ставляли от 2 до 30 мrц, что соответствует длине коrереитности свы-
ще 10 м.
IGL имеют, как правило, несколько продольных мод, часто даже
одну возбужденную продольную моду. Вследствие выраженноrо боко
Boro волновода они, однако, HaMHoro более чувствительнее по отноше-
нию к отраженному свету (см. табл. 2.1).
КПД инжекционноrо лазера относительно высок по сравнеНИIQ
с друrими типами лазеров (табл. 2.45). У инжекционноrо лазера раз-
личают внутренний (квантовый) КПД 11i,определнемый как отношение
Числа образованных фотонов к числу рекомбинирующих пар носителей
заряда (11i 10---;..-100 %), и внешний (квантовый) КПД:
'1а == 11i ( a ) , (2.132)
а а а]
rде аl внутренние потери; аа внешние потери, обуСЛОЕ.lJенные вы-
водом излучения из лазера; КПД по мощности (кpaTI<O КПД), опре-
деляемыЙ I<ак отношение суммарной мощности излучения из обеих
торцевых поверхностей к общей подведенной электрической мощности,
приведен в табл. 2.45.
т а б л и ц а 2.45. Характеристики инжекциониых лазеров
I Излучае-
Структура Режим мая мощ- КПД. %
работы ность,
I мВт
DHS (дrC) I Непре 1O 1
рывный :::::;10
SHS (OfC) Импульс- :::::;101!.
ный
LOC DHC }) 103 :::::;20
(LOC дrс)
Примечания
T 300 К, возбуждается ос-
новной тип колебаний
т 300 К, частота повторе-
ния импульсов несколько
килоrерц, длительность
импульса около 1 мкс
T 300 К, длительность им-
пульса около 1 мкс, ча-
стота повторения нмпуль-
сов несколько килоrерц
2.8. ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ [58 64]
2.8.1. ВВЕДЕНИЕ
Лазеры на красителях впервые были реализованы в импульсном
режиме в 1966 r., в непрерывном режиме в 1970 r. Эти лазеры rенери-
руют электромаrнитное излучение в спектральном диапазоне от 0,32 до
1,28 мкм, а для создания инверсной заселенности в активной среде
почти исключительно используется оптическая накачка. По продолжи-
тельности работы и виду возбуждения различают;
непрерывные лазеры на красителях (непрерывное во времени из-
лучение) ;
лазеры на красителях с ламповой накачкой (длительность импуль-
са лазерноrо излучения 0,3 3 мкс);
наносекундные лазеры на I<расителях (длительность импульса 5
20 нс).
Лазеры на красителях перестраиваются в широких пределах
(с одним красителем несколько 10 нм) И допускают реrулировку пара-
метров излученин (интенсивность, длительность излученин) . В COOT
ветствии со сказанным эти лазеры находят прим-енение преимуществен-
но в спектроскопии, разделении изотопов, в медицине и биолоrии, защите
окружающей среды, а также в технике аналитических измерений.
2.8.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
2.8.2.1. Активные среды. В лазерах на красителнх вынужденное из-
лучение возникает на флуоресцентном переходе молекул красителя, при
этом речь идет о MHoroaToMHblx орrанических молекулах, которые MO
rYT обладать протюкенной системой 1t-электронов блаrодарн сопря
женным связям и MorYT флуоресцировать. Эти орrанические молекулы
принадлежат различным химическим классам (например, кумарин, ксан-
теновые красители, оксазиновые красители, полиметин) или к орrани-
чески м сцинтиллнторам (табл. 2.46).
В качестве активной среды применяютсн следующие красители:
жидкий в форме раСТ!30ра красителей (наиболее распространеннан
форма) ;
твердый, встроенный в основную кристаллическую решетку;
rазообразный в виде пара красителя.
Концентрация красителя составляет 5.10"3 10 4 моль/л.
Энерrетические уровни молеКУJI красителя состонт из синrлетной
системы (So, S(, ..., S,,) с мультиплетностью, равной 1 (противоположно
направленные спины), и триплетной системы (Т\, Т2"", Тn) с мульти-
\lJlетНОСТЬЮ, равной 3 (параллельно направ.1енные спины) (рис. 2.90).
Эти электронные состоянин имеют мноrочисленные колебательные
и .вращательные уровни, которые за счет взаимодействия друr с дpy
s
n.
.1 /, т"
lfs 1 p
бтl е '" 3
k sr :Е
Б, u
т;
::"2
.....
1 \9
r5 p Ip ;;; бiе 1
f
$0
650
рис. 2.90. Схема энерrетических
уровней лазера на красителе
Рис. 2.91. Эффективные по
перечные сеченин поrлощения
(0'.), флуоресценции (О'е) И
возбужденин триплетноrо co
стонния (О'Т) как функция дли-
НЫ волны л для родамина 6G
Т а б л и ц а 2.46. СпИсоК лазернЫХ красителей
I
ОлlOси- Диапазон
тельная Возбуж- Концентра- лазерных
КРаситель молеку- дение Растворитель ция. МОЛЬ/ J1 длин БОЛН.
ляриая им
масса
р-терфенил 230 Ns Циклоrексан 5 .1O 3 322 360
В DMF 1 .1O 4 335 355
2- (4-бифенилил) -5 фенил-l, 3, 4-0кса- 298 Ns Толуолjэтанол (1: 1) 5.1O & 360 385
диазол (PBD)
Бутил-РВD 354 В DMF 2.1O 4 355 380
Ns Толуол 4.1O 3 355 395
4,4'" -бис-бутилацетилокси-четвер- 675 Ns Толуолjэтанол (1 : 1) 2,5.1O 3 375 400
тичный фенил (BBQ) В DMF 8.1O s 375 400
4.4' -дифенилстильбен (DPS) 332 Ns р-Диоксан 1.1O 3 395 415
2.5-бис (4-бифенилил) оксазол (ВВО) 373 В Бензол lo '" 405 415
Стильбен 3 563 Ns Метанол 1 . 1O 3 41O 465
cw Этиленrликольjэтанол (9: 1) 1 , 1 . 1O 3 400 490
7 -амино-4- метилкумарин (кумарин 175 Ns Эта нол 5.1O 3 420 460
120) В » 3.1O 4 420 460
C\V Этиленrликоль 2,5.10 3 42.5 75
Кумарин 102 2.55 Ns Этанол 5.1O 3 455 495
В » 2,5.1O 3 460 51 О
, cw Этиленrликольjбензилалко- 3.1O 3 470 515
Кумарин 153 309 Ns rоль (8: 2) 5.10 3 515 580
Эта нол
В » 1,5.10 4 520 565
cw Этиленrликоль/бензилалко- 6 .1O 3 535 570
Рода\1ИН 6G 479 1';s rоль (8: 2) 5.1O 3 570 615
Этанол
В » 3 .1O 4 570 625
cw Этиленrликоль 2.1O 3 570 650
Родами н В 479 Ns Эта нол 2,5.1O 8 595 650
В » 3 .1O 4 600 645
cw Этиленrликоль 2.1O З 600 675
4 диЦианометилен -2 метил -В-р- диме 303 Ns DMSO 1.4.1O 3 630 690
тиламиностирил-4Н-пиран (ОСМ) В DMSO 630 680
cw Этиленrликольjметанол "",,1O 3 61О 71O
Крезил фиолетовый 361 В Эта нол 8.1O . 645 700
Крезил фиолетовыи+родамин 60 Ns » 2,5.1O 3 645 690
3,5.1O 3
cw Этиленrликоль 2,4.IO 3 675 710
1 ,5.1O 3
Нильский rолубой А 418 Ns Эта нол 2.1O 3 685 730
В » 5. 1O 4 71O 760
cw Этиленrликоль 1.1O 3 71O 790
Оксазин 1 424 Ns ЭтаНОJl 5. IO З 725 775
В » 1,5.1O 4 700 765
cw DМSОjЭтиленrликоль (1 : 1) 1 ,2.1O 3 695 8IO
3,3' -диэтилоксатрикарбоцианиниодид 512 Ns DMSO 2,5.1O 3 780 800
(ООТС) В » 2.1O 4 785 840
cw DMSO jЭтиленr ликоль (l : 1) 1 .1O 3 760 870
[ексациаllИН 3 (HIТC) 536 Ns DMSO 2 .1O 3 845 870
cw DMSO jЭТИлеЮ' ликоль (1 : 1) 1.1O 3 830 940
3,3' -диэтилтиатрикарбоцианиниодид 544 Ns DMSO 2.10 3 865 885
(DТТС иодид) В » 2. 1O 4 860 885
CW Этиленr ликоль 1.1О З 870 900
3,3' - диэтил 5,5' - дихлор-I О, 12-этилен- 780 В DMSO 2.1O 4 900 950
II дифениламино-2,2' -диатрикарбо- cw ЭТИ.1Jенrликоль 1 ,3.1O 3 890 960
цианинперхлорат (IR-140) Ns DMSO 1.1O 3 930 990
1,I'-диэтил-4,4' -трикарбоциаНШJиодид 532 Ns Ацетон 1O 3 1000
(ксенонциании)
3,3' -диэтил 9. 11, 15, 17-динеопентI'- 826 Ns DMSO 1O 3 11 07
лен-(5. 6, 5', 6'-тетраметокси) тиа- 1285
пентакарбоцианинперхлорат
(О NХТРС-перхлорат)
Пр" м е ч а F и е. Ns наносекундный лазер; В лазер с ламповой иака,!коii; сw w лааер (иепрерывный лазер); DMF.
диметилформамид; DMSO диметилсульфоксид.
том и соседними молекулами (растворителя) так сильно уширены, что
переходы между электронными состонниями в спектре поrлощения
и флуоресценции образуют широкие полосы (рис. 2.91). При комнатной
температуре большинство молекул находятся в основном колебатель
ном состоннии sg.
2.8.2.2. Накачка. Создание инверсии заселенностей происходит путем
переброса на колебательно возбужденные уровни (sf 1, 2, 3) элект-
ронно возбужденных состонний с помощью оптической накачки [дли-
тельность накачки от непрерывной до 10 12 с; плотность мощности
составляет 10 100 кВт/см 2 ; диапазон длин волн изменяется от 200 до
1200 нм; оптимальнан длина волны накачки
ар! . ]
ЛРumр Лl аsеr (307'50) им .
За счет сильноr'о межмолеКУ.1ярноrо и внутримолекулярноrо взаи-
модействия при фиксированном электронном состоннии происходит об
мен заселенностью на колебательных уровннх в течение промежутка
времени не более 10 \2 с; это означает, что имеет место быстран тер-
мализацин. Заселение колебательных уровнеЙ определяется распреде-
лением Больцмана. Поэтому испускание вынужденноrо излучения про
Исходит в форме сильно однородно уширенной линии, начиная от тер-
о
мализованноrо состояния 51 в качестве BepxHero лазерноrо уровня.
Наряду с этим происходнт опустошение состояния s? (процессы по
терь) за счет:
безызлучательной релаксации в состоянии sg (v> 1) (iпtеrпа! con
version) ; /
перехода в триплетное состонние Т\ (iпtеrsуstеm crossing) с Bpe
менем релаксаIlИИ 50 нс ДJIЯ оптимальных лазерных красителей; время
жизни триплетноrо состояния Т\ составляет от 10 6 до 10 с. В течение
этоrо времени молекулы неприrодны для процесса rенерации света.
Чтобы уменьшить влинние этоrо процесса, применяют тушители три
плетных состояний. которые при водят к уменьшению времени жизни
триплетноrо состонния (кислород), или делают прокачку раствора Kpa
сителя (скорость прокачки составляет примерно 1 О м/с).
Нижний лазерный уровень колебательно возбужденный уровень
состояния s вообще rоворя, заселен мало.
Релаксационные переходы на уровень S происходят за времена
менее 10 12 с.
Возбуждение посредством оптической накачки происходит с по
мощью мощных источников света накачки различных типов, и блаrодаря
этому различаются отдельные типы лазеров на красителях.
2.8.3. СИСТЕМЫ НАКАЧКИ
2.8.3.1. Непрерывный лазер на красителе, Непрерывно накачизае
мый лазер с продольной системоЙ накачки схематически показан на
рис. 2.92. В качестве источников света накачки применяются непрерыв-
ные rаЗОiJые лазеры (выходная мощность свыше 1 Вт, минимально не-
обходимые плотности мощности составляют 100 кВт/см 2 ). Для этой
цели особенно хорошо подходят ионный арrоновый, а также ионный
криптоновый лазеры (см. подраздел 2.6.4.3). Накачиваемый раствор
красителя протекает через резонатор перпендикулярно ero оси в виде
тонкой жидкой струи (jet strеат-техника).
Струя (сформирована с помощью специальноrо сопла, толщина
несколько 100 мкм, скорость потока 2 12 м/с) направляется под yr-
лом Брюстера относительно оси резонатора. Выrодно применение ра-
'$..
""-
2 3
1
Рис. 2.92. Непрерывный лазер на красителе с продольной системой на-
качки:
1 излучение накачки; 2 сформированна струя красителя; 3 пучок лазера
на красителе
,R"," 100%
R<100%
1
Рис, 2.93. Модифицированный конфокальный резонатор:
1 нзлучение накачки; 2 сформнроваииая струя красителя
створов красителя с высокой вязкостью (наиболее распространенным
растворителем явлиется этиленrликоль).
В качестве резонаторов применяются:
модифицированные, астиrматически корректированные конфокаль-
ные резонаторы, у которых активная среда находится в наименьшем
поперечном сечении пучка (рис. 2.93);
кольцевые резонаторы для достижения непрерывноrо одномодовоrо
режима работы с высокой мощпостью (для этой цели требуется «опти-
ческий диод», который прозрачен только для одноrо направления рас-
пространения излучения) (рис. 2.94).
Отражательная способность выходноrо зеркала достиrает 0,9
0,99, длина резонатора 20 200 см. Выходпая мощность лазеров на
красителях, работающих в непрерывном режиме, составляет менее
1 ВТ (табл. 2.47), при этом возможна перестройка частоты лазерноrо
излучения в широком диапазоне,
2.8.3.2. Лазеры на красителях ламповой накачкой. Возбуждение
лазеров этоrо типа происходит в поперечной системе накачки. В каче-
стве ИСТОЧНИКОВ света накачки применяются:
1) стержневые импульсные лампы (лампы-вспышки) внутри эллип-
тическоrо отражателя (рис. 2.95):
Длительность фронта импульса
Энерrия, Дж . . , . ! .
R' 1 мкс
10 60
Т а б л и ц а 2.47. Физико.-технические пара.метры коммерческих
непрерывных лазеров иа красителях (TEMoo-мода), лазеров
на красителях с возбуждением импульсной лампой и лазеров
на красителях с возбуждеиием наиосекундным лазером
Лазеры на Нр'3СИТ€liЯХ
непрерывные с ламповой наносекундиые
Параметр накачкой
I 375 В I CR 699 21 CMX 41 DL 2100B DL 19 I F'L 2002ЕС
(США) (США) (США) (США) (США) (ФР[)
ДиапаЗ0Н ДЛИ}) 403 9 O 400 1000 435 730 335-----850 332 950 320 750
волн, им 3.10'
Ширнна ЛИНИИ, 0.5 10' 10. 10' 200
мrц
Мощиость накач- 4 6 <4.10' 4.10'
кн, Вт
Эиерrия накачки, 15 625
Дж
Выходная мощ- 1,0' 0.9' 6000' 7.10" 4.10" 4. Щ"
ность, Вт
Длительиость им- 1000 500 5 20 7 20
пульса, нс
Частота повторе- 30 1,5 200 250
иня и М пульсов,
rц 0.6" 10'
КПД, % 15' 15' 0,048 10'
I На длине волиы 590 нм.
· На длине волны 600 им.
8 Электрнческий
, Оптический.
- R;::;100'Yo
3
R< 100 о;:,
РИс. 2.94. КольuевоЙ реЗ0натор для лазера на
действия:
1 излученне накачки; 2 сформированна>! струя
диод
красителе непрерывноrо
красителя: 3 ОПТИЧССI(ИЙ
Срок службы, пусков (разрядов)
ДиапаЗ0Н длин волн, им
Рабочее напряжение, кВ
Охлаждение , . .
106
200 500
1 1O
Воздушное
или водяное
Рис. 2.95. Система нщ<ачки лазе-
ра:
а с эллнптическим отражателем; б
с коансна.лънон J1аJl:IПОЙ ВСПЫШХI.JЙ:о J
раствор краснтеля; 2 лампа вспыШ-
ка; 3 элшштнческнй отражатель; 4
разряДный канал; 5 отражающий
слой
1
. "......
о," .....
. .:.:............:
...:: ",.:
.... "."
',- ..'
.... ",
:.: . .\..:;:.: ::: . /
5 'r 1
5)
2
а)
Составляющая УФ-излучения, которая может привести к фотохи-
мическим реакциям в растворе красителя, должна быть отфильтрована
'{с помощью УФ-фильтра);
2) коаксиальные импульсные лампы (см. рис. 2.95);
Длительность фронта импульса, I1С
Энерrия, Дж. .
Срок службы, пусков
Диапазон длин волн, нм
Рабочее напряжение, кВ
150
БО БОО
106 104
200 500
1O 50
Эти импульсные лампы состоят из двойноrо цилиндра, причем во
внутреннем цилиндре находится раствор красителя, в то время как во
внешнем ци.1Jиндре пронсходит разряд. Блаrодаря такому расположе-
нию достиrается оптимальная связь по энерrии без внешнеrо отража-
т€.п
Малые времена нарастания тока необходимы, чтобы избежать при-
менения тушителей трнплетноrо состояния. Малых времен нарастания
тока можно достиrнуть с помощью разрядноrо конту)?а ламп-вспышек
с малой индуктивностью и быстрых переключателей (искровые разряд-
ники, тиристоры или водородные тиратроны) (рис. 2.96).
Для стабилизации параметров разряда, а также для достиження
большоrо срока службы ламп вспышек необходимо обеспечить специ-
альный ждущий режим (при этом через импульсную лампу накачки
постоянно протекает ток в несколько миллиампер, блаrодаря чему об-
разуются носители тока, которые облеrчают поджиr лампы накачки).
Раствор красителя находится в кюветах из кварца или стекла
(в зависимости от рабочеrо диапазона длин волн).
Объем кюветы составляет неСIЮЛЫЮ кубических сантиметров,
а длина 5 15 см. Форма кюветы обычно цилиндрическая, через эту
кювету прOl<ачивается раствор красителя со скоростью примерно
3 л/мин.
Цилиндрические проточные кюветы MorYT быть выполнены с двой-
ной стенкой для помещения между ними фильтрующей жидкости
(У Ф-фильтр).
Для достижения однородноrо распределения интенсивности нщ<ач-
Rи необходимо соrлаСОвание BHYTpeHHero диаметра кюветы D, и кон-
центрации красителя N р, при этом справедливо соотношение
NpD i 1016 CM .
Из аналоrИЧllЫХ соображений можно получить для отношения наруж-
Horo диаметра D. к внутреннему D. соотношение
Da:D j 1,5: 1
Для лазера с лаМПОВQЙ накачкой с высокой частотоЙ повторения
импульсов лазерноrо излучения также возможно применение струйноrо
течения, однако этот способ редко употребляется. В основном приме-
няются резонаторы с ПЛОСI\ИМИ зеркалами (резонатор Фабри-Перо,
рис. 2.97).
+)
ь
.
s
с
.
J
.
Напряжение
дежурной
душ
",,2 кВ
r l , 1
Н-Д
L .J
1I
III
r Th1= 1
4. .ЩJ
I I
L q J
- J
Рис. 2.96. Принципиальная схема разрядноrо контура IIМПУЛЬСIЮЙ лам-
[ТЫ:
€ конд"нсатор; D, и D. диоды; а высоковольтный запускающий импульс
для дежурноrо тока; Тт пусковая схема; ТЬ тиристоры; S быстрый пере-
ключатель, I искровой разрядннк; 11 тиратрои; [[ I переключающее устрой.
ство С использоваиием тиристоров
R z 100%
Рис, 2.97. Лазер на красителе с ламповой накачкой и резонатором типа
Фабри-Перо:
1 система расширеиия пучка; 2 кювета с окиами, устаноменными ПОД уrлом
Брюстера
Преимущества: облеrчены изменение длины резонатора, а также
установка дополнительных оптических элементов.
Отражательная способность выходноrо зеркала составляет 0,5 0,7.
Длина резонатора достиrает 20 100 см.
Выходная мощность достиrает MeraBaTTHoro диапазона, см.
табл. 2.47.
2.8.3.3. Наносекундный лазер на красителе. В наносекундном лазе
ре на красптеле для возбу дения активной среды применяются импуль
сы накачки наносекунднои длительности, преимущественно использу-
ется поперечная система накачки. В качестве ИСТОЧНИков накачки при
меняются:
эксимерные лазеры на ХеСl*, KrF*:
Мощность, мВт . 1 100
Длительность импульса, нс . . . 4 20
Частота повторения импульсов, [ц Не более 250
fенерация лазерноrо излучения возможна в диапазоне 320 950 нм;
N2 лазер (сверхизлучатель излучатель без обратной связи):
Длина волны, нм .
Мощность, мВт .
Длительность импульса, нс .
Частота повторения импульсов. [и
Поперечное сечение пучка преимущественно имеет прямоуrольную
форму, возможно круrлое сечение пучка.
fенерация лазерноrо излучения возможна в диапазоне 350 850 нм;
Nсl ИАf-лазеры и их вторая четвертая rармоники;
ДЮ'''i<1 волны, НМ . . . 1060, 532, 355, 266
Мощность, мВт, не более . 10-<3, -<1, -<0,5
Частота повторения импульсов, [ц, не более 2,'')'
Длительность импульсов, нс, не более lO зо
Поперечное сечение пучка круrлое
337
O,5 1
5 1O
Не более 100
Nсl ИАf лазеры хотя и имеют более вЫсокие характеристики
по сравнению с эксимерным и аЗОll-1ЫМ лазерами, однако они
более сложны (в основном из-за необходимости преобразования
ты); rенсрация лазерноrо излучения возможна в диапазоне
1080 нм;
лазеры на стекле, активированном Ncl, и их вторая четверт:;я
rармоники параметры аналоrичны параметрам Ncl-ИАr лазеров, од-
нако в этом случае допускается более низкая частота повторения им-
пульсов (не более 1 [ц).
Рубиновый лазер и ero вторая rармоника длина волн 0,694
и 0,347 мкм.
Иноrда для возбуждения активной среды применяются импульсный
арrоновый, криптоновыЙ и ксеноновый лазеры, а также полупроводни-
ковые лазеры. В будущем следует ожидать применения лазера на парах
Меди для накачки лазеров на краСlIтелях из-за ero высокой частоты
Повторения импульсов лазерноrо излучения (длины волн 0,510
0,578 мкм).
Раствор красителя находится в кюветах, длина которых 10
20 мм, форма обычно прямоуrольная или uилиндрическая. Требования
R кюветам: хорошее оптичеСlюе качество внутренних rраней кюветы для
Устранения потерь на рассеяние (поэтому нспользуются отожженные
пучка
также
часто-
324
кюветы из кварцевоrо стекла с плотным контактом), окна кюветы iIa
раллелыIы с точностью до нескоJЧЬКИХ уrловых секунд, иаклон окон
состаВJiяет 3 50 относительно вертикали (для устранения rенерации
Между стеIlками кюветы). Излучение наI<ачки фокусируется с помощью
цилиндрической линзы в зону накачки в ВИДе полосы высотой примерно
0,2 мм. При помощи накачки 10 кВт lIЛОТНОСТЬ мощности В зоне накач-
I,<H достиrает. примерно 3.10. Вт/см 2 .
Конструкция резонатора (рис. 2.98) аналоrична конструкции резо-
натора, используемоrо в лазере на красителе с ламповой накачкой'-
I
1
:J
2 If
r
:R< 100 %
Рис. 2.98. СхеМа резонатора наносекундноrо лазера на красителе с си.
стемой расширени пучк1о н дифракционной решеткой:
1 днфракционная решетка; 2 сисТе"а расШирения пу,:ка; :1 излучение на.
качки; 4 кювета с ураситеJ1ем
т а б л и ц а 2.48. СвОйства излучения лазеров на красителях
Лаз ры на красителях I
Параметр иеПре ЫБ I с и.тульс- I наносекуид- / Примечания
выи ными иыl1
J1аМПаМИ
Диапазон 390 1010 335 1000 320 1285 Необходима смена
длин воли, красителя
НМ
Ширииа 10" 10" 10'3 10" 10'3 Непрерывио перестра-
линии, rл иваемый широкопо-
10. ЛОСНЫЙ резонатор
ОДНОМОДОВЫЙ коль-
(3 6) . 10" (3 6) . 1011 цевой лазер
Резонатор с дифрак-
3.10" 3.10" ционной решеткой
Резонатор с днфрак-
ционной pelueTKoi1 с
3.108 3.108 расширеннем
Дополннтельно с эта
ВЫХОДная {Ц 1 (0,01 1) .10" (0,1 10) .10. лоном Фабри-Перо
мощность, Вт (0,1 100) .10 3
Выходная 0,0I 1
анерrия n
импу льtе, Дж
Длительиость (0.3 3) .10' 5 20
импульса I не
Частота 100 100 Возможеи режим в
повторения, диапазоне килоrерц
rц
КПД, % 5 20 0,5 (электри- 5 20 (оnтНчес.
(оптичес- ЧеCl<ийl) кИйl)
кийl)
в наносекундных лазерах на красителях отражательные способно-
СТН выходноrо зеркала составляют 0.1 0,4, а длины резоиаторов дос-
тиrают 10 40 см (длины резонаторов должны выбираться по возмож
ности маленькими, чтобы при малой длителыlOСТИ импульса накачки
су шествовала возможность в течение этоrо времени еще несколькик 06-
ходов резонатора).
Пример. Длительность импульса составляет 6 нс, длина резонатора
30 см, тем самым возможны 3 обхода резонатора. Относительно не-
большое число обходов резонатора определяет, следовательно, в зва-
чительной степени также характеристики излучения (табл. 2.48).
2.8.4. СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ
Свойства излучения лазеров на красителях в основном определя-
ются большой однородной шириной лИНИИ Jraзера (табл. 2.48, рис. 2.99
и 2.100). Это ПОЗВОJIяет осуществить:
спектральную «конденсацию», т. е. преобразовать всю Нalюпленную
энерrиlO излучения лазера на I(расителе в энерrиlO излучения, сосре-
доточенную в узком диапазоне Ч:jСТОТ;
перестройку по частоте (при применепии частотно-селективных эле-
ментов) ;
спектральное сужение на основе сильиых процессов конкуренции
между модами.
В качестве частотно-селективных элементов для достижения даль-
нейшеrо сужения (вплоть до одномодовоrо режнма), а также пере-
CTPOI{KH частоты применяlOТСЯ:
эталон Фабри-Перо;
дифракционные решетки;
интерференционные фильтры;
'призмы;
Р,Вт
8
0,1
0,05
O,OJ
0,01
чОО
500
600'O" . 70f)
800
900
,
,it!HM
Рис. 2.99. Выходная мощность лазера на красителе HenpepbIBHoro дей-
ствня в зависимости от длнны волны для различных красителей (крнп-
Тоновый лазер наi<аЧКИ, мноrомодовый режим rенерацин мощностью
примерно 10 Вт):
l стильбен; 2 Еумарии 1; 3 ЕУМ8РИН 102; 4 ЕУМ8РИИ 30; 5 рОД8МИИ 110;
6 рОД8МИИ БG; 7 РОД8МИИ 101; 8 ОЕС8ЗИН 1; 9 DOTC: lO HIТC; l1 IR 140
'!'
l' .:.
.
;:.:.;:
. :
.-: ;.:.
0":": .;<::
:: I 'I I]Jli f I H: I ;(
"';" ...... ..1.., I .J..:..:....;
......-.-
:"':i.;(;
,4YIH" I { I "' 'I' I . .
. .:'I<!; . !J..' ..... .. :;t.... ......
:::. -.:::
..
щrr .tl
"
Рис. 2.100. Участок перестраиваемоrо спектра наносекундноrо лазера на
красителе с резонатором с дифракционНОЙ решеткой и линзовой систе-
мой расширения пучка (величина шаrа 5 нм):
а родаМИR В (б30 595 ИМ); б родамнн БG (БО5 575 им); в кумарин 153
(585 515 ИМ); е кумарин 102 (505 4БО нм); д ртутный спектр сравнення
фИЛЬТрЫ на основе двоЙноrо лучепреломления.
Эти элементы устанавливаются внутри резонатора лазера или для
случая решетки (наиболее часто применяемый способ) вместО зеркала
с отражательной способностью 100 % по автоколлимационной схеме
(схема Литтрова). Перестройка частотЫ происходит путем поворота
дифракционной решетки.
Между длиной волны "л и уrлом падения (дифракции) а имеет мес-
то следуюшее соотношение:
тл 2d sina,
(2.133)
rAe т дифракциоННЫЙ порядок решеткИ.
Пассивная ширина спектра /j,л резонатора с дифракционной решет-
кой определяется выражением
"лd . v ( Л ) 2
/j,л== 1
WT 2d '
(2.134)
rде л длина волны; d постоянная решетки; W т радиус наи.
меньшеrо поперечноrо сечениЯ пучка внутри резонатора.
Пример. С WT O,1 мм; л 600 им и дифракционной решеткой
2300 линий/мм получаем /j,л 0,6 нм.
В качестве отражательной решетки преимущественно используется
эшеллет в нескольких порядках или rолоrрафическая решетка в одном
порядке (отражательная способность не более 0,9).
Ширина спектра резонатора с дифракционной решеткой может быть
уменьшена, если расширяется лазерный пучок в резонаторе (увеличе-
ние W T ). Блаrодаря этому одновременно уменьшается лучевая наrруз
ка на решетку.
Допускаемое увеличение системы для раСlllирения пучка: 1: 5 для
лазера на красителе с ламповой накачкой, 1: 20 1 : 100 для наносе-
кундных лазеров на красителях (для этоrо конструктивная длина систе-
мы уширен ия пучка должна быть меньше 10 см, чтобы длина резона-
тора оставалась малой).
В качестве систем расширителей пучка при примерно одинаковых
возможностях, но различных затратах применяются (рис. 2.101, a 6):
а)
о)
*
.
Рис. 2.101. Системы расширения пучка для лазеров на красителях:
а система линз; 6 система призм: в снстема с дифрак_ционноJ! решеткоil
линзовая система (в общем случае телескоп rалилея); для кор-
реrирования этой системы требуются по меньшей мере три линзы;
система нз призм, которая отличается простотой; требуется по
меньшей мере две призмы для получения ахроматической системы; пре-
имущество этой системы состоит в том, что излучение является линей
но поляризованным, Та!<ая система часто применяется на практике;
система с дифракционной решеткой, при этом используется сколь
зящее падение пучка на решетку (неавтоколлимационная схема Литтро-
ва), блаrодаря этому получается простое устройство без дополнитель
ной системы расширения пучка, однако предъявляются более высокие
требования к качеству решетки (плоскостность, дифракционая эффек
тивность) Излучение является лиНейНо поляризованным.
С системой расширения пучка в наносекундном лазере на краси-
теле достиrается ширина спектра 10 2 нм. Ширину спектра можно
дальше уменьшить с помощью дополнителыюrо интерферометра Фабри
Перо
Друrая возможность уменьшения ширины спектра состоит
в использовании распределенной обратной связи РОС (c1istributed
feedback DFB) [61, 62] (рис. 2.102). Пучок накачки лазера на кра-
СИтеле разделяется на два, каждый из которых падает под одинаковым
уrлом на I<ювету с раствором красителя. Интерферирующие пучки ин
дуцируют за счет периодической пространственной модуляции показа
теля ПDеломления и усиления РОС-структуру (решетку), Пассивная ши-
рина полосы A DFB зависит от длин волн лазера накачки л р и лазера
па красителе ЛFL' а также от ширины полосы Лр лазера накачки.
Пассивная ширина полосы л DFB определяется выражением
i\DFB (ЛFL/ЛР ) Ю- р .
(2.135)
Рис. 2.102. Схема лазера на
красителе с распределенной об
ратной связью (РОС) (c1istri.
bиted feedback DFB):
1 кювета С краС>lтелем; 2 >lЗЛУ-
чение накачки; 3 СDетоделитель;
4 ОТКЛО>lяющее зеркало; 5 >lЗ'
2 луче>l>lе пазера; а. уrол паде>lИЯ
Преимущество: простая конструкция.
Недостаток: длина волны сложиым образом зависит от параметров
материала и линейных увеличений.
Области применения: шпеrральная оптИ!<а, пикосекундная спектро-
скопия.
С помощью специальных устройств возможна дальнейшая вариация
свойств излучения.
В частности, можно осуществить:
rенерацию субнаносекундных импульсов (наносекундный лазер)
вблизи ПОрОfа при больших потерях резонатора, длительность импуль-
сов составляет 0,I O,5 нс;
fенерадию пикосекундных импульсов (см, разд. 2.10.2);
преобразование частоты с номощью эффектов нелинейной оптИlШ
(см. разд. 3.2).
Блаrодаря rенерации rармоник (fBr) можно охватить УФ-область
спектра до 217 нм (непрерывно перестраиваемое излучение), а посред-
ством rенерации суммарных частот с основной волной Ncl-ИАf-лазера
можно расширить диапазон длин волн до 190 нм (табл. 2.49). Друrой
способ rенерации УФ- и ВУФ-излучений дает вынужденное комбинаци-
онное (рамановское) рассеяние (ВКР SRS) в fазах и парах (см.
разд. 3.2), особенно при использовании лазеров на красителях с на-
качкой мощными эксимерными лазерами [64].
Сдвиr частоты при комбинационном рассеянии можно использовать
также для преобразования излучения лазеров на красителях в ИI(-
области спектра до 20 мкм.
Расширение ИК-области возможно таl<же путем rенерации разност-
ной частоты при смешении с волной от друrоrо лазерноrо источника (из-
лучение твердотельных лазеров, излучение Ncl-ИАf-лазера). С помо-
щыо различных кристаллов можно охватить область длин воли до
18 мкм.
Коэффициент преобразования ДJIЯ указанных методов преобразова-
иия частот нелинейной оптики квадратично зависит от входной интен-
сивности, т. е. оптимальные условия требуют интенсивных пикосекунд
ных или наносеl<УНДНЫХ импульсов излучения, в то время как преобра-
зование непрерывноrо излучения твердотельноrо лазера проблематично.
Т а б л и ц а 2.49. Преобразование частоты излучения лазера
на красителе (FL)
I Диапазон I КПД преОб- !
длин волн разованИя, %
Материал
НЛО
Примечання
Вид
преобразования
SHG (rенерация KB.O .4H.o 217 265 5 0.5 I<rщ преобразова
второй rармони- нм (Hc FL) ния для c\v FL '
ки) ADP, I<DP 26q 360 Менее 10 <1%
нм (Hc FL)
SFG (rенерацня I<B.OB. 4 H.o 190 2l1 1 10 (ис FL) Смешение с 1.06 мКМ
суммарной ча им (отнесенный (Nd-ИАr-лазер)
стоты) к мощности
РЦ
DFG (rенераЦIlЯ Li NbO. 1 5 МКМ Смешение пренму
разностной Ча- LilO. 1 5,б МКМ щественно с излу
стоты) AgGaS. 1 12 МJ{M 0.1 1 ченнем Nd-ИАr ла
AgAsS 3 1 13 мкм эера нлн излучеии
GaSe 1 18 МКМ ем FL
SRS (BI<P) I rазы 100 265 I Не более 1 Необходимы nысокие
нм (Hc FL) мощиостн
Пары 1 20 мкм
<i
При rенерации разностной частоты коэффициент преобразования в IO
lСС iJi1З меньше, чем при rеиерации rармоник. Предпосылками для по-
лучения оптимальных зиачеиий коэффициентов преобразования во всех
случаях являются спектральиые ширины !:Iе более 1 CM l излучения ла-
зеров иа красителях и хорошая модовая структура.
2.9. друrИЕ типы ЛАЗЕРОВ
1( настоящему времени уже имеют определенное значение или еще
находятся в стадии разработки ряд друrих типов лазеров. Они допол-
няют имеющиеся типы лазеров по отношеиию диапазона длин волн
и возможной перестройки частоты лазеров (лазеры на центрах окраски,
рекомбиНiЩИОННЫЙ лазер), а также мощностн н техиолоrичности (хи-
мические лазеры и лазеры на свободных элеl\тронах).
2.9.1. ЛАЗЕРЫ НА ЦЕНТРАХ ОКРАСКИ
в качестве активной среды применяются кристаллы, содержащие
щелочные металлы, с центрами Оl\раски в различных конфиrурациях
[F, F А (Щ, F в (II), Ft, Ft ...] [2.65}.
Недостатки: центры окраСIШ часто устойчивы по отношению R теп-
ловому распаду только при иизкнх теМпературах (77 I(), поэтому не-
обходимо охлаждение кристалла.
ПреИ\llущества:
относительно высокая мощиость излучения в ближней ИI(-области
спектра (более высокая по сравнению с соответствующими полупровод'
НИКОвыми лазерами);
широкий спектр флуоресценции цеIlТРОВ окраски при одновременно
сильноЙ связи с кристаллической решеткой, так что отиосительно воз-
можностей перестройки частоты и одномодовоrо режима работы свой..
ства аl\тИВНОЙ среды идеальны.
Возбуждение активноЙ среды осуществляется с помощью оптиче-
ской накачки, в непрерывном режиме работы с помощью ионноr{)
лазера, Nd-ИА[-лазера или лазера на красителе, при ИМПУЛЬСНОМ воз-
буждении с помощью ламповой накачки, эксимерных лазеров или
лазеров на парах меди.
Только при импульсном возбужденин возможен ТaI\же устойчивый
режим работы при комнатной температуре (Л"," 1,2 мкм при прнмеие.
нии кристаллов с центрами окраски типа F).
Схема лазера на центрах ОКраски по конструкции резонатора аиа-
лоrичиа схеме лазера на красителе (см. разд. 2.8) (рис. 2.103).
в 1 1=>
+ + + +
+ + +
+
+ + + +
а) е)
1
Рис. 2.103. Принцип действия лазеров
на центрах окраски:
2 а ц<,итры окраски типа F А (II) в пре-
делах кристаллической решетки (перед по.
rлощением и перед испускаиием излуче-
ния); 6 схема эиерrетпческих урОвиеЙ
(1 поrлощение: 2 лазерный переход):
6 устройство лазера иа центрах окраски
(Л-образный резонатор) (1 зеркало; 2
кристалл)
Преимущественный диапазон длин волн излучеиия лазера на цент.
рах окраски лежит в пределах ], 174 мкм (табл. 2.50) с мощиостью
от 0,1 до нескольких ватт.
т 8 б л и ц а 2.50. Свойства некоторых лазеров на центрах окраски [2.65]
Параметр I<CI: Li, RbCI: Na, I LiF, pt I I<F, Ft
F А (11) FB (11)
Лазер накачки I(r, Ar I(r I(r Nd-ИАr
Длина волны накачки, 530. 647, 514 647, 677 647 1064
нм
Пороrовая мощность на. 13 26 90 120
[{эчки. мВт
Выходная МОЩНОСТЬ, 240 6 1700 310
мВт
КПД, % 9,1 2.1 57 22
Диапазон иерестройки, 2,1 2,9 2,5 2.9 0,8 1,0 1.26 1,48
мкм
I(ристалл, тип центра окраС!{1I
Свойства излучения определяются чисто однородным уширением
линии, а тем самым сильиой конкуреицией мод (сильно выраженной;
как и у лазеров на красителях). Соответствеино этому в непрерывном
режиме лазер иа центрах окраски rенерирует только несколько (2 3)
",од из за эффекта «выrораllИЯ дыр» (резонатор Фабри-Перо), межмо
довый интервал составляет прнмер о 8 rrц. .
Леrко достижим одно юдовыи режим с ширинои линии меньше
1 мrц. Лазеры на цеитрах окраски применяются преимущественно в МО-
лекулЯриой спеКТРОСIЮПИИ в ближнеЙ Иl(-области спектра: спектроско
пни двойноrо резонанса, спектроскопии молекулярных пучков и MHoro
фотонной спектроскопии при измерении формы линии.
2.9.2. ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ
Первый лазер на свободных электронах (ЛСЭ) (Free electron
Laser, FEL) был реализован в 1976 r. С тех пор этому типу лазера
уделяется все возрастаюшее внимание в различных странах [67 73*].
У лазеров на свободных электронах активной средой является элек-
тронный пучок высокоЙ эиерrии. Реализация ЛСЭ требует дополнитель
ных полеЙ. -В качестве таких полей служат:
статические, периодическн изменяющиеся в пространстве маrнит-
ные поля (ондуляторы, рис. 2.104), которые модулируют траектории
в @[j@ B[j СОет",'"
UМПУЛbQ
l ' 7 <:"
ОСЬ ц ц ц ц ТраекторllЯ
ондулятора L:Y N L:Y L:Y электроно{}
ПерllоiJ
ондулятора
Рис. 2.104. МаrнитныЙ ондулятор, в котором поле образуется с по-
мощью последовательностн меняющихся маrнитных диполей (S юж-
ныЙ полюс; N северный полюс)
электронов и обусловливают, таким образом, излучение фотонов (Mar-
иитНое тормозиое излучение); большинство реализованных до сих пор
ЛСЭ основаны на этом принципе действия;
поля при распространении в среде (эффект Черенкова);
распространение в волноводе с решеткоЙ (эффект Смита-Парселла).
'" Название «лазер иа свободных электронах» (Free e1ectron La
ser) выбраио не очень удачно, поскольку преобраЗОБание кииетической
энерrии (действительно) свободных электронов в электромаrнитную
энерrню невозможно, потому что законы сохранения энерrии и им-
Пульса одновременно не MorYT быть выполнены.
Последующее нзложеиие относится к JIСЭ, принцип действня кото-
рых основаи на маl'НИТНОМ тормозном излучении.
Длина волны Л L Jlазерноrо излучения равна:
Л W ( еВл\v )
ЛL 2,\,2 + 2птс ·
rде л\v период ондулятора (или виrrлера); утс 2 энерrия электро-
на; v [1 (V/C)2] .'; v скорость электрона; В маrиитная индук-
ция оидулятора (типичное значение несколько десятых тесла).
Из уравнения (2.136) вндно, что длина волны лазера на свободных
электронах может быть последовательно настроеиа путем вариации
скорости электроиов v, периода ондулятора Л W илн поля оидулятора В.
Увеличеиие ЧИС. а периодов опдулятора вызыВает умеиьшение ши-
рины линии, увеличение усилеиия, уменьшение достиrаемоrо I\ПД (вы-
ход: применение накопительных колец, в которых электроны после про-
хождения через оидулятор снова ускоряются для компенсацин потерь
на излучение, нли примеиение замедляющих структур).
Большой интерес к лсэ обоснованно связаи с потенциальными воз-
можностями, которые ОТI-;рывают лазеры. 1\ этим возможиостям отпосят-
ся (даже если они реализуемы не в одиом лсэ) диапазон переСТРОЙI\И
50 нм :;:;:;л L :;:;:;1 мм, импульсная мощность свыше 1 МВт, ширина линии
6Л L /ЛL <10 6, общий КПД более 10 % и длительность импульса
IO J2 с:;:;:;..:;:;:;оо.
Недостаток лсэ: высокие экспериментальные затраты (особенно
иа источник релятив;:стских электронов).
В качестве источников электронов применяются лииейиые ускори-
тели, накопительные кольца, микротроны (наиболее просто реалнзуе-
мые).
Преимуществеиные диапазоны длин воли: ИI(-диапазон, суБМИJI-
лиметровый, УФ- и рентrеновский диапазоны (в видимом диапазоне
существуют лазеры на красителях). Особых затрат требует rеиерация
более коротких длин волн, для которой необходимы большие скоро-.
сти электроиов н (или) короткие периоды ондулятора.
Реализованные до сих пор лсэ охватывают далеко не 'все назван-
ные возможности [71 73]. На рис. 2.105 показаиы принципиальиая схе-
(2.136)
,у
1
5,2м
12,7м
2
4-
Рис. 2.105. Принципиальиая конструкция лсэ на основе маrнитноrо
тормозноro излучения (указанные ЧНСJI('нные значения относятся к экс-
перименту, описанному в [66):
1 nаэерное зеркаnо; 2 периодическая структура маrнитноrо пoJ!я (виrrnер)
(период 3,2 см; 0,32 Т); 8 эnеКТрОИlIЫЙ nуч (43 МэБ; 2,6 А); 4 nазерное зер'
каnо (R 7,5 м)
ма создаиноrо лазера на свободиых электронах и получеииые дан-
ные [66]. ..
Самая короткая длина волны, на которои до сих пор было нзмерено
усиление (0,07 % на проход), достиrает 0,5 мкм [71J. До настоящеrо
времени преимущественно исследовалась длина волны 10,6 мкм (дли-
на волны СО 2 -лазера) и субмиллиметровая область спектра.
В этом диапазоие длин ВОJ1И получены следующие максимальные
значеиия (Лос-Аламосская Национальная лаборатория, 1984 r.): диа-
пазон перестроЙки 9 35 мкм путем изменения энерrии электроиов в ин-
тервале 12 23 МэВ (накопительиое кольцо); средняя мощность не-
сколько киловатт; длительность импульса 60 мкс, в пределах KOToporo
получается примерно 200 микроимпульсов длительностью по 60 нс (что
обусловлено источником электронов); импульсная мощиость 107 Вт;
КПД 2 %.
2.9.3. РЕКОМБИНАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР
Рекомбинационные или плазменНые лазеры имеют значение [74.
77) как:
лазеры в видимоЙ и в ближнеЙ ИК-областях спектра, которые от-
личаются относительной простотоЙ, высоким сроком службы и Высоким
КПД (до 10 %);
лааеры, rенерирующне в коротковолиовой н вплоть до peHTreHoB-
скоЙ областях [2.77J.
Активная среда. Активной средой является плазма, образуемая
с помощью электрическоrо разряда, плазма искры, образуемой лазер-
иым излучеиием (преимуществеино при rенерации коротковолновоrо из-
лучеЩlq).
Мехаиизм иакачки. Это электронно-ионная рекомбинация в пере-
охлажденной плазме, в связи с чем характеристическое время подвода
энерrии может быть существеино БОЛьше, чем время жизнн BepXHero
лазериоrо уровня (не требуется «sv,ept gаiп рuшрiпg» в сверхкоротко-
волновой области спектра).
ПрИицип действия (рис. 2.106). Требуемые для усиления параметры
плазмы получаются в двухступенчатых процессах: образуются атомы
элемента Е в ионизированном состоянии Е (Z+I). Плазма расширяется
(в вакуум или буфериый rаз), причем охлаждаются прежде Bcero ro-
рячие электроны. Блаrодаря этому возрастает скорость электронно-ион-
ной столкновительной рекомбинации. Возникает инверсия заселеннос-
'СеЙ между такими уровнями, у которых опустошение иижнеrо уровня,
напрнмер, за счет споитанноrо излучения происходит быстрее по срав-
нению с уменьшеиием заселенности BepxHero уровня.
Основная трудность. Это реализация подобных условий в плазме
(плотность, температура), при которых образуется инверсия заселен-
ностей энерrетических уровней. Эти условия реализовать тем труднее,
чем короче требуемая длина волны [76. 77J.
Необходимые плотности электронов в рекомбниационной области
СОставляют 1013 10J4 см 3 дЛЯ Z 1 и растут как Z7 (scaling с Z7).
Температура электронов в области преобладания рекомбинации при-
мерно равна Z2 эВ. Следует принимать во внимание изменение длины
волны пропорционально Z 2 вдоль изоэлектронных последовательиостеЙ.
Реализованные рекомбинационные лазеры. В видимоЙ и ИК-оБJlас-
тях спектра до сих пор было обиаружено свыше 100 лазерных перехо-
дов с Максимальной удельной выходноЙ энерrией в Иl(-области спект-
р-а JO 7 Джjсм 3 . Особо были исследованы SРЕR-лазеры (segmented
plasma excitation recomblnation, рекомбинационные лазеры на cerMeH-
тированных разрядах) (рис. 2.1 07), У которых плазма образуется при
разряде между металлическими полосками. В табл. 2.51 приведены
данные о длинах волн, которые получаются при использовании лазеров
этоrо типа;
а
о
>--
8
.J
ЛО.Jерijblц
перехоil
t
{[ 'Й _
Рис. 2.106. К прииципу действия рекомбинационноrо лазера [75]:
а формирование плазмы (N e""IOI5';'!Ol" см ЗI; б расширение плазмы (умень-
шенИе N е); в распад; J иоиизация; 2 удариая рекомбпшщия; 8 излуча-
Тельиая рекомби"ация
2
?€)
2
О
5'
Рис. 2.107. Схематическое нзображение SРЕR-лазера [75):
J лазерное излучеиие; 2 зеркало; 8 импульс накачки; 4 сферически рас-
шнряющая я рекомбинирующая плазма; 5 электрический разряд между метал-
Jlическими сеrментамп (образова'ние ПJlазмы); 6 МетаЛJlичеСКИе cerMeHTbI; 7
изолирующая плата
кольцевые рекомбинациоиные лазеры, у которых плазма образует-
ся в виде uилиндра при применении двух стержиевых ;?леиродов. Преи-
мущество этоrо типа лазеров состоит в более высокой эффективности
(до 10 %).
..
Т а б 11 Н Ц а 2.51. Выбранные длины волн реалнзованных SРЕR лазеров
[78}
Атом или ион. I
Длнна волиы лазерноrо нзлучения, мкм
Mgl
MgII
Са 1
Си 1
Си II
Zn 1
Zп II
AglI
Cd]
ln 1
lп II
Sп ]
Sn П
РЬ 1
РЬ 1]
вi 1
Bill
1,081
1,091
1,905
1,257; 1,815; 1,818; 3,089; 3,726; 5,460
0,7807; 1,787
1,170; 1,647; 1,844; 3,784; 3,779
0,4924; 0,7757; 1,685
1,646; 1,720; 1,735
3,955
3,903
0,7685; 0,7353
1,311; 1,176; 1,196; 1,305; 1,347
0,5799; 1,063; 1,076; 1,239; 1,363
],109; 1,698; ],797; 3,138; 3,799
0,5372; 0,8396; 1,166; 1,324
1,256; 1,286; 3,107
0,7599; 0,8069
· Рнмские ЦИфръl после хнмнческоrо снмвола характернзуют заряд нона.
Н«фр GLОЗН8чаеТ нейтральный атом.
Дальнейшее развитие. Примепев принцип действия для rенерации
KorepeHTHoro peHTreHoBcKoro излучения (рентrеиовский лазер). Прове-
деиы первые измерения усиления [77J, при этом основными трудностя
МИ являются (], длина волны) пропорциональность усиления 'АЗ, про-
порциональность необходимой мощности накачки л 4, отсутствие зер-
кал с высокими коэффициентами отражеиия, уменьшение времеии жиз-
ни спонтанноrо излучения 'А 2 (ДJIЯ разрешеиных пере ходов).
2.9.4. ХИМИЧЕСКИй ЛАЗЕР
Химические лазеры особый вид rазовых лазеров, накачка в ко-
торых происходит за счет химических реакций. Эти лазеры rенерируют
на мноrих длинах волн от 1,3 до 26 мкм, при этом MorYT быть достиr
нуты энерrии в импульсе в диапазоне МНОI'ИХ килоджоулей, непрерыв-
ные мощиости лазерноrо излучения в диапазоне миоrих киловатт,
Используются следующие м('тоды возбуждения аl<ТИВНОЙ среды:
синтез колебательно-возбужденных лазерных молеl<УЛ:
а) химический rибридиый лазер образоваиие реаrирующих друr
с дрyrом атомов происходит в элеl\Трическом разряде, путем фотодис-
социации или диссоциации под действием электроииоrо пучка;
б) Чистый химический лазер партнеры в реакции вакачкн обра-
зуются при rорении (например, CS2 02 пламя--+СО пламенный
лазер), в импульсных цепных реакциях (например, H2 P2 цепная
реакция...... HP лазер) или в химнческих реакциях в камере сrорания
(Рис. 2.108) (например, D2+F2+He при Т:;;..1500 R )-F, р+н 2 --+нр);
химические процессы переноса эиерrии образованные при хими
ческих реакциях колебательно-возбуждеиные молекулы отдают свою
колебательную энерrию при столкновениях BToporo рода и таким обра
30М образуют в молекулах партнерах по столкиовению инверсию засе-
lIенностей, например DF*+C02 CO;+DF; .
Ъ2 DF
He Не
F ' F,F
HF" I-!f)
1i;!
Рис. 2.108. Схема HenpepbJBHoro химическоrо НF лазера:
l KaMepa сrорания (T 1500 К); 2 сверхзвуковое сопло (и>4 М); 3 оптиче-
скнй резонатар (зеркало); 4 лазерный луч; М число Маха
фотодиссоциативные процессы за счет фотодиссоциации молекул
образуются возбужденные атомы, например СFзl+hv СFз+I*.
Химические реакции должиы удовлетворять следующим критериям
выбора для получения инверсии заселенностей.
1. Реакции должны быть экзотермическими, причем освобождае
мая энерrия реакции на молеКУJJУ должна быть больше, чем эиерrия
фотона лазерноrо перехода. Для простых реакций в rазовой фазе обыч
ными являются значеиия этой энерrии примерно до 200 кДж/моль. Та-
ким образом, можио леrко получить энерrию возбуждения, достаточ
ную для лазера в ИК-области спектра.
2. Если при химических реакциях образуются продукты реакции
с различиыми возбуждеиными состояниями. то скорость формирования
Т а б л и ц а 2.52. Важные химические лазеры
Эиерrия
АI\.тfIвная Длина Режим Химическая реа>:ция реакции
среда ВОЛНЫ 9 ММ работЫ (Эl1тальпия) ,
кДж/моль
1 ] ,315 pw СF з l+'1V (270 нм)"'"
СFз+l*
HF 2,6 3,3 pw, cw F+H2-+HF*+H I32,7
ОР 3.6 4,2
НС1 3,7 4,O pw, cw H+CI 2 -+ HCI*+CI IB8
ОС1 5,O 5,6
HBr 4,0 4,6 pw H+Br2....HBr*+Br )72
DBr 5,8 6,3 pw
СО 4,6 5,7 pw, cw CS+O....CO*+S 335
С0 2 10,6 pw, cw DР" +С0 2 .... DF+CO;
Т а б л и ц а 2.53. Физико-техничеСlше параметры химических лазеров
Параметр
I*-nазер
НF*-лазер
СО.-nазер
Длина волны
1,315 мкм
2,6 3,3 мкм
10,6 мкм
Химическая реакция
Фотодиссоциация
F+H 2 -+HF*+H
Процесс передачи эиерrии
DF* +С0 2 -+ CO;+DF
Режим работы
Импульсный
Импульсный
Непрерыв-
ный 5 к В:)"
Импульсный Непрерыв-
ный
>150 Вт
Мощиость
Энерrия импульса
Длительиость импульса
>1 кДж (с усилителем) ;;;,.4 КДж 7.1O 4 Дж/(л.Па)
1 нс 20 НС >30 МКС
Хе-импульсные лампы е -пучок Плазмотрои, Наrревание
2 МэВ наrревание
C 3 F7I+Ar+C0 2 F 2 :H 2 :0 2 :SF 6 == F2:H2 4: 1 D 2 :F 2 : Cr 2: Не:С0 2 :
==1:О,25:0,3: Не==1 :3: :F 2 :D 2 :NO
:0,125 :6:60
Инициирование (возбуждение)
Смесь rазов
Давлеиие rаза
80 кПа
170 кПа
IOO кПа I 1O кПа
2 кПа
для более BbIcoKoro энерrетнческоrо состояния должна быть больше,
чем для нижнеrо состояния.
Успешная работа химическоro лазера в видимоЙ области спектра
до сих пор не доказана. T некоторых химических лазеров должны
приниматься надлежащие меры по устранению продукта химической ре-
акцин. rасящеrо rенерацию, например фтористоводородиая кислота
у НF лазера (табл. 2.52 и 2.53).
Фтороводородный лазер. Мощный химический лазер предназначен
для импульсноrо (более 4 кДж) и непрерывноrо (не менее 5 кВт) pe
жимов работы. Длина волиы лазериоrо излучения 2, 3,3 MI-;M лежит,
одиако, в области сильноrо поrлощения парами воды. Поэтому для
случаев применения, при которых распространение лазерноrо излучения
происходит в атмосфере, лучше выбирать DF-лазер (3. 4,2 мкм). КО-
лебательно-возбуждениые молекулы HF в большинстве случаев образу-
ются в реакции F + H:r+HF* + Н, причем больше 60 % эиерrин реакции
(lI.x 132,7 кДж/моль) используется для возбуждеиия колебательных
уровнеЙ.
Импульсный режим работы.. Реакция в смеси rазов H2(D2) F2
ииициируется в разрядиоЙ камере под деЙствием электрическоrо раз-
ряда, электроиноrо пучка или фотодиссоциации Добавляются rазы
02. Не и SF 6 . Далее протекает uепная реакuия. После ииициирования
реакции (иапример, с помощью световой вспышки) F 2 +'1V--+2F идет
цепная реакция через ступени: F+ Нт+НF* + Н, H+F2--+HF*+F.
Непрерывный режим работы. Если лазерная среда образуется
в сверхзвуковом rазовом потоке, то можно леrко отвести невозбуждеи-
ные молекулы HF и тепло. По этому прииципу изrотовляются мноrоки-
ловаттные HF- и DF-лазеры. Создание F-атомов может происходить
или путем высокотемпературной диссоциации F 2 или SF 6 В электриче
шой дуrе (плазмотронный лазер), или путем сrорания смеси H:r----F2
(T",,1500+1800 K) Смесь rазов расширяется через сверхзвуковое соп-
ло, чтобы снизить температуру для создания частичной инверсии. Н 2
добавляется к сверхзвуковому ПОТОI{У дЛЯ реакции с F до прохожде-
ния rаза через оптическиЙ резонатор. В резоиаторе колебательная энср-
rия молекул HF преобразуется в энерrию лазерноrо излучеиия
2.10. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ УСТРОй.СТВА
2.10.1. ЛАЗЕР С МОДУЛ5ЩИЕй ДОБРОТНОСТИ
Лазер с модулированноЙ добротностью является специальным уст-
ройством для rенерашIИ высокой импульсиой мощности (достиrнута
импульсная мошность не выше 1011 Вт/см 2 ) [1].
Для достижеиия высокоЙ импульсноЙ мощиости MorYT применяться
различные типы лазеров, однаКО на практике используются преимущест-
веино твердотельные лазеры. Лазеры с модулированной добротиостью
примеияются в нелинейиоЙ оптике (см. разд. 3.2), при обработке мате-
риалов (см. разд. 4.1), а также с рядом последовательиых усилителей
для создания плазмы в рамках исследования лазерноrо управляемоrо
термоядерноrо синтеза (см. разд. 3.6).
ФизическиЙ принцип модуляции добротности лазера заключается
в том, чтобы допустить развитие rенерацин лазерноrо излучения лишь
тоrда, коrда достиrается максимум инверсноЙ заселенности, создавае
мой излучением накачки, и, следовательно. rенерация лазерноrо излу
чеН!lЯ происходит с начальиым усилением, HaMHoro большим пороrовоrо
значения. Такой режим работы можно ооесп чить с помощью Р<J ПОЛО-
женноrо внутри резонатора затвора, которыи лишь тоrда открывается
для прохождения оптическоrо излучения, коrда достиrается маю;имум
инверсИИ заселенностей. Потери и добротность резонатора реrулиру-
ются.
Без управления добротностью резонатора rенерация лазера начи-
наетсЯ тоrда, коrда прв задаННЫХ потерях для резонатора инверсная
заселенность достиrает значения, которое соответствует noporoBoMY ус-
ловию. Далее вынужденное излучение в лазере снижает инверсную за-
селенностЬ, а одновременное действие излучения накачки ее увеличива-
ет, восстанавливая до пороrовоrо уровня до тех пор, пока излучение
(импульсное) накачки становится недостаточным, чтобы поддерживать
инверсную заселенность. Пороrовое условие больШе не выполняется,
rенерация лазера обрывается. Сформированный импульс оказывается
достаточно длинным и пропорциональным мошности накачки со срав-
нительно низкой интенсивностью излучения.
Блаrодаря модуляции добротности (при одинаковой энерrии) дос-
тиrаются более короткие импульсы, более высокие интенсивности излу-
чения.
Если включение затвора происходит при инверсной заселенности
аА (пороrовое значение as x/B), то для максимальноro числа фото-
нов Птах имеем
ад ( as a s a s )
nшах== 1 + ln
2 ад ад ад
и для лл тельности ИМПУJJьса /:;.t
/:;.t == ад (1 :: )/( '<птах)'
(2.137)
(2.138)
rде а", обозначает остаточную инверсию после затухания импульса и оп-
ределяется выражением
а"" a s а""
l+ lп .
ад ад ад
Примеры. %== 108c I ,
ал
== 2;
(2)39)
а !';
ад
== 10;
a s
Достиrаемые интенсивности излучения (длительности импульсов)
зависят от быстродействия затвора.
Следует различать медленные затворы (время переключения боль-
Ше 10 6c), быстродействуюшие затворы (время переключения от 10 7
ДО 10 9 с).
Речь идет об активном затворе.
К медленным затворам относятся:
1) вращающаяся точечная дипфраrма. Ход лучей прерывается диа-
фраrмой, и они свободно проходят только через маленькое отверстие
nшах == 0,077;
ы == 59 HC
/
Птах == 3,35;
/:;.t == 1,7 не.
в течение KopoTKoro f!ромежутка времени. Частота вращения диафраr
мы 10000 об/мин, время открытия составляет примерно 100 мкс (рис.
2.109);
2) вращаюшаяся призма ИЛи зеркало. Только коrда одна СТороНа
призмы с зеркальным покрытием или зеркало точно устанавливается па-
раллельно относительно BToporo зеркала, может протекать rенерация
f
1
. -
J
Рис. 2.109. Схема модуляпии добротности с помощью вращающейся диа-
фраrмы:
1 зерка.'iО резонатора; 2 активная среда; 8 диафраrма
лазерноrо излучения, скорость вращения достиrает 20 000 об/мин;
3) ультразвуковая ячейка. С поt,юшью ультразвука внутри кюветы
с жидкостью образуется решетка, а резонатор отъюстирован таким об-
разоМ, что собственное I<олебание соответствует первому дифракцион-
ному максимуму, частота ультразвука достиrает 106 [ц.
В настоящее время медленные затворы применяются реДI<О. Обыч-
но применяются быстродействуюшие затворы, в качестве которых слу-
жат электрооптический затвор на основе ячейки Поккельса или Керра
(рис. 2.110), акустооптический затвор (в кристалле с помошью квар-
1..
\
рис. 2.110. Схема элеКТРООПТИ'lеской модуляUlШ добротности с ПОМОЩI,Ю
- ячейки Поккельса:
1 зеркало резонатора; 2 активНая среда: 8 поляризатор; 4 ячейка ПОК-
кельса; 5 анализатор
ueBoro reHepaTopa образуется стоячая акустическая ВОЛНа, на Которой
дифраrируют моды резонатора), маrнитооптический затвор на основе
эффекта Фарадея.
в ячейке Поккельса (см. ра:щ. 2.11.4) находится электрооптичесюJЯ
двоякопреломляющая среда, которая поворачивает плоскость поляри
sации при приложении напряжения к среде на 900. Анализатор установ-
лен таJ<ИМ образом, что луч через Hero проходит только тоrда, коrда
напряжение подается или снимается с ячейки. Для ячейки Поккельса
применяется преимушественно кристалл DKDP (напряжение переклю-
чеНИЯ составляет 9 кВ для длины волны 'A 1,06 мкм, отключение про-
исходит с помошью быстродействующеrо электронноrо переключателя
или путем KopoTKoro замыкания искровым разрядником, длительность
импульса состаЕляет примерно 20 нс).
С помощью этих активных затворов можно получить высокие час-
тоты повторения импульсов до неСКОJIЬКИХ десятков Мfц.
у непрерывных лазеров (aproH, He-Ne) для повышения импульсной
мощности часто применяется модифицированная модуляция добротно-
сти и разrрузка резонатора (cavity dumping) с помошью акустооптиче-
CKoro модулятора.
Часто в качестве быстродеЙСТВУlOщеrо затвора применяется очень
эффективный метод пассивноrо затвора с помощью насышающеrося по-
rлотителя. В резонаторе находится поrлотитель для лазерноr() излуче
flИЯ, который нмеет тоrда минимальные потери, коrда все атомы поrло-
тителя находятся в возбужденном состоянии, т. е. поrлотитель Haxo
дится в насышенном состоянии. Включение затвора происходит самим
лазерным излучением (времена переключения более 10 9 с). В качестве
поrлощаюшей среды применяются красители. Пассивная модуляция
добротности в основном приrодна для режима одиночных импульсов
Т а n ,,!!!: Ц а 2.54. Насыщающиеся поrлотители для пассивной rенерации
пикосекундных импульсов с помощью лазеров на красителях
Поrлотитель
I Диапазон
Лазерный краСI'тель ДЛИ н ВОЛН,
ны
Кумарин 102 475 4S0
Флуорол 7GA 550 580
Родамин 6G 584 625
Родамин В 615 645
То же 605 639
Крезил фиолето- 644 680
вый+родамин
Крезил фиолето 644 6вa
вый+родамин
6G
То же 652 704
DОТС иодид 797 81J5
НIТС-ИОДИД 857 863
НПС ИQ!J;ИД 870 880
3,3' диrексилоксакарбоцианиниодид
(DНОС-иодид)
1 ,3' -диэтил 4,2' -квинолилоксадикар-
боцианиниодид (DQОС-иодид)
3,3' -диэтилоксадикарбоцианиниодид
(DO DC- иодид)
1,3' диэтил-4,2' квинолилтиакарбо-
цианиниодид (DQТС-иодид)
3,3' - диметилоксатрикарбоцианинио-
дид (DОТС-иодид)
1,1' -диэтил-2,2' дикарбоциаllИНИОДИД
(DDС-иодид)
3,3' диэтилтиадикарбоцшшиниодид
(DТDС-иодид)
1 3-3-, 1'-3' -3' -rексаметилиндотри
карбоцианиниодид (НIТС-иодид)
3,3' - диэтилтиатрикарбоцианиниодид
(DТТС иодид)
1,1' диэтил-2,2' -тиакарбоцианинио-
дид (2,2' DТС иодид)
лазерноrо излучения (просветлеПflе красителя). Импульсно-периодиче-
ский режим работы требует применения проточной кюветы для краси-
теля.
Выбор среды поrлотителя должен происходить таким образом, что-
бы достиrалось максимальное поrлощение лазерноrо излучения.
В качестве насышаlOшеrося поrлотителя применяются красители,
в частности криптоцианин, растворенный в метаноле (для рубиновоrо
лазера), и фталоцианин, растворенный в нитробензоле (для лазера на
стекле, активированном Nd) (табл.2.54).
Модуляция добротности используется преимущественно в рубино-
вом лазере, Nd3+-лазере, Nd8+-ИАr-лазере и С0 2 -лазере, при этом дос-
тиrаются пиковые МОШНОСlll до 1 [Вт при длительности импульсов не-
сколько наносеI{УНД (табл.2.55).
Т а б л и ц а 2.55. Физико-технические параметры коммерческих лазеров
с электрооптической модуляцией добротности
Рубиновый лазер НеОДИМОБЫЙ лазер Nd-ИАr-лазер
Параметр rOP-I I 351 OrM-20 I 28 500 QT I 481 с
(СССР) (США) (СССР) (США) (США) (США)
Импульсная мош-I 5О зо 6,7 20 130 0,87 .54
ность, МВт (ТЕМ (0) (ТЕМоо)
Длительность им- 1O 15 30 20 15 15 15
пульса, IIС 30 30 0,02 0,1
Частота повторе- 1 6
ния, c 1
2.10.2. rЕНЕРАЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ
ИМПУЛЬСОВ [2.1, 2.41]
Необходимые для исследований в области лазерной физики свето-
вые импульсы длительностью больше 10 lЗ с можно rенерировать с по-
мощью специальных устройств. Для этоrо применяются различные типы
лазеров, включая оrраниченный Kpyr rазовых лазеров. Лазерные уст-
ройства этоrо типа применяются преимущественно в лазерной спектро-
скопии cBepxBbJcoKoro BpeMeHHoro разрешения, прежде Bcero в области
физики, химии и биолоrии.
fенерация УЛЬтракоротких световых и!v!пульсов происходит прин-
ципиально путем устаНОВJlения фиксированных фазовых соотношений
(mode 10cking) между МНOl'ими модами (см. подраздел. 2.1.4.3):
1. Активным методом путем модуляции лазерноrо излучения (при-
меняется только в непрерывном режиме). Модулируются потери или
также инверсия. Частота МОДУЛЯIlИИ VM определяется половиной меж-
модовоrо интервала "м";;: 100 мrц.
Преимушество: воспроизводимая rенерация коротких импульсов.
Недостаток: необходимы точная юстировка и очень устойчивая кон-
струкция.
2. Пассивным методом с помощью насыщающеrося поrлотителя
(при меняется при непрерывном и импульсных режимах работы).
Преимушество: простая конструкция.
Недостаток: отсутствие высокой воспроизводимости.
Принцип действия насыщающеrося поrлотителя для rенерации aHa
лоrичен принципу действия при модуляции добротности резонатора, од-
цаКо поrлошение следует выбирать более низким. Это обусловлено тем
обстоятельством, что уже случайно образовавшиеся пики интенсивности
J!злучения должны насыщать поrлотитель и, следовательно, проходить
через резонатор без существенных потерь. Эти пики интенсивности из-
лучения усиливаются дальше, н после нескольких обходов резонатора
при соответствующем выборе накачки при заДанНОМ времени релакса
дии поrлотителя остается один ультракороткий импульс на проход в pe
зонаторе, так что вследствие частичноrо вывода излучения возникает
последовательность импульсов с интервалом 2L/c.
Эта последовательность импульсов излучения затухает при отклю-
чении интенсивности накачки или остается при соответствующей непре-
рывной накачке.
В I<ачестве насышающеrося поrлотителя используются красители
с подходяшими поrлощающими полосами и временами релаксации
('t lo e+10 12 с) (см. 2.10.1, табл. 2.54). Поrлотители устанавлива
ются внутри резонатора в кюветах или в виде струи (jet stream).
Кювету с поrлотителем следует располаrать вблизи 100 % 'lIoro
зеркала, по возможности в непосредственном контакте (для устранения
возникновения импульсовосателлитов).
в качестве лазеров применяются;
рубиновый лазер (импульсное возбуждение; длительность импуль
сов составляет 20 40 нс);
неодимовый лазер (стекло или ИАf, импульсное или иепрерывное
возбуждение; длительность импульсов составляет 5 10 нс);
лазер Юl красителе (импульсное и непрерывное возбуждение; дли
тельность импульсов составляет 0,2 1 нс при непрерывной накачке,
IO нс при накачке импульсными лампами).
fенерируемые лазером на красителе У.'1ьтракороткие импульсы из-
лучения перестраиваются по длине волны в широком диапазоне длин
волн между 550 и 705 нм, 745 и 490 нм и с пробелами между 795
и 880 нм (см. табл. 2.48).
Для rенераuии коротких импульсов, особенно при использовании ла-
зера на красителе, часто применяlOТСЯ дополнительные меры. К ним от-
носятся:
1) инжекционная модуляция. Путем инжекции слабых пикосекунд-
ных импульсов (например, непрерывноrо лазера На красителе) можно
вызвать rенерацию интеНСИВНЫх пикосекундных импульсов лазером на
красителе с ламповой накачкой;
2) синхронная накачка (наиболее часто применяемый метод). На-
качка лазера осушествляется непосредственно пикосекундными импуль-
сами. В качестве лазера накачки применяется арrоновый или криптоно
вый лазер с электрооптическим затвором или синусоидальным модуля-
Тором в непрерывном режиме, пикосеl<УНДНЫЙ рубиновый или ИАf.ла-
зер в импульсном режиме, причем длины резонаторов лазера иа
красителе и лазера накачки должtIЫ подстраиваться друr под друrа.
Недостатки: точиость соrласования длин в области МИI<рометроВ,
стабильная модуляция источника света накачки с частотами около
100 Мfц.
Преимущества: возможность перестройки в большом диапазоне длин
волн, средняя импульсная мошНость достиrает 1 кВт, а длительность
ИМПульсов 0,5 нс.
Специальные устройства в сочетании с пассивной синхронизацией
мод в настоя шее время позволяют rенерировать световые импульсы
фемтосекундноrо диапазона (1 фс IО 15 с):
1. Комбинация метода синхронной накачки и пассивной синхрони-
зации мод (mode 10ckil1g) (синхронная накачка с дополнитедьным при-
менением насыщающеrося поrлотитедя) позволила получить импудьсы
длительностью 70 фс (относительно высокая стабильность).
2. Синхронизация мод во встречных пучках [colliding pu1se modc
locking (СРМ)]. Два импульса распространяются в противоположных
направлениях через насышающийся поrлотитель и, таким образом, обес-
печивают стабилизацию и укорочение импульсов, достиrнутая при этом
длительность импульса составляет 50 фс.
3. Двойная синхронизация мод (double mоае 10ckil1g). Связь лазера
через' среду, которая действует Kal{ пассивный поrлотитель для лазера
накачки и как синхронно возбужденная актиВНая среда для BToporo ла-
зера.
До сих пор была получена самая короткая длительность импульса
16 фс (при применении СРМ и последующей компрессии импульса в оп-
тическом волокне) [82].
2.10.3. ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ЛАЗЕРЫ
Частотно-стабилизированные лазеры являются специальнымн уст-
ройствами для получения лазерноrо излучения с точно определенной
частотой, например с одним атомным переходом, с малой шириной ли-
нии в течение продолжительноrо периода времени.
Для этой цели рассмаТ!шваются непрерывно излучающие лазеры.
Частотно-стабилизированные лазеры применяются в основном в метро-
лоrии, измерительной технике и лазерной спектроскопии.
ПринципиалыlO лазеры имеют в одномодовом режиме очень узкий
спектр частот, при этом точное положение частоты лазерноrо излучения
определяется собственной частотой резонатора и расстоянием между
зеркалами (длиной резонатора). Колебания длины (оптической) резона-
тора приводят к колебаниям частоты. Следует различать:
1) кратковременные колебания (меньше 1 с), обусловленные акус-
тическими и механическими возмушениями конструкции резонатора,
колебаниями тока в электрическом разряде, изменениями давления
и плотности в среде, через которую распространяется лазерный пучOl{;
2) долrовременные колебания (более 1 с), обусловленные измене-
ниями окр)'жающей температуры.
"ример. С резонатором лазера, изrотовленным из инвара, изМене-
ние температуры окружающей среды 6.T 4. 10 4 I( приводит К измене-
нию частоты 6.v А 100 !{[ц в видимой области спектра.
Стабильность частоты характеризуется отношением частоты к сред-
нему отклонению частоты 6.\' А:
s == v/6.v A .
(2.140)
Обшие меры для стабилизации (пассивной) частоты (для не слиш-
ком вЫСОКИХ значений S 107 за Несколько часов):
устойчивая и жесткая конструкция резонатора (массивное, свобод-
ное от вибраций основание);
экранирование (корпуса) от акустических, электрических и маrнит-
ных воздействий;
\
3
2 J 6
\t7
1 2
\
4-
Рис. 2.111. Схема стабилизации частоты методом обрашенноrо лэмбов-
cKoro провала:
1 пьезокерамика; 2 лазерное зеркало; 3 лазер; 4 поrлощающая кювета;
5 прнемник; б осцнллоrраф
устранение воздушных турбулентных потоков в пространстве меж-
ду зеркалами;
обеспечение тепловой стаби.'JЬНОСТИ (должны использоваться мате-
риалы с незначительными коэффициентами расширения кварц, ин-
вар).
Применяются следующие методы активной стабилизации.
1. Пассивный резонатор с высокой добротностью вне резонатора
лазера дает опорную частоту, отклонения вызывают электрический сиr-
нал, который применяется для управления резонатором лазера.
2. ЛэмбовскнЙ провал (1аП1Ь diр) (см. подраздел. 2.1.4.1) точно
находится в центре aToMHoro перехода и соответствует более низкой
Ь'ХGДiюti интенсивности излучения по сравнению с соседними частота-
ми. Отклонения от этоrо минимума реrистрируются и используются для
управления резонатором лазера (смешение зеркала резонатора с ПОi;IO-
шью пьезокерамики).
3. Обратный лэмбовский провал (il1verse 1amb d'ip). Внутри резо-
натора располаrается поrлощающая ячейка. Линии поrлощения содер-
жащеrося в ней rаза дают опорную частоту, поскольку в этом месте
поrлощение имеет минимум, а интенсивность лазерноrо излучения име-
ет максимум. Отклонения используются для управления резонатором
лазера (рис. 2.111). Этот метод стабилизации частоты наиболее часто
используется на практике.
Преимушества: опорная частота не зависнт от лазерной среды; не-
значительно столкновитеЛЫlOе уширение, поскольку давление rаза низ-
кое; свободный выбор rаза для поrлощения.
Друrую возможность, применяемую для специальных целей, дает
лазер, работаюший на двух модах, частоты которых располщкены сим-
метрично относительно опорной частоты.
Лазерами, в которых можно достиrнуть высокой стабильности час-
тоты, являются Не-Nе-лазер, л 0,633 MI{M, поrлощающая ячейка с 12,
Не-Nе-лазер, л 3,39 мкм, поrлощаюшая Я'Iейка с СН 4 , С0 2 -лазер, 'Л
9711 мкм, поrлощаюшая ячейка с С0 2 , OS04 или SF 6 .
LLостиrнутые в лаборатории предельные значения для стабильности
частоты S 10'3, дЛЯ воспроизводимости R 10'2. Промышленным час-
тотно-стабилизированным лазером является Не-Nе-лазер с 'Л 0,633 мкм,
S 109, R 108.
Стабилизация частоты друrих типов лазеров (лазеры на красите-
лях, инжекционные лазеры, лазеры на центрах окраски) происходит по-
средством оптической или электронной связи их лазеров с названными
выше частотно-стабилизированными rазовыми лазерами.
2.11. ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ЛАЗЕРНЫХ
СИСТЕМАХ
2.11.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Оптические материалы характеризуются показателем преломления
п, который для изотропных сред не зависит от выбранных направлений.
Показатель преломления света зависит от частоты v света или длины
волны (табл. 2.56). При слабой зависимости показатель преломления
т а б л и ц а 2.56. Показатели преломления иекоторых оптически
изотропных материалов
Материал Показатель прелом- I Длина волиы, MI{M
леиия
Оптическое стекло 1 ,45 1 ,93 0,546
Хлористый натрий 1,544 0,589
1,495 10,010
Бромид калия 1,560 0,589
1,524 11 ,040
Фтористый кальций 1,429 1,010
1,316 9,430
KRS 5 2,625 0,57.9
2,371 9,72
2,268 33,0
Арсенид rаллия 3,34 8,0
2,41 19,0
Синтетическое кварцевое стек- 1,544 0,589
ло 1,167 7,0
Сапфир 1,769 0,580
1,586 5,577
Кремний 3,496 1,367
3,418 10,0
rерманий 4,037 3,3
4,003 10,6
Селенид цинка 2,400 10,6
часто можно интерполировать с достаточной точностыо (примерно
0,5 %) по формуле п 1 +А[1 + (8/1.,2)]. Показатель прело мления у всех
материалов зависит от температуры.
у rазообразных сред следует обрашать внимание на то, что пока-
затель преломления rZ зависит от плотности р. В первом приближении
(п 1 1) справедливо выражение
п 1 === (по 1 ) ....Е...... [ 1 ....!.... (по 1) ( 1 .....L )] , (2.1 41 )
Ро 6 Ро
rДе 1lrJ показатель преломления при плотности Ро.
Линейный коэффициент поrлощения а описывает ослабление ин
тенсивности света при прохождении через среду ТОЛЩиной L соrласно
закоНУ
1 === 10 e ab.
(2.142)
в зависимости от цели применения следует различать следующие
параметры поrлошения: а линейный коэффициент поrлошения, 11м;
х показатель поrлощения; n% мнимая часть комплсксноrо показа-
телЯ преломления (nx 'AoaI4:n:).
Коэффициент пропускания (т) указывает, сколько еще имеется ПрQ-
центОв падающеrо света после прохождения через среду толшиной L,
причем в т входят потери, обусловленные отражением.
100
п
10
1
071 1 10 100
а} .iI, мкм
100
пае
10
1
1
0,1
\
\
О
0,1 1 10 100
б} iI,MKM
Рис. 2.112. Показатели преломления (а) и коэффипиенты поrлощения
некоторых материалов (6):
1 серебро; 2 золото; 8 алюминиll; 4 rерманий
Коэффициент BHYTpeHHero пропускания (t) не содержит потерь прп
отражении, !{ак ... Для среды с показателем преломления п при нор-
мальном падеНИи света (обычная rеометрия для измерения величины
..) С учетом MHoroKpaTHbJX отражений имеем
(1 r) t
T
l r t '
(2,143)
rде r ( 1 п ) 2
l+п .
1 ( n + 1 ) 4 1 .+. n
Для aL« имеем '==о .
2 n 1 2п
Для т« 8 ( ) 2 имеем t .. (п + 1)4 .
n 1 16п 2
Кроме Toro, вообще справедливо соотношение а== (ljL) 1п(lООjt);
десятичный показатель ЭКСТИНкции E==lg(100/t); десятичный показатель
ослабления излучения т== (I/L)lg Е, l/м. Точно так Же, как и показа.
тели преломления n, коэффициенты поrлошения зависят от длины вол
ны (рис. 2.Н2). Часто имеет значение их зависимость от температуры.
2.11.2. ['ДУССОВ ПУЧОК
Наряду с плоскими волнами особое значение имеют rayccoBbJ пуч
ки, поскольку такие пучки преимушественно rенерируются лазерами.
[ауссовы пучки отличаются, в частности, от плоских волн распределе
нием интенсивности излучения D плоскости, перпеидикулярной направ
лению распространения.
Среди rayccoBbJX пучков выделяется тип лазерных пучков с ци-
лиидрической снмметрией (рис. 2.1 13).
Рис. 2.113. Сечение rayccoBa пуч-
ка ТЕМоо [z ocь врашения; Wo
радиус шейки пучка; R(z) ра-
диус волновоrо фронта в точке z;
е половина уrла расходимости
в дальней зоне; w(z) радиус
пучка в точке z]
Лазерный пучок распространяется в направлении оси z, начиная от
CBoero caMoro узкоrо места при z==O [место перетяжки (шейки) пучка].
Амплитуда 'Ф (напряженность электрическоrо поля) пучка имеет вид
'Ф == ( У2" ) ' L ( 2 ) ехр { i [ Р (z) + + lФ (z) ]} ,
w w 2q (z)
(2.144)
rде р радиальный номер моды (целое число); l азимутальный но-
мер моды
(целое число); L присоедине нный полином Лаrерра;
{ ( 'Лz ) лz
iP ln 1 + i arctg ;
:rtw 2 :rtw 2
О О
k == 2:rt/'Л
(2.145)
п 1 1 1
q (z) == i Т + z и q (z) R (z) i :rtw 2 (z) ;
12
Ф(z) == (2р+ [+ 1) arctg
:rtw
W 2 (Z)==W 6 [1+( : 5 ) }
R(2)==Z[I+( :rt 5 ) ],
(2.146)
(2.147)
(2.148)
(2.149)
rде Wo радиус шейки пучка.
Величина b kw называется коифокальным параметром. Иитенсив-
ность излучеиия получается пропорциональной 'IjJ'IjJ*. Для случая p o
и [ o простейшеrо rayccoBa пучка (мода ТЕМоо. основная мода) имеем
W o ( r ) { [ r2 k ]}
.1, ---= .... ех() ехр i kz Ф (z) + ,
-t w(z) . \ w (z) 2R(z) ,
Ф (z) arctg (1z/:rtw ).
(2.150)
Волновой фронт волны приБЛИJКенно соответствуёт (особенно вбли-
ви оси z) сферической поверхности радиусом R.
Половина уrла расходимости lспад интенсивности по уровию 1/е 2
отиосительио зиачеиня 1 На оси) составляет
е == Л/(:rtw о ). (2.151)
Преобразование цилиидрически симметричноrо rayccoBa пучка при
прохождеиии через тоикую линзу с фокусным расстоянием f осущест
вляется соrласно рис. 2.114.
Если все значения измеряются непосредственно слева или справа
от линзы, то получаем
1 1 1
R 2 == R 1 Т '
R > о выпуклый волновоЙ фронт:
R < о воrиутый волновоЙ фрои1'
1
q;==q; T j
( рассматри вается со стороны z == 00).
Эти соотношения справедливы только в том случае, если диаметр
D линзы по крайней мере в 1,7 раза больше, чем диаметр 2 w непосред-
ственно слева от лиизы. Если это условие не выполняется, то появляют-
я отклоиения, обусловленные дифракцией.
Несмотря на сходство приведенных выше соотношений с уравне-
ниями, определяющими формирование изображения в rеомеТРИ'IеСlшjj
оптике, совпадения нет, если рассмотреть отображеиие шейки rayccoBa
пучка на себя:
rayccoB пучок
d { === (d 1 f) {2 .
2 ( :ftw2 ) '
(dl f)2+ т
{
rеометрическая оптика
f (dl () {
d .
2 (d i т '
(2,152)
V .'
:ftW 2
(d 1 f) + (т)
f
W 02 == W O l d 1 f .
W 02 === Woi
(2.153)
Эти соотношения переходят друr в друrа лишь для dl f :ftW lrл.
f
"\J
<\I.f
c\j
z
1.0:
.j ,..
R , Rz
q, q2
Wt(d,) = W2(d }
е»[
Рис. 2.114. Отображение шейки rayccoBa пучка
2.11.3. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ (ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ)
Некоторые материалы (кристаллический кварц, сахар и др.) MorYT
вращать плоскость ПОJ\яризации падающеrо на них лииейно поляризо-
ваииоrо света (оптичеС!{ая активиость ).
Ряд веществ приобретает эти свойства под влиянием маrнитноrо
поля (эффект Фарадея). Уrол вращения qJ определяется соотношеиием
qJ == V I в I L,
(2.154)
rде V постояиная, характерная для вещества и носящая иазваиие
постояиной Верде, [рад/(м, Т); В плоти ость маrнитиоrо потока (Mar-
нитная индукция, Тл); L длииа пути света в веществе.
Для флиита имеем V 7610 rрад/(м.Т).
Если перед слоем TaKoro вещества длиной L, который вызывает
вращеиие плоскости ПОJlяризации на 450, устаиовить поляризатор, то
свет, который распространяется слева, будет проходить через это УСТ-
ройство (рис. 2.115). Свет, распростраияющийся справа, напротив, не
будет проходить через это устройство. Такое устроЙство служит в ка-
честве оптическоrо изолятора.
10
D JI, I P
000000000000
f 1 0
>
8Ф 00
8 , 00
ПовлощеНl1е "2 [о
О поляризаторе
р
I
1
[o
2 .
1
"2. I (J
1
ZIIJ
1
2 I o
[о
...............
lo
1
'2Iq
[о
P!' 2.: lG. Вентиль Фарадея. Положение плоскости колебаний прошед-
шеrо света (заштриховаииые стрелки) в зависимости от направлеиия
па ающеrо BeTa [Р поляризаторы (плоскость колебаниЙ указаиа бе-
лои стрелкои) ; F вентиль Фарадея с обмоткой, созд?ющей маrиитное
поле]
2.11.4. ОПТИЧЕСКИЕ ОДНООСНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ
ПЛАСТИНКИ
Ч е т в е р т ь в о л н о в а я п л а с т и и к а (п о л у ч е и и е Ц и р к у.
лярио поляризованноrо CBeTa) Четвертьволиовая пластии-
ка (пластинка л/4) вырезается из оптически одиоосиоrо кристалла та-
ким образом, что оптическая ось лежит в плоскости среза (x 900).
Падающий пучок падает перпендикулярно иа плоскость среза (ep OO).
Действующие показатели преломления ПО дЛЯ ТЕ-волны, n. для
ТМ-волны приведеиы в табл. 2.57. В плоскости падеНия лежат оптиче-
ская ось и волновой ве[{тор падающей плоской волиы.
Пусть падающиЙ свет длины волны 'л является лииейноЙ поляризо-
ваииым и имеет амплитуду ио Ero плоскость поляризации образует
с плоскостью падения уrол е, равный 450. Тоrда ТЕ- и ТМ-волны полу..
чаются с одинаковыми амплитудами.
При толщине d кристаллической пластиики эти волны после про-
хождения через нее приобретают разность фаз
Llер (по nе) d (2:n:/Л). (2.155)
Для опред лениой длины волны толщина кристаллической пластин.
Таблица 2.57. Поквзатсли прсломлсння оптически одноосных
кристаллов
Показатепь препомпения
Кристалл по Длина БОЛНЫ. ми
п е
ADP 1,62598 1,56738 0, 138560
1 ,54592 1 ,49698 0,3662878
1 ,50364 1,46666 1,152276
ВаТiO з 2,5637 2,4825 0,4579
2,4760 2,4128 0,5321
2,2947 2,2593 2,1284
CdSe 2,6448 2,6607 0,8
2,4929 2,5133 1,4
2,4491 2,4685 4,0
CdS 2,743 2,726 0,515
2,628 2,637 0,535
2,528 2,545 0.575
LiЮ з 1,948 1,780 0,40
1,901 1,750 0,53
1,860 1,719 1,06
LiNЬО з 2,4144 2,3638 0,42
2,2407 2,1580 1,20
2,1193 2,0564 4,20
LiТаО з 2,2420 2,2468 0,45
2,1174 2,1213 1,60
2,0335 2,0377 4,00
KDP 1,60177 1,54615 0,2138560
1,52909 1,48409 0,3662878
1,49135 1 ,45893 1,152276
АgАsS з (ПРУС1Ш) 3,ОНJO 2,7391 0,6328
2,8067 2,5756 1,129
2,7318 2,5178 4,62
Те 6,372 4,929 4,0
6,253 4,802 9,0
6,230 4,785 14,0
ZnO 2,1058 2,1231 0,45
1,9197 1 ,9330 2,00
1,8891 1 ,9068 4,00
ки выбираеТСЯ таким образом, чтобы
(по nе) d == '),,/4. (2.156)
Тем самым получаем I1fjJ 'Л/2.
За кристаллической пластйН!<ой образуется свет с круrовой поля.
ризацией, а именно от знака (no ne) получается свет с левоЙ или пра-
вой крyrовой поляризацией.
П о л у в о л и о в а я п л а с Т и и к а (п л а с Т и и к а '),,/2) (р и с.
2.116). Полуволновая пластинка выбирается аналоrичио пластинке )./4:
(no ne)d '),,/2. (2.157)
Пусть уrол е будет произвольным. Torдa в плоскости разреза на
стороие падеиия пучка света имеем
'Фтм 'Ф о cos е ехр ( i шt + qJO);
'ФТЕ 'Ф о sin е ехр ( i шt + qJO)
и в плоскости разреза На выхоДНОЙ стороие
'Фтм == 'Ф о cos е ехр ( i шt + qJl);
'ФТЕ == 'Ф о sin е ехр ( i шt + qJt).
(2.158)
(2.159)
(2.160)
(2.161)
@}
.- е
" Тм -,
ТЕ х
Оптическая.
ось
@ СПО7П 8
Z
d==А/(2по 2Пе) Напра8.
распро
нен'
у
х
ленuе
cтpa
ия
Рис. 2.116. Вращеиие плоскосrи поляризации в пластинке 'Л/2. Плоскость
изображения иденти'ша плОСКОСти падения. KpyroBbJe диаrраммы пок.3
зывают положение плоскостей колебанпй перед и за пластинкой. Опти-
ческая ось совпадает с осью у системы координат
ЭТО означает, что выходящий свет линейно поляризован, но ero
плосКость поляризации повернута на уrол 2 е относительнр плосКости
поляризации падаlOщсrо пучка.
Призма rлана ТОМПСоИа (рис. 2.117). Оптическая ось первой
призмы проходит перпендИl<УЛЯРНО плоскости чертежа. Уrол qJ выбира-
'f
Рис. 2.117. Призма fлана Томпсона в разрезе:
<:). оптическаи ось l1ерпендикулярна плоскости рисунка; ---+ оптичеСкая ось
В плоскости рисунка; . плоскость !lОЛЯрИЗ3ЦШ! волиы тм lIерпе'lДикулириа
t
ПЛОСкости рисунка: ! плоскость полиризации ВОЛНЫ ТЕ в Плоскости рисунка
ется таким образом, что необыкновениый луч полностью отражается на
rипотенузе первой призмы, ОоЫкиовеиный луч проходит через эту
призму.
Вторая призма (оптическая ось лежит в плоскости чертежа) служит
для 10ro, чтобы обыкновенный луч вышел из устройства, образоваино-
1'0 двумя призмами, без отклонения. Уrол Ip следует выдерживать до
десятых долей rрадуса. Падающий луч также должеи попадать перпен-
дикулярно на первую призму с точностью до десятых долей rрадуса,
в противном случае ооыкновеиный и так}ке иеобыкновениый лучи или
отражаются, или пропускаются оба.
Эффект Поккельса. Под влиянием электрическоro поля определен-
ные кристаллы становятся двоякопреломляющими или их двоякопре-
Jlомляющие свойства изменяются. Таким кристаллом является, напри-
мер, KDP (диrидрофосфат калия). Если напряжение на кристалле
отсутствует, то тоrда как на обыкновеииый, так и на необыкновенныЙ
луч действует показатель преломления flo.
Если к кристаллу прикладывается иапряжение, то в нем возиикает
аиизотропия, которая приводит к появлеиию второй оптической оси
в плоскости, перпендикуляриой электрическому полю. Длина d ячейки
выбирается таким образом, чтобы име.'10 место с.'1едующее соотношеиие:
(по ne)PoCkeIs d == 'Л/2 == ри;
РКОР == 3,6.){r- 1l м/В; PLiNbO. == 3.7.1O ' м/В.
Такой кристалл устаиавливается между двумя скрещенными поля-
ризаторами таким образом, чтобы при и o В свет не проходил через
такое устройство. После приложения напряжения и, которое удовлет-
(2.162;
Jo
Е К Е
! - !
jIIЧ I
8ф3а 808
10/2 10/2 10/2
8 фотк ф О
ПО2лощение
О поляризаторе
р
I
р
I
lo
Рис. 2.118. Положение плоскостей колебаний прошедшеrо света (за.
штрихованные стрелки) для двух состояиий ячейки Поккельса (про-
дольиая ячейка):
р поляризатор (плоскость колебаяий указана беJIOЙ стрелкой); Е электроды;
I( кристалл; S переключатеJIЬ; U источник питания
воряет условию (2.162), ячейка Покке'!,lьса (рис. 2.118) поворачивает
плоскость поляризации падаю[Цеrо линеиио поляризоваиноrо света иа
900, и только для этоrо иаправления колебаний второЙ поляризатор
прозрачеи. Таким образом, ячейка Поккельса служит в качестве элект
рооптическоro затвора.
Эта ячейка работаеf аналоrичным образом, если электрическое по
ле ПРJ!кладывается перпеидикулярно оптической оси (поперечиый эф-
фект Поккельса).
Оба устроЙства MorYT быть использоваиы также для модуляции
интеисивности излучения,
Эффект Керра. Жидкости и стекла под влияиием электрическоrо
поля MorYT становиться оптичеСIШ анизотропиыми (двоякопреломляю
щими) (электрооптический эффект Керра). Индуцированная оптическая
ось лежит параJlЛельно направлеиию приложенноrо электрическоrо по-
ля. Возиикающее двойиое лучепреломление определяется выражением
/!..п по п е КлЕ2,
(2.163)
rде Е напряжениость приложеиноrо электрическоrо поля; К постоян
ная Керра: для нитробеIlзола K 2,4.IO 12 MjB2; для стекла Ко::
3.IO i672.10 25 м/В2; для воды Ko::4,4.IO ' м/В2.
Ячейка Керра содержит, например, нитробензол и Два электрода,
расположенных по ВОЗМОЖНОСТИ на незначительном расстоянии друr от
дрУI'а. При соответствующем выборе приложеиноrо напряжеиия и дли-
ны электродов такая ячейка работает точно так же, как и соответству-
юшая ячеЙка Поккельса.
Дискретный оптический дефлектор (рис. 2.119). Электрооптические
элементы поворачивают плоскость поляризации линеЙно поляризован-
f
I
I
п'= f
f:
1:
[
1)'=2
N'=2.
J
!
'l.uсло tffi/ii7lШеf!j
"" 1.
't .0 7 0
.,.../ '<;J
,... c\j
---"
,--- ,...
,...------ ,...
,....
,... ,... ""
--- ,... <;;] ,.../ c\j
;
d 2а
1i'=1".if];
а'
z
tJ
,;=;z.,п 'а
Рис. 2.119, Система дискретноrо отклонеиия света:
1 ЭJIЩ{ТРООПТIIЧССКИЙ элемеит; 2 ДБоякопреJIOМЛЯЮЩИЙ элемент
Horo падающеrо света при приложении электрическоrо напряжеиия
каждый раз на 900 (ср. ячейку Поккельса).
Двоякопреломляющие элемеиты (оптически одноосные кристаллы
с положением оптической оси, которое ПрИ80ДИТ к максимальиому
Смещению необыкновенноrо луча) пропускают без отклонеиия обык-
новенный луч, а необыкновенный луч соответственно смещают на B
личину п/'1.
ЧИСЛО дискретиых положеиий достиrает 2 N , причем N число дво-
якопреломляющих элемеитов.
2.11.5. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК ДИСКРИМИНАТОР
ДЛИН ВОЛН
При фиксированиом уrле падеиия !х максимальная иитенсивиость
излучения, соответствующая длИИе волны 'Л, появляется под уrлом
sin f3 ('Л/а) siп а. ЭТО означает, что каждой длиие волны 'Л COOTBeT
ствует свой уrол (3. Таким образом возникает дисперсия длин волн. Ми-
нимальная еще наблюдаемая разность длии волн равиа:
f>'Л == 'Л/N s, (2.164)
rде N s ""7 число штрихов решетки на диаметре луча.
Пример. Примем число облучаемых штрихов N s 103.10'
105[103 штрихов/(мм.10' мм)]. При 'Л О,5мкм получаем f>'Л 5.1O 6
MKM 5.10 1' м.
3. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ФИ3ИI(Е,
ХИМИИ, БИОЛоrии И МЕДИЦИНЕ
3.1. ВВЕДЕНИЕ
Рассмотренные в этой осиовной rлаве применения лазера до сих
пор мало внедреиы (в разиой степеии) в практику, т. е. за пределами
научных лабораторий. Хорошее поиимаиие их сути требует специаль
ных знаний в различиых областях науки, например в физике твсрдоrо
тела, атомиой, молекулярной и ядерной физике, физике жидкости; фll
зике плазмы, спектроскопии, химии и кииетике реакции, биолоrии,
включая биофизику и биохимию, и медициие.
Ниже ПОI<азаио, какие принципиальио иовые возможиости открыва.
ет лазер со' своими типичиымн свойствами в различных областях, при
этом следует обратить виимание на то, что между рассмотреиными при-
менениями в нелинейиой оптике (см. разд. 3.2), лазерной спектроскопии
(см. разд. 3.3), лазерной фотохимии (см. разд. 3.4), в биолоrии и меди-
nине (см. разд. 3.5) и в лазерном управляемом термоядериом синтезе
(см. разд. 3.6) существуют вполие определеииые связн по существу
и также в методическом отиошении. Так, эффекты нелинейиой оптики
с ИХ большим значением для rеиерации новых частот (особеиио разра
ботка перестраиваемых лазеров) имеют важное значеиие при разработ
ке новых спектроскопических методов (которЫе затем снова примеияют
ся в химии, биолоrии и т. д.), при rеиерации ультракоротких импульсов
света (с длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне (l фс
10 15 с) (см. подраздел 3.2.7.1), при реалнзации оптичеСI<ИХ биста-
бильных элемеитов, которые представляют иитерес для оптических
вычислительных машин (см. подраздел 3.2.8.1), при иовых методах из-
мерения лазерноrо излучения (см. разд. 6), при реализации устройств
на иовых прииципах действия (иапример, обращеиие ВОЛНОБоrо фронта
методами нелинейной оптики) (см. подраздел 3.2.8.2) и при исследова-
ИИlI распространения воли и взаимодействия интенсивноrо лазерноrо
излучения с веществом (например, при создаиии сверхплотной плазмы,
необходимой для лазериоrо управляемоrо термоядерноrо сиитеза).
3.2. НЕЛИНЕйНАЯ ОПТИКА
3.2.1. ВВЕДЕНИЕ
Блаrодаря развитию лазеров стали возможныМи иаблюдение, ис
следоваиие и примеиеиие большоrо числа эффектов иелинейно оптики
(НЛО) [1 13].
При напряжеиностях электрическоrо поля световой волны, дости-
raeMbJX с помощью лазеров, диэлектрическая поляризация становится
нелииейной функцией иапряжениостн электрическоrо поля, поскольку
амплитудЫ колеблющихся диполей становятся настолько большими,
что проявляются иелинейиости, так что описываемая в подразделе
1.1.2.1. модель rармоиических осцилляторов больше непримеиима.
Амплитуду Етах напряжениости электрическоrо поля можно вы-
числить из интенсивиости (плотности потока энерrии, энерrетической
освещенности) J:
( 2 ) 1/2
Етах== ] ,
пВо с
(3.1)
Напряжеиность электрическоrо поля определяется выражением
Е (r, t) + еЕ шах (О) ei(kr wt) + к. с. ==
е I Е l11ах (о) I cos(kr t+6) E(0)cos(kr O)t+6), (3.2)
rде е вектор поляризации электрическоrо поля.
Пример. J 1012 Вт/м2 соответствует соrласио уравиению (3.1)
в вакууме (n 1) амплитуде
Етах 2,7.107 В/м.
Между иитенсивностью J и мощностью Р лазериоrо излучения BЫ
полняется соотношение J P/A, rде А поперечное сечение лазерноro
пучка. Для rayccoBa распределеиия амплитуд напряженности электри-
ческоrо поля радиусом Wo имеем
А == (:rt/2) W . (3.3)
в этом случае J является пиковой интенсивностью.
Большое число эффектов НЛО можно описать в рамках разложе-
ния диэлектрической поляризации по степеням наПРЯR,енности электри-
ческоrо поля
Р (r, t) == p(l) (r, t) + pNL (r, t)
с линейиой поляризацией
р(1) (r, t) == Ео ')((1) Е (r ,t)
(3.4 )
и нелинейной поляризацией
pNL (r, t) == Е о х(2):Е (r, t) Е (r, t)+ Еох(З):Е (r, t) Е (r, t) Е (r, t) +...
(3.5)
Диэлектрические восприимчивости в уравнениях (3.4) и (3.5) х(n)
ЯlIЛяются тензорами (n + 1) ro paHra. Поэтому при координатном спо
собе записи эти уравиения имеlОТ вид
рЩ ( \' t) == Е ')( ! ) Е ( \' t ) ( 3.4а)
t' О . LJ j ,
;
prL(r, t) == 80 ')($ Ej (r, t) Е. (r, t)+ Бо хш,IЕ;(r, t) х
k t
хЕп (r, t) Еl (r, t) +... (3.5а)
Эффекты НЛО MorYT возникать в rазах, жидкостях, твердых телах
и плазме (эффекты в плазме см. разд. 3.6). Решающим обстоятель-
ством, определяющим порядок низших члеиов иелинейности, т. е. явля
ется ли основной нелииейиая восприимчивость BToporo или TpeTbero
порядка, является пространственная симметрия среды.
Таким образом, в дипольном приближении в rазах, жидкостях и для
некоторых классов кристаллов все нелинейные восприимчивости четно
1'0 порядка тождественио ррвны нулю, эти восприимчивости существу
ют только в кристаллах без центра симметрии (см. разд. 3.2.2).
классификация эффектов ИЛ О. Эффекты нелинеiiноЙ оптики мож-
но разделить на четыре rруппы.
1. Параметрические эффекты, которые характеризуются тем, что
в них оптическая иелииейная среда действует лишь как посредник при
взаимодействии (т. е. эта среда после взаимодействия иаходится в том
же самом эиерrетическом состоянии, как и до взаимодействия, так
Jjазываемые пассивиые процессы) и это взаимодействие зависит от фа-
зовых соотношеиий между взаимодействующими волиами (необходи-
мость выполнения так называемоrо условия соrласования фаз, см. ПОk
раздел 3.2.3.1).
Примеры. [еиерация оптических rармоник, суммарных и разност-
ных частот, параметрическая флуоресценция, усилеиие и rеиерация.
2 Комбииациониые эффекты: нелииейная среда прииимает актив
ное участие при взаимодействии, т. е. среда отбирает эиерrию от элект-
ромаrнитноrо поля или отдает ее этому электромаrиитному полю.
Примеры Комбииациониое (рамаиовское) рассеяиие, рассеяиие
МаНДЕ'льштама Бриллюэна, миоrофотонное поrлощение, мноrофотонное
излучеиие и мноrофотониая ионизация.
3. Эффекты самовоздействия: на распространение волны влияет
иитеНСИБНОСТЬ падающей волны. Эти эффекты осиованы на зависимости
коэффициента преломления от интенсивности падающеrо пучка.
Примеры. Самофокусировка, самодефокусировка, фазовая самомо-
JI.уляция, оптический эффект Керра.
4. Коrерентиые переходные процессы это процессы, для которых
f>Е'шающим является KorepeHTHoe возбуждение атомарной системы, при
этом речь идет об аиалоrии с эффектами в физике излучеиия СВЧ. Эти
эффекты из-за их существенно высокой иелинейиости при феномеиоло-
rическом рассмотрении не MorYT описыВаться с помошью разложения,
указанноrо в уравнеиии (3.5)
Примеры. Фотоиное эхо, оптическая нутация, свободный распад
иидукции, самоИ!щуцированиая прозрачность [3, 9, 13].
Различные эффекты появляются в различных порядках нелинейио'
сти (табл. 3.1). Нелинейность высшеrо порядка, которая до сих пор
наблюдалас:. экспериментально, является нелинейиостью девятоrо по-
рядк.jj;,
Т а б л и ц а 3.1. Упорядочение хар8lперных эффектов НЛО по степени
нелинейности
"'.о
"'...
0."
!:1g
О'"
:Т
Эффект
Область применения
х(l) Линейная дисперсия, поrлощение
Вынужденное испускание
Спонтанное комбинацнонное рассеяние
(при учете движения ядер)
Спектроскопия
х(2)
rенерация второй rармоники I
rенерация суммарных и разностных частот
Параметрическое преобразование с повы
шением частоты (up conversion) }
Параметрическое усиление и rенерация
Линейный электрооптический эффект (эф-
фект Поккельса)
ОПТПТIеекое дстектирование
Спонтанное rиперкомбинационное рассеЯИllе
rенерация HO
вых частот
Модуляция CIJeTa
Измерение интен
СIlВности
Спектроскопия
х(3) rенерация третьей rармоники )
Четырех волновое смешение I
I
Двухфотонное нзлучение } rенерация но.
Rынужденное комбинационное рассеШlИе, I вых частот
ВКР I
Фазовая самомодуляция ,
Коrерентиое комбинационное \
антистоксово I
рассеяние света (КАРС)
Насыщенное поr лощение Спектроскопия
Двух фотонное поrлощение
Оптический эффект Керра Оптический затвор
)(5) I Среди друrих вынужденное rипсркомбини I rенерация новых
рованное рассеяние частот
Эффекты НЛО иМеют значение для (табл. 3.1):
1) rенерации новых частот (также с перестройкои по частоте лазе-
ров).
Примеры. Смешение частот, вынужденное комбинационное рассея-
ние, параметрические reHepaTopbJ;
2) их применения в спектроскопии как основы для новых спектро-
скопическнх методов.
Примеры. KorepeHTHoe антистоксово комбинационное рассеяние
света (КАРС), обращенное комбинационное рассеяние, мноrофотонная
спектроскопия;
3) их влияния на распространение интенсивноrо лазерноrо излуче
ния в оптических средах.
Пример. Самофокусировка;
4) их использования для детектирования электромаrнитноrо излу-
ченин.
Примеры. Параметрическое преобразование с повышением частоты
(Uр СОl1vеrsiоп). измерение длительности импульсов в пикосекундном
т а б л и ц а 3.2. Компоненты Фурье нелинейных восприимчивостей,
которые описывают эффекты нелинейной оптики "( шо характерная
частОТа пере"ода атомной системы). У эффектов, обозначенных *,
мнимая часть восприимчивости иrрает существенную роль
ЭфФеl<ТЫ
I(оыпоненты Фурье
Нелинейность BToporo порядка
fенерация второй rармоники
fенераuия суммарной частоты
fенерация разностной частоты
Пара мет-рическое усиление
( Ш2)
Эффект Поккельса
Оптическое детектирование
х(2) ( 2ш; ш, ш)
х(2) ( WЗ== Wl Ю2; Шi, Ш2)
х(2) ( W2== WЗ+Wl; Ш3' юl)
х(2) ( Ю2; W З ==W 1 +W2, юl)
х(2) ( ш; ш, О)
х(2) (о; Ш, ш)
Нелинейность TpeTbero порядка
fенерация третьей rармоники
Четырехволновое смешение
* Вынужденное комбинацион-
ное рассеяние
* KorepeHTHoe антистоксово
комбинационное рассеяние
света (КАРС)
* Двух фотонное поrлощение
* Насыщенное поrлощение
Оптический эффект Керра
х(3) ( зw; ш, ш, ш)
х(3) ( W4== Wl+W2+WЗ; ш 1 ::!:ш 2 . ::I::w з )
х(3) ( Ю5== Ш+ШО; ш, ю, ш ооо)
х(3) ( 2Wl+W2; Шl; Шl==Ш2+ Ш О' Ю2)
х(3) ( ш; Ш, ю, ш==шо/2)
х(3) ( ш; ш, ю, ш==шо)
<х 3 ) ( ш; Ш, ю, ш)
НелинеЙiIОСТЬ пятоrо порядка
* Вынужденное rиперкомбина-
ционное рассеяние
X(5)( WHS== 2w+wo; ю, ю, ш,
ю, 2ш юо)
диапазоне путем rенераЦИII второЙ rармонИlШ (в настоящес время един-
ствсниый метоД для измерсния ДШJТельностеЙ импульсов в фемтосе
кундном диапазоне, двухфотонная флуоресценция или использование
ОПТИlJсшоrо эффекта Керра (ОПТJ1Чl:eСКИЙ затвор».
При математическом описании распространения волны в оптически
"нелинейных средах, которое достиrается (в рамках феноменолоrичсс!<оii
,теории) с помощью учета в волновом уравнении неJlинейной поляриза-
Iщи по уравн"ниlO (3.5), оказываются существенными компоненты
Фурье нелинеЙНОll поляризации (табл. 3.2).
Появление различных оптических нелинейных процессов определя-
ется соотношением между продольным временем релаксации TI. по-
перечным временем релаксации Т 2 . временем жизни 1:. электроннOI'О
возбуждения и временем {, характеризующим наблюдение процесса
(например, время наблюдения, время после импульса) (табл. 3.3) [3]-
Имеем
I 2 Т I Е I / "
1:. ffi R 2' (t)R I, "шах п,
rде ffiR частота Раби; f.-t дипольныЙ момент.
т а б л и ц а 3.3. Временные соотношения для разли'/Ных нелинейных
режимов
(3.6)
п роцессы
Временные соотношеНI<Я
Пассивный
Вынужденный
С насыщением
Неравновесный
KorepeHTHble
t + f.?,
JiWl + fiц)z == ПЫ О
дl 'р) ,
1:а Е> t i> Tl' Т 2
t!> 1:а !> Tl' Т 2
t !>1:а Тl :> Т 2
1:а, Tl > t i> Т 2
Tl' Т 2 !> t > 1:а
' T
I I
1i I 1iVJ s I
VJ I I
I
I
1 1' 1
J I
1 1...
J ПUlаsl f/I.JJ
J I
1
I ПЦ)О
/iUl as ==1i(J.I+ ЛЫ р
е)
Рис. 3.1. Двух фотонные процессы:
. а двухфотонное поrлощенне; 6 двухфотонное излучение; в СТОКСОво KOM
бинационное рассеяние; е антнСтоксово комБИllацнонное рассеяиие; в и е вер-
Тикальные штриховые стрелки указывают процессы при обращенном комбииаци.
ОННОм рассеяннн
Эффекты нелинейной оптикн кщ{ мноrофотОнные процессы. На язы-
ке микроскопической теории эффекты НЛО являются мноrофотонными
процессами.
Мноrофотонными являются процессы, у которых в одном элемен
тарном акте принимают участие несколько фотонов.
Примеры мноrофотонных процессов приведены на рис. 3.1 3.3. На
этих рисунках rоризонтальные сплошные линии обозначают действи-
H
w 1 П
Ш ,
'/iйJt+ncvz="W;r Пf1J,+1тw z +1iw J ="%
!1) . 0,)
1i w о
2
п cv 2.
= ]1 == п;, ll :" ,ы,,,:
ПW;r пш .
z nы. ПWО пцiq.,
1i +1iW2=1тltJз hlJ);)=2nw tJ{,)o li )аs=2пltJ+Пll/!lJ
Рис. 3.2. Трехфотонные процессы:
а rеиерация сумм?риых частот; б 'срехфотонное поrлощеине; в зависимость
от начальных условий (rенерация разностных частот, параметрическая rенерация
и уснленне. а также параметрическая флуоресценция); а стоксово rиперкомбн-
нацнониое рассеяние; д антистоксово rнперкомбннацнонное рассеинне света
.......
ПЦ)
п(,J
JпcJ
Рис. 3.3. rенераЦIIЯ третьей
rармоники как четырех фотон.
ный процесс
пw
тельные уровни атомарной системы, rоризонтальные штриховые ли-
нии виртуальные уровни, стрелка вверх обозначает поrлощение,
а стрелка вниз испускание фотонов.
3.2.2. НЕЛИНЕйНЫЕ ВОСПРИИМЧИВОСТИ
3.2.2.1. Влияние пространственной симметрии. Пространственная
симметрия определяет, какие компоненты тензоров восприимчивости
отличны от нуля. В табл. 3.4 приведены (в дипольном приближении)
отличные от нуля компоненты восприимчивостей для квадратичных не-
линеiiных сред [4], а также индексы соответствующих компонент в об-
щепринятой системе координат для отдельных классов кристалов [14].
Поперечным штрихом uтмечены компоненты, которые являются от-
рицательными. В табл. 3.4 показано, что среда некоторых классов крис-
Т а б л и ц а 3.4. Квадратичный тензор воспрнимчивости 'Х,и!
для l<ристаЛJIических I<JIaCCOB без центра симметрии
Снстема
<J
<J
'"
о,:
::.:;
Компоненты
Z:
"''''
"':Е
оо",
"'о,:
:О'"
0><
0,::;;
::r'<J'"
Триклинная 1 [ ххх хуу XZZ xyz xzy XZX XXZ хху хух ] (27)
ухх ууу yzz yyz yzy yzx yxz уху уух
. zxx zyy izz zyz zzy zzx zxz zxy zyx
I
Моноклинная
Орторомби-
чеСliliЯ
Тетраrо:rаль-
ная
2 ' [ О О О
ухх ууу yzz
О О О
[ zxx оуу Ozz О
zxx zyy zzz
ш
222
[8
[ xx
[:х
[ <x
П
[ xx
П
тт2
4
"4
422
4тт
42ш
О
О
О
О
О
zyy
ехх zzz
zxx О
zxx zzz
О
О
О
xyz xzy О
О О yzx
zyz zzy О
о
yxz
О
аХУ yx ]
zxy zyx
(13)
О
yyz
О
уеу
О
xzx xxz О О
О О уху уух
zzx zxz О О
о
о
О
о
о
zzz
]
xy yx ]
2 ]
xyz xZ/j XZX xxz -о О ]
XXZ xzx xzy xyz О О
О О О О y z
xyz xzy xzx xxz 9 О ]
xxz xzx xzy xyz О О
О О О О zxy zxy
xgz xzy О О О О ]
О О xzy xyz О О
О О ; zxy zxy
xx ц Ц XX ]
y, ,y ;У y, :ху ]
(3)
(14)
yyz
О
xzy О О
О yzx yxz
О О О
О xzx xxz О
yzy О О О
О О О О
(7)
(6)
xyz
О
О
О
о
О
(7)
о
о
(6)
О
О
О
О
О
(3)
(4)
О
О
О
Продолжение табл. 3.4
Система
<)
u
'"
'"
::<:
Компоненты
"
"'
",'
",.,
.,0;:
"''''
Ox
5:li
ffi
I;:J' u::;
КуБНLJеская 432 [8 О о ху' ХУ' О О О О ] (1)
О О О О ХУ' ХУ' О О
О О О О О О ху' ху'
43т [ О О О О О 1 (1)
ХУ' ХУ'
О О О О О
ху' ху'
О О О О О О ХУ' xyz J
23 [8 о о ХУ' xzy О О О О I (2)
о О о о ху' xzy О О J
u о о о о о ХУ' xzy
Тр'н'ональ- I 3 r ххх О ИЛI ] (9)
ххх ху' xzy xzx хх' ууу
I!aH
ууу У!lУ О хх' xzx xzy ху' ххх ххх
l zxx ,хх zzz О О О О ,ху ,ху
32 [ X< О О О О :х ] (4)
ххх ХУ' xzy
О О О О
xzy ху' ххх
О О О О О О 2ХУ ,ху
3т [ ИI О О О О УиУ ] (5)
xzx хх, ууу
ууу о ххх xzx О О О ()
о о о о о о
'хх ,хх zzz
I-еl.:саrонаЛI,- 6 [ " О О ху' xzy xzx хх' О xy l (7)
пан О О О
xxz xzx xzy ху'
,хх zzz О О О О ,ху
6 [хх< ххх О О О О О ууу ИЛI ] (2)
yy ууу о о о о о ххх ххх
() О О О О О О О
622 [ О О ху' xzy О О О щI (3)
о О u о xzy ху' О
О О О О О О ,ху
6тт [ xx О О О О xzx хх' О О ] (4)
О О хх' xzx О О () О
,хх zzz О О О О О О
Продолжение табл. 3.4
Система
"
"
'"
"
:.::
6т2 и"" о о
ууу о
о о
КОМПОНСllrы
,Ф
",О;:
<от
w
"'''
o:lia:t
,,:;0
т
::r",:.o
(1)
[сксзrОllаль-
изя
о
о
о
о
u
о
r ]
о
о
о
о
о
о
ууу
о
о
таЛJJОВ, являясь оптичеС1Ш изотропной, обладает квадратичными свой.
ствами (пример, GaAs, Iюторыi! относится К классу крнсталлов 43т).
Отиосительно расчета ИС ШнеЙных восприимчивостеii см., напри-
мер, [41
3.2.2.2. Эффективиые квадратичные нелинейности. Для взаимодей-
СТВIIЯ в I(ристалле с квадратичной НСJlИнейностью существенна эффек-
тивиая нелинейность, которая опреДeJlЯется пространствснной симмет-
рнеЙ среды, направлением распространения волны (')тносительно крис-
таллоrрафических осеЙ, поля изацией волн,
Часто вместо тензора 'X,Jjk применяют тензор dijl,:
')( k ) 2d . k "
1/ . I1
При пренебрежении частотноЙ зависимостью восприимчивость ')(ilk
симметрична относительно персстановки пространственных индексов
(симметрия Клеймнна). Симметрия в последних двух индексах учиты-
вается путем объединения (обычно используемоrо у пьезоэлектрических
кристаллов) обоих ПОCJIедних индексов в dijk записью di!/k)==dim(т==
1--;--6):
[ zy zx
(iЛ == хх уу zz yz xz
rп==! 2 3 4 5
[ XYZ ]
i==12З'
В частности, имеем для I<омпоненты Фурье нелинейной поляризации,
которая приводит к rенерации второй rармоники, в матричной форме
Е;(оо)
2
Еу(ОО)
Е; (00)
2Еу (00) Е", (00)
2Ех (00) Е", (00)
2Ех (00) Е у (00)
( рр) ('00» )
p 2) (200) == Во (d)
p 2J (2 (0)
(3.7)
ух ]
ху
6
(З.8)
(3.9)
(d)3X6 матрица diщ;
для компоненты Фурье нелинейной поляризации, которая приводит
к rенерации суммарной частоты roз==rol+ro2,
Ех ( ro l) Ех (ro 2 )
Еу (rol) Еу (ro 2 )
Ez ( ro l) Ez (ro 2 )
Еу (roi Ez (ro2) + Еу (ro2) Ez (rol)
Ех (rol) Ez (ro2) + Ех (ro 2 ) Ez (ffiJ.)
Ех (rol) Еу (ro2) + Ех (ro 2 ) Еу (ffiJ.)
( Р;2) (ro) )
p 2) (ro з ) == 2во (d)
p 2) (ro з )
(3.10)
При сравнении уравнения (3.9) с уравнением (3:10) следует обра-
тить внимание на множитель 2. Этот множитель объясняется опред
лением компонент Фурье аналоrично уравнению (3.2).
Какие элементы d iт не равны нулю, можно определить сравнени-
ем с табл. 3.4. В табл. 3.5 приведены некоторые числовые значения
diт для часто применяемых кристаллов, а также важные для примене-
ния области пропускания [15],
т а б л и ц а 3.5. Нелинейные квадратичные восприимчивости н областн
пропускания часто используемых кристаллов
Кристалл Класс "iт' nм/B Область проny-
си:ания, мкМ
KDP(KH 2 P0 4 ) 42т d з6 ==0,5 o,2 1,
KD*P(KD 2 P0 4 ) 42т d 36 ==0,5==dй o,2 1-,_
4Zm dз6==0,6 J
ADP (NH 4 H 2 P0 4 ) 0,2 I,.2
КВ5 тт2 d31==4.1O O,2 0,9
(КВ 5 Ов.4Н 2 О) d32==3'1O 3
КТР (КТЮР0 4 ) тт2 d з1 ==7,5 0,35 4,5
CDA (CsH 2 As0 4 ) 42т d з6 ==0,4 O,26 I,46
RDA (RbH 2 As0 4 ) 42т d з6 ==0, 4 0,26 1 ,46
LiI0 3 6 d з1 ==7,5 0,3 5,5
LiNЬО з 3 d з1 ==6,3 O,4 5,3
A GaS2 42т d з6 == 12 0,5 13
AgGaSe2 42т d з6 ==33 0,7 18
А зАsSз 3т d 15 ==12 0,6 13
GdSe 6тт d 31 == 19 О, 75 20
GaSe 6т2 d 32==89 0,65 18
GdGeAs 2 42т d зв == 236 2,4 18
GaAs 43т d з6 ==90 1 17
Порядок квадратичиЫХ восприимчивостей в очень хорошем прибли-
жении можно оценить из линейных свойств среды с помощью правила
Миллера (зл) [7]
d == Во (п 2 I)Зll, II === 0,5 м 2 /(А.с). (3.11)
Эффективная нелинейность. Эффективная нелинеиность, появляю-
щаяся в волновом уравнении ка[{ источни[{ для rенерации новых час-
'1'01', для взаимодеистия трех волн с круrовыми частотами ШЗ, 002, Ш,
(векторы поляризации волн еl и т. д.) определяется формулой
J... (2) .
d eff 2 еЗi Xijk. ( Ша' Ш 1 , Ш 2 ) e jj e 2h .
i,j.k
(3.12)
в табл. 3.6 приведены значения defl для взаимодействия волн раз
личной поляризации в оптически одноосных кристаллах [р есть двулуче
преломление или уrол анизотропии (рис. 3.4); е уrол между оптиче-
z Оптическая ось
ko{w) ko(UJ)
"" ..
б) J;r2UJ)
т
........
{t} (2)
k(1W)
о)
Рис. 3.4. Фазовое соrласование при rенерации второй rармоники:
а, б коллииеариое взаимодействие в отрицательвых одиоосиых кристаллах (п е <
<n'о)' тип 1. взаимодействие «оое»; В неколлннеарное взаимодействие
ской осью (ось z) и направлением распространения; qJ уrол между
проекuией волновоrо вектора в плоскости х, у и направлением х].
Пример. rенерация второй rармоники в кор (класс кристалла
42т) в виде необыкновеннои волны путем облучення основной вол.
ной в виде обыкновенной волны (взаимодействие типа «оое») при уrле
фазовой синхронизации ем :
d eff === d 14 sin 2qJ sin (ем + р); d 14 === d з6 ;
d eff имеет маКСИl\lаЛhное значение для qJ 45°, т. е. с помощью кристал
поrрафическоrо ориентирования можно оптимизировать эффектнвную
нелинейность.
Т а б л и ц а 3.6. Эффективные нелинейные коэффициенты оптически
одноосных кристаллов ДJIЯ взаимодействия «еео» и «оое»
(предположение справедливости симмerрии Клейнмана [4J)
Кристалло-
rрафическИй
класс
ВзаИмодействие «ООе»
ВзаИ'l!одействве «есо»
6,4
622, 422
6тт, 4тт
6ш2
3т
(3
3
32
'4
42т
О
О
О
d 22 cos 31jJ cos (8+р)
d 22 cos 31jJ cos 2 (8+р)
(а н sin 31jJ+d 22 cos 3ср) Х
Х cos (8+р)
(а н sin зср+а 22 cos 31jJ) Х
Х cos (8+р)
d п sin 31р cos 2 (8+р)
(d 14 cos 21jJ d15 sin 21j) Х
Х sin (::'8+2р)
d 14 cos 2ср sin (:':8+2р)
d 15 sin (8+р)
О
d 15 sin (8+р)
d22 sin 3ср cos (8+р)
d 15 sin (8+р) a22 sin 3ср Х
Х cos (8+р)
(dlJ cos 3cp d22 sin 3ср) Х
Х cos (8+р)
d 15 sin (8+p)+(d ll cos 3cp
d22 sin 31j) cos (6+р)
d п cos 31jJ cos (8+(»
(d15 cos 21j)+d 14 sin 21j) Х
Xsin (8+р)
d14 sin 21j) sin (8+р)
т а б л и ц а 3.7. Лучевая стойкость частО используемых
квадратично нелинейных кристаллов [15]
Кристалл ДЛl1 На ВOJlНЫ. ДлителЬиОсть Лучевая стой.
мкм импульса, ис КОСТЬ, [I3т!см2
КОР 0,6943 20 0,4
0,53 0,2 17
1,06 0,2 23
КО*Р 1,06 10 0,5
1,06 0,25 6
АОР 1,06 60 0,5
СОА 0,53 10 0,8
1,06 10 0,5
1,06 0,007 4
RDA 0,6943 10 0,4
LilO з 0,347 10 0,05
0,53 15 0,04
0,53 0,015 О
1,06 20 0,05
LiNЬО з 0,53 15 1O
0,53 0,007 е>1O
1,06 30 0,1
1,06 0,006 r>1O
Продою: еНl/е 1'а6л. 3.7
ДJiИНR ПО ']НЫ. ДJште '1ЬНО('lЪ Лучевая CToH
КрНСТ8ЛJI МКМ импУЛЬса, не '-(ОСТЬ, rBT/CM 2
КВ5 0,4З) 7 >1
GaSe 1,06 10 4.1O :!
А gзАsSз 0,6943 14 3 . 1O 3
1,06 18 2.1(}-----
10,6 220 5.1O
Ag GaS 2 0,59 500 2.1O 3
0,6943 10 2.1O ;!
1,06 35 2. 1O
10,6 200 2. 1O
AgGaSe 2 10,6 200 >2.1O 3
CdSe 1,833 300 3.1O 2
2,36 30 .'j.1O
CdGeAs 2 10,6 160 4.1O 3
3.2.3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Соответствующие среды ДJ1Я пара метрических процессов ДОJlЖНЫ
обладать высокой эффективноЙ нелинейностью, хорошей прозрачностью
в "<::сл .u.уеiviОМ диапазоне длин волн, высокой оптической .JIучевой проч
ностью (табл. 3.7) и возможностью выполнения условия фазовоrо син
хронизма.
3.2.3.1. Методы фазовOI'О соrJшсования. Нелинейная волна поляри
зации, образованная падающими волнами, распространяется с фазовой
скоростью, которая определяется фазовыми скоростями падающих волн,
в то время как возбу>кденная нелинейной поляризациоиной волной мо-
да из-за дисперсии среды, вообще rоворя, распространяется с друrой
фазовоЙ скоростью, что препятствует эффективному взаимодействию.
Д.JIя достижения зффективноrо взаимодействия на больших длинах
фазовые скорости неЛlIнейной полярнзационной волны и соответствую-
щей моды должны быть одинаковыми (соrласованы), что связано с не-
обходимостью выполнения условия фазовоrо синхронизма.
Возможности выполнения условия фазовоrо синхронизма следую-
щие:
1. I\оллинеарное взаимодействие волн различной поляризации в оп-
тически анизотропных средах. Этот метод наиболее часто применяется
в квадратичных средах. В оптически одноосных кристаллах для пока
зателя преломления необыкновенной волны, распространяющейся под
уrлом 8 к оптической оси, действительно соотношение (см. разд. 1.2)
1
n (8)
cos 2 8 sil1 2 8
="' + .
по nе
(3.13)
Имеется два типа фазовоrо соrласования, которые в случае reHe-
Рации второй rармоники (для rенерации суммарных частот и т. д. И вза-
ИМодействия в кубических нелинейных средах действительны аналоrич
ные соотношения) имеют вид:
тип 1
nе (2Ф, е м) по (ш) при nе < по (взаимодействие «оое»); }
ПО (2ш) == nе (ф, ем) при по < nе (взаимодействие «ееш»;
тип 11
2nе (2Ф, ем) == nе (ф, ем) + по (ш)
(3.14 )
при nе < по )
(взаимодействие «еео» );
2nо (2ш) nе (Ф, ем) + по (ш) при по < nе
(взаимодействие «оое»),
rде eM уrол фазовоrо синхроиизма (см. рис. 3.4).
Вели'IИНУ е м можно вычислить для различных кристаллов и длин
волн с помощью показателей преломлеиия, приведенных в [I5, 16].
'2. Неколлинеарное взаимодействие (см. рис. 3.4), при котором раз-
личие в фазовых скоростях взаимодействующих волн различных частот
компенсируется путем распространения под различными уrлами.
3. Фазовое соr.'lасование при использовании аиомальной дисперсии
(рис. 3.5), которая имеет особое значеиие для параметрических взаимо
действий в атомарных rазах и парах металлов, а также для молеку-
лярных rазов [8].
4. Фазовое соrласование в волноводных структурах, в которых про-
странственные размеры сравнимы с длиной волны, или в диэлектриче-
ских планариых (см. разд. 1.2) или в периодически возмущенных вол-
новодах [I7, 18].
Такое фазовое соrласование имеет значение для интеrральной опти-
ки, в оптически изотропных, квадратичных кристаллах с большой нели-
нейностью.
Фазовый синхронизм является очень критичным отвосительно час-
(3.15)
tJ
Jw
ш
........................Пр
1
Лм(WI-тпр(UJ)== П м (3lV) + Пр (JlV)
it
Рис. 3.5. Фазовое соrласование при использовании аномальной диспер-
сии, представленное на примере rенерации третьей rармоиики [nм по-
казатель преломления иелииейиой среды (rаз, пар); Пр показатель
преломления буферноrо rаза]
тоты И ориентирования используемых кристаллов (см. подраздел
3.2.3.2).
3.2.3.2. [енерация второй rарIliОНИiШ. При малых коэффициентах
преобразоваиия для отношения интевсивностей (L длина кристалла)
действительно соотношение [12]
1 (2<0) == ( ) 2 sinc I1kL . , '
1 (<о) L NL 2 (3,16)
. sinx
sinc х == ; м == 2k (<о) k (2<0).
Х
Длина пути нелинейноrо преобразования L NL определяется из вы-
ражения
== ( 2<02 I deff I 2 Р (<о) ) 1/2,
L NL n2(<о)n(2<о)с3Во А
(3,17)
Для больших коэффициентов преобразования при фазовом синхро-
низме (l1k O) имеем
1 (2<0) == th2 ( ) . (3,18)
1 (<о) L NL
При L LNL /(2<0)<""0,6/(<0),
Пример. LiNbO a ; Лl I,06 мкм: /(<o) 1 МВт/см 2 ; LNL 3 см.
При преобразовании во вторую rармонику необходимо обращат.ь
внимание 1Н' следующие факторы.
1. Следует точно соблюдать фазовое соrласование. Оно характер1):о
зуется длиной фазовой коrерентности
LR. == (1.,1/4)/ I n (2<0) n (<о) I .
(3.19)
Для эффективноrо преобразования частоты при длинах кристаллов
примерно 1 см требуется совпадение показателей преломления с точно
стью примерно 'n(2<o) n(<o) I <""10 q.
2. При взаимодеЙствии пучков различной поляризации из-за расхо-
дящихся векторов Умова Пойнтинrа (см. разд. 1) взаимодеЙствие эф
фектнвно только при L<La (La апертурная длина):
La == y (Wo/p), (3.20)
rде уrол анизотропии р равен:
(€e 100) sin е cos е
P tgp==f
80 + (8 е 100) cos 2 е
(3,21)
rде Ев, 80 rлавные значения тензора диэлектрической проницаемости:
€e n ; 80 п .
Желательно (если осуществимо) фазовое соrласование перПеНДН-
Кулярно оптической оси (некритическое фазовое соrласование), eM
"'='Jt/2, p o, La oo.
3. При взаимодействии ультракоротких световых импульсов вза-
Имодействие из за смещения импульсов относительно друr Apyra, обу
СJJовленноrо различными rрупповыми скоростями Vg, эффективно только
при 1.<1,\, (Lv длина квазистационарности) р{), 12J:
I 1 1 ' I
4 't" Vg (<о) Vg (20) .
Lv зависит от дисперсионных своЙств примеияемоrо «ристалла и дли-
тельности светО!юrо ИМ:l}'льса Т.
"ример. 'л 1,06 м({м; т I пс; Lv 3,7 см (KDP) или 0,2 см
(LiNЬО з ) .
4. Дифракционными эффектами можно пренебречь, если L<Ldill
(Ldiff дифршщионная длина):
2
L diff kw o .
Пример. Ldili 6 СМ дЛЯ ', 1,06 МI<М, wo 100 мкм.
5. Уширеиием CBE:ТOBOro импульса из-за дисперсии можно прене-
бречь, если L<Ldisp (Ldi'p дюша дпсперСlIонноrо расплываlIИЯ, 't"
длительность импульса:
Ldisp == Т21 ::: I I == 1'21 д :g ' -1 .
(322)
Этот эффект появляется также в Jшнейной среде, поэтому оптимальноЙ
длиной волны в световодах является длина волны, для (юторой (д/дО)
(l/vд) О, т. е. LdlsP--+ОО [111.
Пример. L dlsp 50 см дЛЯ KDP (обыкновенная волна), 'Л 1,06 мкм,
I ::: I 2.1O 2 пс 2 /м, t 1 пс.
Эффективность преобразования во вторую rармонику, т. с. отно-
шение интенсивиости rенерируемой rармонИlШ к IIIпенсиВI-IOСТИ падаю-
щей основной волны, можно повысить путем удвоения частоты в резо-
наторе лазера (эффективный способ для излучения непрерывноrо лазера,
-КПД преобразования достиrает 100 %), фокусировки основноЙ вол-
ны в «рнсталле; при p o ФOl<усировка оптимальна для L Lr (Lr
оптимальная длииа фокусировки) [3.3]:
Lf == 2,84Ь 1 . (3.23)
rде Ь, Iюнфокальный параметр основной волиы (см. разд. 1).
Экспериментально реализуемые -КПД для удвоения частоты;
при применении rиrантских импульсов (см. разд. 2) 50 80 %;
при применении пикосекундных импульсов (см. разд. 2) 50 80 %;
при применеиии лазера непрерывноrо деЙствия до 100 % (при удвое-
нии частоты в резонаторе);
при применении лазера непрерывноrо действия и удвоении частоты
JЗlJе резонатора <1 % (типичные «оэффициенты преобразования лежат
в интервале 10 З 10 5 на ватт мощности лазерноrо излучения).
В табл. 3.8 приведены некоторые конкретные результаты.
Важными параметрами кристалла, которые характеризуют влняние
изменениЙ температуры, длин волн и уrла фазовоrо синхронизма. яв-
ляются соответствующие ширины полос. ОНИ указывают изменения па-
раметров, которые при водят к такому изменению /1k в уравнении (3.16),
при котором интенсивность rармоники умеиьшается до ПО.IJОВИНЫ
(SiIlC2XO O,5 при xo I.39). Справедливы следующие соотношения (L
длина кристал.lJа):
Т а б л и ц а 3.8. Примеры rенерации. второй rармонини
Лазер Кристалл 1 (Ю), КПД. % Примечаиие
ВТ/СМ'
Nd-ИАr I КО"'Р 5.106 50
(20 ис, 10 rц) (2 см)
Рубин I ROA 60. IOG 30
(15 нс) (2,5 см)
Nd-ИАr КОР 500.IO G 75
(30 пс) (5 см) 0,532 мкм Последовательное
0,532 MI{M КО*Р 4.\09 75 удвоение часто
(0,4 см) 0,266 мкм ты
Nd-ИАr
(непрерывный)
100
Ba 2 NaNb 5 0 15
т а б л и ц а 3.9. Параметры неноторых кристаллов,
которые применяются для удвоения частоты
Nd ИАr лазеров [20 22] (L длина кристалла)
Параметр
Кристалл
КОР I КПР I СОА I СОА
Тип взаимодействия
Тип 1 Тип П Тип 1 900
Температура, ос
22
22
22
Спектральная ширина поло- 72,5 55,7 22,5 22,5
сы LI1'Л, А. см
Уrловая ширина полосы 2,4 5
LI18m, мрад' см
Температурная ширина по- 6 6
лосы LI1T, К 'см
Уrол фазовой синхрониза 41 53,5
ции (на 1,06 мкм) 8 м .
rрад
9
6
82
YrOJI анизотропии, мрад
18
27
3,1
Удвоение частоты
в лазерном резо-
наторе
105
/I<TP I Li NLЮ з
Тип п, 900
2:) 165
5,6
2,3
50
15 68
47
6
25
{),6
90
26
90
о
о
спектральная ширина полосы L6.')., 4. 1,39/ (д6Щд').,);
уrловая ширина полосы L6.E>m 4. 1 ,39!(aMjaE>m) ;
температурная ширина полосы L6.T 4.1,39j(a6.k/aT) (табл. 3.9)
[3.19 3.22] .
rенерация второй rармоники имеет значение для:
получения более коротковолновоrо излучения, в частиости, путем
последовательных удвоений частоты (оrраничение было обусловлено по
rлощением известных до СЮi пор кристаллов, см. табл. 3.5);
получения перестраиваемоrо коротковолновоrо излучения путем
удвоения частоты излучеиия лазеров на красителях; фазовое соrласова
н'Ие достиrается для различных частот лазера на красителе с помощью
изменения температуры или вращения нелинейноrо "ристалла;
измерения длительностей ультракоротких световых импульсов [23]
(этот метод является единственным для измерения световых импульсов
в фемтосекундном диапазоне [24]; применение неколлинеарноrо фазо-
Boro соrласования имеет то преимущество, что при измерении не появ-
ляется фоновоrо излучения);
реrистрапии излучения при оптической томоrрафии [25];
исследования поверхностных процессов с помощью измерения вто"
рой Fармоннки при отражении (см. подраздел 3.2.7.2).
3.2.3.3. rенерация суммарной и разностиой частот. В квадратично-
нелинейных средах rенерация суммарной и разностной частот является
эффективным методом преобразования частот лазерноrо излучения
в УФ-области спектра (до 190 нм) и в ИI(-области спектра (до
25 мкм). Реализуемые кпд, например, при смешении излучения лазера
на кристалле, работающеrо в наносекундном диапазоие, достиrают не-
скольких процентов.
Интенсивность волны с частотой (03 (OI+(02, равиой сумме частот
при смешеиии двух волн с частотами (01 и (02 (см. рис. 3.2), при низких
кпд можно вычислить из соотношения [3]
(оз ( ML )
1 «оз) (01 1 «OI)(r S L)2 sinc 2 '
(3.24)
rAe
6.k k з k 1 k 2 ;
2(01 (0з I defl I L2 1 (00:1)
(r s L)2
(3.25)
nl n 2 nз с з 80
(3.26)
L длина кристалла.
На рис. 3.6 дана нллюстрация. rенерации перестраиваемоrо УФ-из
лучения (').,з) путем образования суммарной частоты излучения двух
лазеров на кристалле (длины БОЛН ').,., ').,2) в кристаллах ADP, KDP
и КВ 5 (КВ 5 ОВ' 5Н 2 О) [3.27].
Кроме Toro, rенерация суммарной частоты применяется для изме-
рения длительностей ультракорОТIШХ световых импульсов [3.26].
Интенсивность волны с частотой (О1 (ОЗ (О2, которая образуется
путем rенерации разностной частоты при незначительных кпд, вычис-
.nяется из соотношения
rAe
1 (Ш1) :: 1 «02)(r d L)2 sinC ( 6. ).
2(01 (02 I deff I L2 1 «оз)
nl n2 Па с З 80
(3.27)
(rd L)
(3,28)
Особенно эффективной для получения перестраиваемоrо ИК излу-
чеииЯ является rенерация разностных частот при использовании излу-
чения лазеров на красителях (табл. 3.10).
Рис. 3.6. Зависимость ДJIИНЫ
волны 'J..,з от 'Л! и 'Л2, получен-
ной путем образования суммар-
ной частоты излучений двух
лазеров на красителях с дли-
нами волн 'Л\ и 'Л2
::Е
ж
2БО
..,
'"'
...
:х:
2*0
t:!
:х:
:::.
220
::t
'"
200
:i}
:х:
f::. 1BO
200 *00 БОО 800 1000
ПаiJающuе uалученuя
с олцнами 60ЛН )1 U )2,НН
т " б л и ц а 3.1 О. Примеры образования разностной частоты
при применении перестраиваемоrо лазера на красителе
Диапазон пере- I выходная вт мощность,_ 1 ШИРЯН l/ а см линяи,
стройкИ, мкм
I\ристалл
3 5
blNbO g
АgзАsS з
AgGaS 2
LiЮ з
3 4
1O 13
3,2 6,5
4 6 12
1 ,25 1,60
3,40 5,65
1,5 4,8
9,5 17
2,2 4,2
GaSe
LiNbO g
6-1 (f1
0,1
102
0,3
70
0,5
0,4
300
1O 6 (непрерыв-
ный режим)
0,08
0,5
0,5
5. 1Ci 4
Важной областью применеиия rенерации суммарной и разностной
частот (например, для астрономии) является преобразование ИК излу-
Чеиия в видимую спектральную область с помощью смешения интере-
сующеrо ИК-излучения с лазерным излучением в видимой области
(uр-сопvеrsiоп). Полученное таким образом излучение лежит в види-
мой области спектра, для KOToporo имеются более чувствительные де-
теКторы по сравнению с детекторами для ИК-излучения (см. разд. 6,
[28] ) . .
3.2.3.4. Пара метрическая флуоресценция, усиление и rенерация.
К в а Д р а т и ч н о - н е л и н е й н ы е с р е Д ы. В зависимо ти от на-
чальиых условий и экспернментальноrо устройства вознИ!,ают различ-
ные процессы.
Параметрическая флуоресценция является спонтанным процессом.
При облучении лазерной волной, волной накачки (мощность Р з , час
тота (0з) спонтанно возникают фотоиы с частотами (01 и Ш2 (О3 (О'.
Мощиость dP lO спонтанноrо излучения В телесном уrле dQ, и в интер-
вале частот dv, d(01/2n [4,51 равна:
dP 10 п(О: (02 n ! L 2 Рз I d eff I 2 . ( I1и )
2 :; SIПС ,
dQI dv} 2.'1];. п з n 2 Во с. 2
(3.29)
rде для I1k см. уравнение (3.25).
Суммарная излучаемая мощность P 10 В уrле 8, (телесиый уrол
QI n8 , 8( уrол между волиовыми векторами волн 3 и 1) ПОЛУ'Ifl-
ется после интеrрирования по всем частотам в пределах Q( из COOTHO
шения
1/,(01 (02 n 1 LP 3 I d cff I 2
p}O
2з1n з n2 Во с;4
е 2
1
дn1 дn2
n1 n2+<OJ д (0 2 д
(01 (02
(3.30)
Мощность спонтанной флуоресценции мала.
Пример. Кристалл LiЮ з ; Л О,52 мкм; L 1 см; Рз 1 Вт; QI
== 10 4 ср, получаем PIO 10 '( Вт при ЛI О,65 мкм.
Применение: определение характеристик перестройки параметриче-
ских reHepaTopoB инелинейных восприимчивостей. Параметрическая флу-
оресценция является отправной точкой для параметрической суперлюми
несценции и rенерации.
При высоких иитенсивностях волны накачки преобладают индуци-
рованиые процессы и возникает суперлюминесценция. При выполнсИlIИ
условия фазовоrо соrласования (уравнение (3.25» интеисивиость мож
но вычислить. из выражений
/} 2/10 s11 2 (rL) + /10;
2(02 2 (02
/2 /10 sh (rL) + /10;
(О] (01
2<оз. (02 I deff I 2
r /з.
n 1 n2 nз ВО с 3
(3.31)
(3.32)
(3.33)
Параметрическая суперлюмннесuенция является очень эффективным
методом rеиерации перестраиваемых пикосекундных импульсов. Пере-
стройка по частоте происходит путем изменения температуры кристал-
ла или путем вращения кристалла относительио направлеиия волны на-
качки.
При применении различных кристаллов и длин волн накачки пере-
крывается диапазон ДJ1ИН волн от 0,2 до 1 О мкм. В табл. 3.1 1 приведе-
ны результаты, полученные при применении излучения Nd-ИАr-лазера
Р"з.'""I,06 мкм, '{''='6 пс) В КРllсталле LiNЬО з (L 2 см). Перестройка по
частоте происходит с помощью поворота кристалла [9].
-Т а б л и ц а 3.11. Пример rенер щии перестраиваемых пикосекундных
импульсов с помощью параметрической сверхлюминесценции
Величина
Значеиие
Значение
Величина
Диапазои пере-
стройки
Ширина линии
1 ,4 4 I\IКМ
40 CM l
Расходимость
Интенсивность
1O 2 рад
109 BT/CM
КПД преобразо-
вания
Длительность IIМ-
пульса
5%
2 3 пс
На рис. 3.7 даны результаты, полученные при использовании излу-
чения Nd-ИАf-лазера (лз 1,06 мкм, 't" 20 пс, энерrия в импульсе
10 мДж) в двух последовательно раСПD.JlОженных кристаллах Ag 2 GaS2
(L, 1,5 см, L2 3 см) (для уменьшения спектральной ширины) [26],
.
\
....
\
.,
......
'.
.......
..
'......
10
i в
"" б
'"
'"
"t 2
'-3'5" IfS 5"5
t!20Л qюзо8(}20 Сl1нхронюма! ipafJ
11)
1,0
10 1
<:J
.... ">;;
1.25
1,5
!>;:
"''''
2,0 Е: Е:: '" 10 2
<:> "'t:J
1:: "''''''
3,0 g
::r- <1)9-"
5,0 'g ,
10,0
t::: 10-3
g
Длина tl.олны, МКМ
10 б 't 2 1,5 1,25
1
т
..........
2
/
.
4000 8000
Частота, Сl1- 1
.0)
Рис, 3.7. Кривая перестройки (а) и эффективность преобразования (6)
параметрической сверхлюминесценцпи в AgGaS2 [261:
1 ...... холостая волна; 2 сиrнальная волна
прн этом был достиrнут диапазон перестройки от 1,2 до 10 мкм С по-
мощью уrловой настройки.
На рис. 3.8 приведеи соответствующий результат при измерении
длительности импульсов (для ЛL O,534 мкм, Л, 5 мкм) путем изме-
рения интенсивности на суммарной частоте в кристалле LiIО з в завиСи-
Мости от времени задержки между обоими импульсами [26]_
Параметрическая rенераЦИII происходит, еслн неЛинейный !{ристаЛJI
находится в резонаторе, зеркало KOToporo для волны накачки (частота
(0з обычно обозиачае.tся как (ор). вообще rоворя, прозрачно, И, иапро-
тив, для волн обеих частОТ, возбужденных i3 параметричеСIЮМ процессе
(обычно обозначаются как сиrнальная частота (О (OI И холостая час-
тота (01 (02<(OI), является высокоuтражающим (двухрезонаториые па
раметрические reHepaTopbl .света дпrс) или только для волны од-
ной частоты (одиорезонаторные I\араметрические reHepaTopbI света
)
"'tj
o::,
::.
10 1
<:>r;o,
/
8
10 2
зо О 30
Время ааfJержкu tD,пc
1
Рис. 3.8. Определение длитель-
иости импульсов. путем измере
ния интенсивности на суммар-
ной частоте в зависимости от
времени задержки [261
8\
8
\
8
опrс). Резонатор обеспечивает обратную связь, ero потери определяют
пороrовую интенсивность lth волны накачки, необходимую для reHe-
рации [4, 7, 29]
При фазовом соrласовании имеет место:
для дпrс (DRO)
для опrс (SRO)
DRO РО I1 f 118 .
lth L , 4 i
(3.34)
sRO РО
ltll т;: 118'
(3.35)
rде 111, 11. потери для резонансных волн для полноrо обхода в резо-
наторе;
3
Р п[ n. пр 80 с
o
2(Oj (О. I deff I 2
Пример. Для кристалла LiNЬО з при Лр 0,53 мкм, 101 B 1,06MKM
Po 107 Вт. Пр.. потерях 11[ /118 O,1 пороrовые интенсивности достиrа-
IOТ для дпrс 1,5.103 Вт/см 2 и для опrс 6.104 Вт{см 2 .
Преимущество опrс: лучше спеl<тральиые характеристики.
Недостаток опrс: более высокая пороrовая интенсивность.
Параметрические [енераторы света MorYT использоваться для пере-
страиваемоrо по частоте лазерноrо излучения высокой мошности в им-
пульсном реЖИ\.lе, прежде Bcero в ИК спектральной области с большим
диапазоном перестройки (табл. 3.12). Ширина линии составляет 10
10 3 CM I. ДЛЯ rенерации перестраиваемоrо по частоте излучения
в дальием ИК-диапазоне можно испОЛЬЗОвать рассеяние на полярито-
нах (табл. 3.12, последияя строка).
Таблица 3.12. Примеры оптических параметрических reHepaTopOB [7)
Длина полны I I Выходная I длитель-' I Диапазои пе.
накачкИ I МКМ -Кристалл МОЩНОСТЬ, НОСТЬ ИМ КПД. % рестройкН, МКМ
){Вт Пульса, не
0,266 АОР 102 2 2.5 O,42 O,73
0,472 LiNbO Il О, 1 1O OO 45 0,55 3,65
0,532
0,579
0,635
(fармоника
Nd-ИАf.
лазера)
1,06 LiNЬО з 1O I()3 !5 40 1 ,4 4,4
1,83 CdSe 1 100 40 2,2 2,3
(Nd-ИАI) 1O,5 9,7
1,065 АgзАsS з 0,1 25 0,1 1,22 8,5
(Nd-ИАf)
2,87 CdSe 2.5 150 4 14,1 .16,4
(HF -лазер)
0,6943 LiNЬО з (рас- 3.1<r- 20 1O 6 60 2(JO
стояние на по-
ля ритонах)
На рцС'. 3.9 и 3.10 приведены кривые перестройки параметрических
reHepaTopoB (определение температуры) [3]. Возможность расширения
диапазона перестройки по частоте параметрических reHepaTopoB состо-
ит в использовании смешения частот ВЫХОДноrо нзлучения (табл. 3.13).
т а б л и ц а 3.13. Примеры смешения частот выходноrо излучения
параметрических reHepaTopoB [7]
Параметрический rеиератор
Кристалл для Диапазон Выходная
I ДИапазон Пе- смещения частот переСТРОЙI<И, мощпость, Вт
Кристалл рестройки, мкм
мкм
LiNЬО з 2,OB 2,22 CdSe lO,4 13
Аg з АsSs 1,87 2,47 Аg з АsS з B 12 2.1<r- 4
LlN ЬО З 1 ,5 1,7 AgGaSe 2 7 13 102
АgзАsS з 1 ,87 2,47 CdSe 9,5 24 1O 0,1
LiNЬО з 1,б8 1 ,95 GaS 4 12 1O
к у б и ч н о - н е л и н е й н ы е с р е Д ы. ажнейшим кубическим
:JIелинейным процессом, который в значительнои степени ответствен за
rенерацию спектральноrо континуума, является параметрическая четы-
рехфотонная суперлюминесценция в жидкостях (например, Н 2 О, О 2 О,
Н з Р04) и кристаллах (например, NaC1) [3.30].
. Пример. При примеиении пикосекундных импульсов (Л, 1,06 мкм,
'1...1011 Вт/см 2 , T 6 пс) получают в Н 2 О и D 2 0 спектральный контину-
\уМ В диапазоне длин волн O,2 2 мкм (длительность импульса 6 пс,
суммарный кпд достиrает примерно 10 %, эффективность преобразо-
вани я в расчете на 1 CM I составляет примерно IO 6.
3.2.3.5. rенерация третьей и более ВЫСОКИх rармоник. r е н ера.
Ц и я т р е т ь е й r а р м о н и к и. rенерация третьей rармонИlШ Воз-
можна:
1) в квадратично-нелинейиых средах с помощью rенерашш второй
rармоники и последующеrо С,110жения суммарноЙ частоты с основноЙ
частотой.
500rJ
"000
3000
:С.
lt p 526
550
Ар =='f73,5'HM
500
.200 .250 300 350 "00 450
Те'1 пе раmура 1 с(;.
Рис. 3.9. Кривая переСТРОЙЮf reHepaTopa света на LiNЬО з
прн применении rармоник различных частот Nd-ИАr-лазера
в качестве лазера накачки
Преимущество: возможны более высокие кпд с применением нано-
секундных и пикосекундных дазеров (см. подразделы 3.2.3.2 и 3.2.3.3).
Недостаток: Ol"раниченная область пропускання кристаллов
(см. табл.3.5);
2) в кубичНо-нелннейных средах при выполнении условия фаЗОЕоrо
синхронизма в оптнчески анизотропных кристаллах (этот путь, вообще
rоворя, не является таким эффективным, как примененне квадратично-
нелииейных кристаллов) или в атомарных (особенно в парах металлов)
и молекулярных rазах с фазовым соrласованием за счет аномальной
дисперсии (см. разд. 3.5) и (или) с помощью сильной фокуснровки [8].
II"тснсивносп, третьей rармонщщ получается из соотношения
1 (300) . (300)21 хШ 12 ( ML )
l (00) L2 siпс 2 ,
1 (00) 16102 с 4 (? n 2
о 1 J
rде L\k 3'l(00) k(3oo); х п езх(З) ( 3oo; 00, 00, (0) e' le, эффеlПИН
ная неЛИllеЙlfO, ТI,.
(3.36)
700
650
i 600
::.:;
:)::
'"
550
I:!
1::
<:: 500
Ч
Lf50
.!tOO
о 10 20 4Р
Температура, ос
РIIС. 3.10. Кривая перестроЙки reHepaTopoB света на АОР и КОР
Интенсивность третьей rармоники можно повысить с помоЩью фо-
кусировки, оптимальной является острая ФОКУСИРОВI<а.
Типичные значения для х(3) у кристаллов составляют 10 22 м 2 /В2
{6], у.атомов (иа каЖДЫЙ атом) OT 10 52 до 10. 50 м 5 /В2.
Из-за своей высокой нелинейности особенно подходят пары щелоч-
ных металлов, у которых нелинейности (на каждый атом) лежат в диа-
пазоне от 10 '8 до 10 45 м 5 /В2. Поскольку В качестве типичных зиаче
ний применяются концентрации N 10'6+10'7 CM 3, то получает-:я
X(3) 10 25+10 22 м 2 /В2 (!;, кристаллы).
Преимушества применения паров металлов: rенерация rармони!(
в УФ-диапазоне и в вакуумном УФ-диапазоне (преимущественно экси-
мерныЙ лазер). при применении пикосекундных импульсов высокоЙ
Мощности КПД составляет в диапазоне нескольких процентов (в УФ-
Диапазоне и в вакуумном УФ-диапазоне 1 0 1 1 0 3 %).
Обзор о возможностях перестраивания частоты BaKYYMHoro УФ.
излучения приведен в [31].
Пример. С помощью УТрО.ения частоты перестраиваемоrо УФ-излу-
чения O'uv 216+223 им; O.I O,3 МВт) в неоне можно получить пе
рестранваемое вакуумное .УФ-излучение в диапазонах от 72,05 до
73,58 нм и от 74,30 до 74,36 нм с МОЩНОСТЯМИ от 0,1 до 0,4 Вт [22].
r е н е р а Ц и я б о л е е в ы с о к и х r а р м о н и к. Из за мень-
шнх значений нелинейностей для непосредствеllНОЙ rенерации более вы-
соких rармоник при использовании более высоких, чем кубические, не-
линейностей КПД получается низким. Несмотря на это, такой подход
пренмущественно используется для rенерации коротковолновоrо лазер-
Horo излучения.
Пример. rенерация пятой и седьмой rармоникот четвертой rapMo-
ники излучения O, 266,1 нм) Nd ИАr-лазера ('t 30 пс) в Не [8].
Мощности: 109 Вт на 266,1 нм, 103 ВТ на 53,2 нм (пятая rармоника),
102 Вт на 38 нм (седьмая rармоника).
Самая короткая ДЛИНа волны KorepeHTHoro излучения (33,5 нм)
была получена с помощью rеllерации седьмой rармоники частоты KrF-
лазера в rелии [331.
3.2.3.6. Четырехволиовое смешение. В кубично нелинейных средах
(преимущественно rазы, пары) для rенерации перестраиваемоrо по час-
тоте излучения имеют значение следующие процессы:
(J) 1 + Ы2 + (J)з 004;
(J)i + Ы2 (J)з Ы4; (3,37)
(J)l Ы2 (J)з Ы4.
При применении излучения перестраиваемоrо лазера (преимущест-
венно наносекундных импульсов от лазера на красителе, см. разд. 2)
на одной из нескольких частот (J)l, Ы2, ЫЗ получают перестраиваемое
нзлучение на частоте Ы4 [8].
Специальные случаи уравнения (3.37):
Ыl Ы2 Ыз Ы rенерация третьей rармоники (см. подраздел
3.2.3.5),
(J):r----(J)3 (J)O KorepeHTHoe антнстоксово комбинационное рассеяние
света (см. разд. 3.3).
1. Перестройка частоты в вакуумном УФ-диапазоне [31].
Пример. В стронции в процессе четырехволновоrо смешения по
уравнению (3.37) для (J)1 (J)2 прн применении лазеров на красителях
(P""'105 Вт, '["",5 нс) реализована непрерывная перестройка длины вол-
ны в диапазоне от 160 до 195 нм с шириной линии 0,1 CM I при КПД
10 3 %.
2. Перестройка частоты вИК-диапазоне.
Пример. В смеси Na K в процессе четырехволновоrо смешения по
уравнению (3.37) реализована непрерывная перестройка частоты при
использовании лазеров на красителях (р"", 105 Вт, '[ 5 нс) в диапазо-
не от 2 (Р"",О,1 Вт) до 25 мкм (р"", 10 4 Вт).
3.2.4. ПРОЦЕССЫ РАССЕЯНИЯ
Процессы рассеяния имеют значение для rенерации новых частот
(особенно комбинационное рассеяние), определения характеристик Ma
териалов (например, определения времен релаксации, см. разд. 3.3),
распространения мощиоrо лазерноrо излучения (например, механизмы
потерь), компрессии световых импульсов (при ВКР и ВРМБ) [35, 36].
Стационарность имеет место, если время релаксации 't R соответст-
вующеrо возбуждения меньше, чем Длительность импульса излучения
использованноrо лазера.
При высоких интенсивностях лазерноrо излучения /L в диапазоне
106 109 Вт/см' процессы рассеяния имеют характер вынужденных про
цессов, спонтанный исходный сиrнал J so экспоненциально усиливает.
ся соrласно выражению
Is lso ехр (gJ L L),
(3.38)
rде 1 L интенсивность лазерноrо излучения.
Типичные значения сдвиrа частоты !1v/2лс, коэффициента усиления
gss для стационарноrо режима и времени релаксации 't R в жидкостях
для различных процессов, протекающих в кубическо-нелинейных средах,
приведеиы в табл. 3.14 [37].
Т а б л и ц а 3.14. процессы рассеяния в жидкостях [37]
Процесс uo, I/CM I gss' см/МВт 'l: R ' нс
Вl?lНужденное рассеяние Ман- 0,1 5.1O O,I 1
дельштама Бриллюэна и Te
nЛ090е рассеяние Мандель
штама Бриллюэна
Вынужденное рассеяние Рэ- 10 2 . 1O 4 20
лея
Вынужденное тепловое рассея- 1O ? 2.IO J 20
ние Рэлея
Вынужденное концентрацион 1O 1O 3 5
ное рассеяние
Рассеяние в крыле линии Рэ- 50 IO З lO 3
лея
Комбинационное рассеяние IОЗ 2.1O 1O
Физическими механизмами, определяющими развитие различных
процессов рассеяния, являются:
при рассеянии Мандельштама Бриллюэна адиабатические флук-
туации плотности;
при тепловом рассеянии Мандельштама Бриллюэна адиабатиче-
ские флуктуации плотности (при поrлощении);
при рассеянии Рэлея изобарические колебания плотности;
при тепловом рассеянии Рэлея изобарические колебания плотно'
сти (при поrлощении);
при рассеянии в крыле линии Рэлея флуктуации анизотропии;
при комбинационном (рамановском) рассеянии колебания моле.
кул и решетки или электронные переходы.
Учитывая их особое значение, ниже рассматриваются исключи.
тельно комбинационное рассеяние и рассеяние 1Vlандельштама Бриллю-
Эна [38 40].
Комбинационное рассеяние (см. рис. 3.1 и 3.2) применяется:
как спектроскопический метод (спонтанное и вынужденное комби-
Национное рассеяние, КАРС, комбинаЦИОНfIO-индуиированный эффект
I<eppa, обращенное комбинационное рассеяние, rиперкомбинационное
рассеяиие, см. разд. 3.3);
для rенерации новых частот [34].
rенер-ация иовых частот с ПОМощью вынуждеин()rо I<омбинацион"
I/()ro рассеяния. .Коэффициент усиления g в уравнении (3.38) для сток"
совой волны на частоте (О s равен:
2(Ов x )
g 2
nв t!L с Ео
С восприимчивостью при комбинационном рассеянии
3 (2л)3 с 4 nL Ео N ( da ' )
xh) ,
лn s (OL (O h!\(OR dQ
rде dujdQ дифференциальное поперечное сечение; !\(OR спонтанная
ширина линии [7].
Стоксово комбинационное рассеяние не требует фазовоrо cOrJIaCOBa-
ния. Рассеяние происходит на колебательных переходах (подходящими
средами является водород при высоком давлении, жидкий азот), элек-
тронных переходэх (например, пары металла, преимущество: большис
сдвиrи частоты (00, высокая нелинейность) [8], электронах, находящихся
на уровнях Ландау в полупроводниках (у лазера с переориентациеЙ
спинов) [22].
Без прнменения резонатора для частот комбинационноrо рассеяния
[т. е. 1 во в уравнении (3.38) задано спонтанными шумами] в жидкос-
тях и rазах необходимо усиление е 3О , чтобы получить заметное IIреоб-
разование. Образующаяся тоrда сток сова волна может привести также
к rенерации более высоких стоксовых компонент (О n) (O L n(OO н ан-
тистоксовых компоненr (o ) ==(OL +n(ОО (n== 1, 2, 3...) [34].
rенерация перестраиваемоrо излучения возможна блаrодаря при-
менению перестраиваемоrо лазера накачки (переменная частота (.) L,
лазер на красителе, эксимерный лазер) (см. табл. 2.49) и сдвиrу уровня
комбинационноrо рассеяния (переменная частота (00 в лазере с пере-
ориентацией спинов, достиrаемая с помощью маrнитных полеЙ).
Примерами перестройки частоты в ИК-диапазоне длин волн явля-
ются рассеяние в парах калия ( "S 2,56+3,5 мкм, РВ O,l Вт) с ис-
пользованием лазера на красителе (Р L 20 кВт) и рассеяние в водо-
(3.39)
(3.40)
т а б л и ц а 3.15. rенерация перестраиваемоrо И!(-излучения с помощью
вынуждениоrо комбинаЦИОНIfоrо рассеяния
Перестра и ваемое Диапазои МОЩНОСТЬ, I Ширина ли- I ДЛII'fельность
ИК - излучение перестроl!ки, МВт нии, I/C1\1 11МПУЛЬС3. Не
1\1к1\1
Лазер на кра- О, 72 I,09 1000 400 0,02 2,5
сителе
Первая стоксо- 1,03 1 ,99 2I:JO 80 0,02 2,5
ва компонен-
та
Вторая стоксо- 1,88 7,7 90 70 0,02 2,5 1 ,6
ва компонен-
та
роде (l\;o 4155 CM I, давление 10 Па) при использовании лазера на
l<раСИ1'еле (таБJJ. 3.15). Водор.од ТaI{же является ПРlirодноЙ средоН .з.JШ
преобразОВ311ШJ частоты зксимерных . азеров в видимом и УФ диаl1:З-
зонах с КПД до 50 % (образование стоксовых и аитистоксовых IЮМ
понент) .
Лазер с r.ереориентацией спинов.
tic1J O == I g I flB Н, (3.41)
rде g фактор расщепления Ланде; f.! MarHeToH Бора.
Перестройка частоты происходит с помощью маrнитноrо поля
(табл. 3.16) [39].
Т а б л и ц а 3.16. Диапазоны перестройки лазеров
с переориентацией спинов
Выходная t..ющность
"'с MI{M Диапазон 1.
Кристалл перестройка, непрерЬШН8Я, IJМIIУ i]ЬСI18Я,
МКМ ВТ Вт
I
InSb 10,6 (С0 2 ) 9,2 15 LO
IпSЬ 5,3(СО) 5,2 6,5 2
InSb 5,3 (С()2,удвоение) 5,2 6,5 1O 103
!nSb 12,8(NН з ) 13,5 16,8 103
. IпАs 2,8 (НР) 3,2 3,3 1O
I
Недостаток: требуется большая плотность маrнитноrо потока В (до
10 Тл).
Преимущество: малая ширина линии (в непрерывном режиме на
длине волны 5,3 мкм меньше 1 00 K[! ).
rиперкомбинационное рассеяние. Вынужденное rиперкомбинацион-
иое рассеяние (см. рис. 3.2) является эффектом пятоrо порядка, для
KOToporo коэффициент усиления g для стоксовой волны В уравненни
(3.38) определяется из выражения [8]
15w Hs X k
gHR ? 3 2 1 L . (3.42)
2ео с n Hs n L
При рассеянии на электронных уровнях при использовании лазеров
иа красителях возможна перестройка частоты в ИК-диапазоне. Диа-
пазон перестройки частоты нев лик.
Пример. fенерация перестраиваемоrо излучения (160 CM I) на дли-
не волны 2,3 мкм (P HR 5 кВт, т; 7 нс) В парах натрия при возбуж-
дении на длине волны ]'L 579 нм. rенерация перестраиваемоrо излу-
чения на длине волны 16 мкм (P HR 20 мВт, '[ 10 нс, эта длина вол-
ны имеет важное значение для разделения изотопов урана, см. разд. 3.'1)
Происходит в парах Sr при возбуждении на длиНе волны Л L 576 нм.
Р а с с е я н и е М а н Д е л ь ш т а м а Б р и Л л ю э н а. Коэффици-
ент усиления g в уравнении (3.38) можно определить из выражения
(см. табл. 3.15)
11 7 р?' 0)2
xpvc3
rде р фотоупруrий коэффициент; х коэффициент поrлощения зву-
ка; р...... плотность; v скорость звука.
Особенности по сравнению с комбинационным рассеянием заключа.
ются внебольшом сдвиrе частоты, обратном рассеянии (вследствие фа-
зовоrо соrласования) и более высоком коэффициенте усиления (при уз-
кополосном излучении накачкв).
Рассеяние Мандельштама Бриллюэна нмеет значение
прессии импульсов лазерноrо излучения [36], обращения
фронта (ОВФ) (см. подраздел 3.2.8.2) и механизма потерь
водах.
g
(з.42а)
ДЛя ком-
волновоrо
в свето-
3.2.5. ЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ
При распространении мощноrо cBeToBoro ИМпульса в кубично-нели-
неЙной среде вклад "'-п в показатель преломления, зависящиЙ от интен-
сивности све1а, равен:
"'-п Il21 /(псе о ) , (3.43)
rде п2 нелинейный показатель преломления [5, 6, 40].
"'-п оказывает влияние на rеометрию распространения, состояние
поляризации и частотный спектр cBeToBoro импульса. Блаrодаря зави-
сящему от интенсивности показателю прело мления в облученной среде
индуцируется оптическая анизотропия.
Типичные значения для п2: в жидкостях 10 22 10 20 м 2 /В2, В стек-
лах 1 0 22 1 0 21 м 2 /В2 [6, 40].
Оптический эффект Керра. Л и н е й н о п о л я риз о в а н н ы й и м-
n у л ь с с в е т а. Световой импульс индуцирует оптическое двулуче-
преломление:
3
"'-пп "'-IlL ""2 "'-п,
(3.44)
rде для "'-п см. уравнени<: (3.43).
Пока время релаксации применяемой среды меньше, чем длитель-
ность импульса, то продолжительность сушествования двулучепрелом-
ленвя определяется длительностью импульса.
Основная область применения: оптический затвор (см. разд. 6), ко-
торый применяется для измерения оптических сиrналов с временным
разрешением в пикосекундной области (см. разд. 3.3) (среда CS 2 ; п2
2.1 0 20 м 2 /В2; время релаксации составляет 2 пс). Принцип действия:
индуцирующий двулучепреломление импульс света открывает ячейку
Керра на время длитеЛЬНОСТ<:I импульса [41].
Оптический затвор применяется в схеме с продольной н поперечной
fеометрией (рис. 3.11). в схеме с продольной rеометрией временные ха-
рактеристики сиrнала реrистрируются с помощью временной задержкИ
переключающеrо импульса и сиrнальноrо импульса (в оптических ли-
ниях задержки); в схеме с цоперечиой rеометрией реrистрируется не-
посредственно время прохождения двулучепреломляющей зоны по кер-
ровской среде.
Переключающий импульс линейно поляризован под уrлом 45.
к скрещенным поляризаторам. Пр'опускание Т ячейки определяется вы-
ражением
т Sin ( л!J.п )
2 л'
rде л длина волны переключающеrо импульса; l1.n см. уравнение
(3.43); L длина керровской среды (в схеме с продольной rеометрией)
или диаметр пучка переключающеrо cBeToBoro нмпульса (в схеме с по-
перечной rеометрией).
(3.45)
р
f
Сиенал 1 .
r
иЙ
t<)ч()i1J
f\eFe\Z J1 п C
t1
Р:!.
СШ!НdI'
.)10.. I
а)
1fepeKf7k!.. .
чающиu I
liмпульс ,.
а)
Сиено/!'
1 ! ! ! ! !
м I
Р{
P't .
Рис. 3.11. Оптический затвор в продольной (а) и поперечной (6) reOMeT-
рии (М керровская среда; р., Р2 скрещенные поляризаторы)
Из-за малоrо значения п2 для открывания ячейки Керра необхо-
димы интенсивности переключающеrо света 108 109 Вт{см 2 .
Э Л Л И П т и ч е с к и п о л я риз о в а н н ы й с в е т. При облуче-
нии эллиптически поляризованным светом керровской среды длиной L
происходит поворот rлавной оптической оси на уrол сх:
3л L 1/2
сх (/х Iу) , (3.46)
ПСЕо "
rAe /х и I у составляюшие падаюшеrо света, которые поляризованы по
направлениям ['лавной и малой осей.
Самофокусировка. Нелинейный uоказатель преломления по урав-
нению (3.43) при пространственно неоднородном (например, rayccoBoM)
распределении интенсивности оказывается зависящим от координаты
и тем самым приводит к самофокусировке (при П2>О) или самодефо-
кусировке (при П2<О) лазерноrо импульса. Самофокусировка появляет-
ся при мощности выше критической:
р н Ео п 3 с]N(4л ). (3.47)
КРИТН'I!'СI<ая мощность р" не зависит от радиуса ПУ'lка лззсрllО[О
излучения ""0.
ДJllша фокусиров:ш Zf (рис 3.12) равна:
.Zf (""0/2) (n/I1n)1/2. (3:18)
Примеры. Д/I l ],=: 1 ,06 E,M; 2ШJи 0,3 см; /l2 2.10 2' M2i3 (Н'ПlI'I
ное Зllаченне для ст('кол); f IO'o Вт/см' ПОJlучаем zl==33 см (Pl<
2.10G Вт). В CS 9 PI< 2.10' Вт, и для одинаковых / и ШJо IiCJIY'laC\1
Zi 3 см.
Этот эффект IIMCc'l 'Ш3'Jсние, напримЕ'р, при распростраllС'Ш1И IIH
тенсивнOI'О лазериOl'О liы}'чеI:.1Я, в частности, в мощных лазерных YCTa
f1
Рис. 3.12. Самофокусировка
(I'vI керр06ская среда)
Лазерный
ЛУ'!
Z-F
1I061<ах. Самофокусировка НРИВОДИТ К разрушению материала в TBepдo
тельных Jlазерах.
Фаз о в а я с а м о м о Д у.л я 11 И я. I1n в уравнении (3.43) приво
дит к временному изменению фазы импульса и тем самым к спеl<траль
ному уширению:
I1ш (шLlс) (Лn/т).
Пример. Для л I,06 мкм; щ 2.10 22 м 2 /В2; T 5 пс;
f 109 Вт/см' получаем L\:; l1ш/2:n:с 2 rM I.
Эффект фазовой самомодуляции имеет значение для rеиерацни пи-
косекундных импульсов r 42], rенеращш фемтосекундных импульсов
в световодах [23), rенерации СОJlНТОНОIЗ [43]. rенерации спектральнOI'О
континуума (0.19 I,6 мкм) с фемтосекундиой длнтельностыо [44].
(3.49)
[ 20 см;
3.2.6. ДБУХФОТОННОЕ поrЛОЩЕНИЕ
Прн высоких 'интенснвностях лазерноrо излучения наблюдается од.
новременное поrлощеиие нескольких фотонов. В частном случае имеем
двухфотонное поrлощение (см. рис. 3.1) [4, 5].
ЭКСllериментальио ДВУХФОТОl-iное поrлощение реrИСТРllруется путем
измерения флуоресценции с BepxHeI'o уровня или измерения поrло-
щения.
Изменение ПOl'лощения 11ft слабоЙ, перестраиваемой лазерной вол..
ны (1" ШI) в присутствии интенсивноЙ лазерноЙ волны (/2, (О2) ПРИ
малых 1111 определяется выражением
/1]1 === а(2) /112 [, (3.50)
rде а(2} коэффициент поrлощения при двухфотонном поrлощении.
Двухфотонное поrлощение имеет место в твердых телах, rаза .
и жидкостях. Тнпичные значения в твердых телах: a(2} 10 I+IO 4
см/ МВт . В rазах' и жидкостях а(2} линейно зависит от концентрации N:
а(2) 0'(2) N, (3.51)
rде 0'(2) поперечное сечение для двухфотониоrо поrлощения.
Часто коэффициент поrлощения а(2) в уравнении (3.50).. относят
к потоку фотонов j{2} J2/hw2 И указывают в качестве характеристики
'процесса:
l) == (J (2) nW 2 == а (2) nW2 / N .
(3.52)
Типичные значения для жидкостей б 10 '9+ 10 51 см 4 .с.
Применение двухфотоиноrо поrлощения:
1) в спектроскопии. Преимущество по сравнению с однофотонной
спектроскопией: действительны друrие правила uтбора, возможно ис
следование переходов между уровнями одинаковоЙ четности;
2) во внутридоплеровской лазерноЙ спектроскопии.высокоrо разре-
шения (см. подраздел 3.3.3);
3) для измерения длительности ультракоротких импульсов света
путем и.змерения флуоресценции (см. разд. 6).
3.2.7. НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ПРИ СПЕЦИАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
'. 3.2.7.1. Нелинейные оптические эффекты в диэлектрических волно
водах. Особенностями нелинейных оптических эффектов в волноводах
(в плаНЯ:JНЫХ волноводах и оптических волокнах) по сравнению с объ
емными материалами являются появление высоких интенсивиостей прн
незначительных мощностях лазерноrо нзлучения вслеДСТВие малых
пространственных размеров, распространение лазерноrо излучения па
большие расстояния без рассеяния лазерноrо излучения при незначи
тельных линейных потерях и новые возможности для выполнения усло-
вия фазовоrо соrласования (см. разд. 3.2.3).
Значение нелинейных оптических эффектов в диэлектрических вол-
новодах состоит [45 49] в:
их влиянии на распространение света (например, удлинение и уко-
рочение нмпульса как механизмы потерь);
разработке специальных элементов для квантовой электроники, ин-
тerральной оптики и оптической техники связи (например, rенераu.ия
импульсов фемтосекундной длнтельности, солитонов, солитонноrо ла-
аера, преобразование частот, волоконный лазер на комбинационном рас-
сеянии, оптически управляемый затвор, оптические бистабильные эле-
менты, обращение волновоrо фронта в оптических волокнах);
их применении для характеристики волноводов (наПрИМер, комби
национное рассеяние, двухфотонное поrлощение, оптическая рефлекто-
метрия во времени).
П л а н а р н ы е в о л н о в u Д ы. Для выполнения условия фазо-
Boro соrласования здесь появляются новые возможности:
компенсация нормальной дисперсии объемноrо материала с помо-
Щью дисперсии волновода [46];
применение rофрированных структур (т. е. пространствеНIю-перио-
дических возмущений волновода или ero нелинейности) [17];
применение связанных волноводов.
Примеры экспериментальных результатов [46, 47]:
rенерация второй rармоники в волноводах на основе LiNЬО з , полу-
ченных с помощью диффузии Ti с КПД 25 % (Лl I,08 мкм; P 1 ==
150 Вт);
параметрическое усиление, равное 75 o, в волноводах на основе
LiNЬО з , полученных с помощью диффузии 'П.
Э Ф Ф е к т Ы в о п т и ч е с к и х в о л о к н а х. В оптических во-
локнах наблюдаются все эффекты (см. разд. 3.2.2), которые возможны
в кубично-нелинейных средах. Эти эффекты важны для следующих при-
менений.
1. Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР). ВКР использу-
ется для реализации перестраиваемоrо комбинационноrо лазера, по
скольку в стеклах линия комбинационноrо рассеяния примерно на два
порядка Шире, чем линия комбинационноrо рассеяния в кристаллах.
Пример. ЛL==I,06мкм; 't==200пс; Б Вт; л s ==I,07+1,32мкм; 10MBT
(при возбуждении более высоких компонент).
2. Вынужденное рассеяние МaJщельштама Бриллюэна (ВРМБ).
ВРМБ имеет значение как механизм потерь [50], Для обращения вол-
HOBoro фронта в оптических волокнах [51], для формирования импуль-
сов света [50].
3. Параметрическое четырехфотонное рассеяние [49]. Оно важно
для параметрическоrо усиления и для реализации перестраивземоrо ла-
зера.
4. Фазовая саМОМОДУJ1ЯЦИЯ [44]. Она существенна для rенерации
спектральноrо континуума во всей видимой области, в области поло-
жительной дисперсии f'рУППОВОЙ скорости: rенерация чаСТОТНО-МОДУЛlf-
рованных ультракороших импульсов, которые затем укорачиваются
в оптическом компрессоре на дифракционных решетках (таким спосо-
бом получены до сих пор самые короткие импульсы длительнuстыо
16 фс (l фс==10 15 с!) на длине волны 620 нм [52]), в области отри-
цательноЙ дисперсии rрупповой скорости: rенерация стабильных по фо(!-
ме ультракuроткил импульсов (так называемых солитонов) [44, 53J.
Солитоны представляют интерес для:
будущих систем передачи данных с высокой скоростью: в одномо-
довых системах ВОЗМJЖНЫ, по-видимому, скорости передач информации
1 Тбит/с ШI расстояние свыше 30 км при применении солитонов МОЩ-
иостью 1 О Вт [54];
rенераЦИI1 ультракоротких импульсов с высокоЙ стабильностью ам-
плитуды и длительности в солитонном лазере [53].
Критические мощности для различных процессов определены
(табл. 3.17) так:
для вынужденных процессов как мощности, необходимые для Toro,
чтобы мощность рассеЯННоrо излучения, усиливаемоrо от спонтанных
шумов, стала сравнимой с мощностыо излучения накачки;
для фазовой самомодуляции как мощносТI1, при которой ширина
линии удваивается
3.2.7.2. Нелинейные оптические эффекты на поверхности. Исследо-
вания состояния поверхностей (а также поверхностей раздела) и вза-
имодействия атомов и молекул с поверхностями в ПОСJfедние rоды при
обретают все возрастающее значение, поскольку они представляют
значител!,ный интерес для материаловедения (отжиr и др.), микроэлект-
роники и химии (процессы в rетероrенной фазе, катализе).
С использошiнием нелинейных оптических эффектов можно исследо-
вать проu.ессы на поверхностях (также на rранице раздела между плот-
ными средами) с ВЫСОКИМи чувствительностью и временным разрешени-
ем [55 58].
Т а б л 11 Ц а 3.17. Критические значеиия мощности лазера
для появления нелинеЙIIЫХ' оптических явлений в оптических
волноводах; длина волны J мкм, р-отери a J дБ/км, длииа волновода
соответствует эффективной ДJJиие L l/а 4,з км [3.45]
Диаметр сердцевины
Критическая мощность
Одномодовое волокно. I Мllоrомодовое волок-
10 мкм но, 59 мкм
Вынужденное комбинационное
рассеяние
вынужденное рассеяние Ман-
дельштама Бриллюэна*
Фазовая само модуляция
3,3 Вт 150 Вт-
9,8 мВт 440 Вт
185 мВт 5 Вт
. Эти Вllачения действительны лля Vp < VB ( Vp ширина ЛИНИИ лаверноrо
излучения: VB ШИРИfjа линии при рассеянии Мандельштама БРИЛЛЮ9на; для
длнны волны 1 мям В кварце ." B 40 мrц). При Vp> VB значения становятся
меньше в vв/ Vрj)аз.
Применяются следующие нелинеЙные эффекты:
спектроскопия вынужденноrо комбинационноrо рассеяния (ВКР);
СikЮ'РUСКUПИЯ KOI"!:'peHTHoro антистоксова комбинационноrо рассея-
ния (КАРС);
спектроскопия rиrантскоrо комбннационноrо рассеяния (П(Р);
rенерация второй rармоники (rB[) (см. разд. 3.2.4); _
rенерация суммарноЙ частоты (I'СЧ) (см. подраздел 3.2.3.3).
Преимущества применt:ния методов нелинейной оптики: измерения
in situ в различных окружающих средах, высокое спектральное раз-
решение, BbJCOKOIC временное разрешение вплоть до пикосекундноrо
диапазона, высокая чувствительность (монослои и ниже).
Недостатки: (возможный) нежелательный фоновый сиrнал, необхо-
дим соответствующий (перестраиваемый) лазер, поверхиостная лучевая
наrрузка, десорбция вследствие поверхностноrо HarpeBa.
Примеры.
ВКР: обнаружение монослоев адсорбированных молекул, измерение
колебательноrо спектра.
КАРС: приrоден ДЛЯ исследования тонких слоев.
rKP: приrоден ТО.IIЬКО дЛЯ исследования адсорбантов на шерохова-
той поверхности металлов (повышается сечение рассеяния до 106 раз
по сравнению с молекулой в rазовой фазе).
rBr, rсЧ: обнаружение монослоев и субмонослоев адсорбирован-
ных молекул, исследование внешних и внутренних поверхностей раз-
дела.
Существенная особенность этих эффектов состоит в том, что они
зависят от симметрии (в диполыюм приближении эффект отсутствует
в средах с центром инверсии), поэтому возможно применение, напри-
Мер, для исследования процесс а при отжиrе,
3.2.8. НОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ
ЭФФЕКТОВ НЕЛИНЕИНОИ ОПТИКИ
3.2.8.1. Оптические биcrабильиые элементы. Оптические бистабиль-
ные (мультистабильныс) элементы являются элементами, которые об-
ладают двумя (несколькими) стабильными состояниями на выходе при
той Же самой входной иНтенсивности (рис. 3.13) [59, 60].
1( la 4t; lа
П '7 I Ie
t tП Ie
а) о) б) tt
Ia Ia
t . i I, t
е) tt ж) tt
lа
Рис. 3.13. Кривая пропускания
оптическоrо бистабильноrо эле.
мента (с rистерезисом) (/.
входная интенсивность; J а
выходная интенсивность; lh
пороrовая интенсивность)
Рис. 3.14. Примеры применения ОПТIIческих бистабИJIЬНЫХ элементов. По-
казаны входная и выходная иитенсивности как функция времеии t 162):
а оптически!! затвор: 6 - усилитель импульсов; 8 дискриминатор; е orpa"
иичитель; д оrраничитель (сliррет); е оптический траизистор; ж лоrическиЙ
элеlVеllТ и или
Для появления бистабилыlOСТИ требуется наличие нелинейнОСТ[[
I! каналов обратной связи. Оптические бистабильные элементы исполь-
зуются в качестве основных элементов оптичес!юй вычислительной ма-
шины р6] и в качестве элемента в системах оптической передачи IП!-
формации (рис, 3.14) [62]. Оптическая бистабильность наблюдалас!>
в большом числе сред при использовании различных нелинейностей.
Для применения особое значение имеют полупроводники, ПОСКОЛЬКУ они
обладают сильной нелинейностью при комнатной температуре [63] (осо-
бенно сверхрешетки GaA1As [64]), потому что они совместимы с полу
проводниковыми лазерами для передачи информации. При этом физи-
ческая природа нелинейности связана с насыщением дисперсии вблизи
экситонноrо резонанса, т. е. зависимостью показателя преломления от
иитснсивности.
Типичные параметры элементов иа основе GaAs приведены в табл.
3.18 [60, 65]. Сравнение оптических элементов с электронными элемен-
тами приведено в [3.66].
Т а б л и ц а 3.18. Сравнение свойств лоrических алементов
(по данным работы [60) значеиия для реаЛИЗОВ8ИНЫХ устройств
приведены в соответствии с существующими экспериментальными
даиными)
Идеальный I GaAs I G"As
Пзраметры случай реаЛ Н 30Н8И' 'щстраполи
Ный pOBaHIIbl!!
Диаметр, мкм <1 10 <1
Длина, мкм <1 3 <1
Время обхода резонатора, пс 1O 1O 1 1O
Бремя подвода энерrии, пс 1 <200 1
Время включения, пс 1 150 <1O
Подводимая энерrия, ФДж 1 104 1
Интенсивность удержания, <1 1 1O 3
М J3T IМ ПIi2
Температура, К 300 300 300
Рабочая длина волны, мкм 1,3 0,8 0,8
3.2.8.2. Обращение волиовоrо фронтв. Обращение ВОЛновоrо фронта
является методом ащттивной оптики, задача KOToporo заключается
в контроле и изменении оптических волновых фронтов в оптической си-
стеме в целях оптимизации энерrетических характеристик системы (по
Возможности в реальном масштабе времени, особенно при иаличии ста-
Тистических возмущений [67]).
Если амплитуда электромаrиитной волны задана в виде
Е (r, t) == J... А (r) eI(UJt kr) + к. с.,
2
то соответствующая обращенная (с сопряженной фазой) волна опреде-
Ляется. выражением
Е рн (r, t) + А* (r) ei.«ut kr) + к. с.
Обращенная волна распространяется в противоположном по OTHO
IlIению к падающей волне направлении с изменением знака фазы [68,
69]. На рис. 3.15 показана особеН1IОСТЬ обращения волновоrо фронта
При отражении от зеркала.
Для обращения волновоrо фронта MorYT быть использованы сле.
ДУЮщие нелинеЙНЫе оптические эффекты:
квадратичные нелинейftые эффекты (требуется дополнительиое зер
кало);
четырехволновое смешение световых волн (преимущественно при-
меняется; имеет следующее преимущество: возможно усиление, а НеДо-
статком является необходимость иметь дополнительный лазер на-
качки);
оптический эффект «ерра;
ПаВающай
Волна
Отl!.аженная
tJолна
Отраженная
Волна ( )
паiJающая
Волна ( )
5)
Рис. 3.15. Принцип действия обычноrо (а) и обращающеrо ВОлновой
фрОНf (6) зеркал
вынужденное рассеяние Мандельштама БРИЛЛЮЭllа (ВР)\'\Б) (пре"
имущество: отсутствует дополнительный лазер; недостаток: наличие по-
рш'а) ;
вынужденное комбинационное рассеяние (ВК.Р);
фоторефрактивный эффект [70].
Применения эффекта обращения волновоrо фронта [67, 69, 73];
корреКIlИЯ фазовых искажений;
оптимальное облучение мишени;
компенсаllИЯ дисперсионных эффектов при передаче изображения
в оптических волокнах [51];
оптическая обработка сиrнала (например. ВЫПОЛНение операllИИ
св ртки) [691;
реализация узкополосноrо отражающеrо фильтра;
бездоплеровская спектроскопия;
фотолитоrрафия (бесконтактная, безл;инзовая 1: 1 проекционная
литоrрафия снезначительной наrрузкой на маску [71]);
резонаторы с обращающим волновой фронт зеркалом (являются
всеrда устойчивыми и не обнаруживают скачкообразных изменений
моды при переСТРОЙI(е [721).
Преимущества применения методов нелинеиной оптики по сравие-
нию с обычными методами адаптивной оптикн:
не требуются подвижные элементы для корреКIlИИ аберрации;
компенсируются мелкомасштабные аберрации с большими простран-
ствснными частотами;
малые времена релаксации нелииейности позволяют осуществить
компенсацию фазовых искажений в пределах импульса (в реальном
м:'сштабе времени);
имеется возможность одновременной компенсации на нескольких
дискретных длинах волн (например, химический лазер); u
реализация за один шаr последовательности операции (rетеРОДИII
ВЫЙ при€м, измерение фазы, коррекция фазы), которые в противном
случае должны проходить паР2ллелыю в неСI{ОЛЫШХ каналах (в pe
аЛЬНОМ масштабе времени).
3.ЛА3ЕРНАЯСПЕКТРОСКОПИЯ
3.3.1. ВВЕДЕНИЕ
Применение лазеров в спектроскопии привело как к улучшению
известных, так и к разработке совершенно новых спектроскопических
методов [9, 74 76]. Характерные свойства лазерноrо излучения (см. так-
же разд. 3.4.2) позволяют решить следующие проблемы:
достижение разрешающей способности, которая определяется не
конструкцией спектральноrо прибора, а уширением спектральных линий
исследуемых материалов (линейная спектроскопия);
спектроскопия в пределах доплеровской ширины линии в rазах;
достижение предела чувствительности при спектральном анализе
атомов и молекул (детектирование отдельных атомов);
исследование кинетических процессов в rазовой и конденсирован-
ной фазах; непосредственное измерение времен релаксации в наносе-
кундном и пикосекундном диапазонах;
локальный спектральный анализ в очень маленьких объемах путем
фокусировки лазерноrо излучения в области 101..3;
спектральный анализ на больших расстояниях (до 105 м).
В лазерной спектроскопии особое значение имеют перестраиваемые
лазеры. Методами перестройки являются:
перестройка частоты излучения в пределах ширины ЛИНии усиле-
ния лазера (лазеры на красителях, rазовые, поЛупроводниковые лазеры,
лазеры на центрах окраски, см. разд. 2);
перестройка частоты излучения путем изменения интервала между
лазерными уровнями энерrии при внешнем воздействии (например дав-
лением, температурой в полупроводниковых лазерах, см. разд. 2.7,;
перестройка частоты излучения методами нелинейной оптики (на-
пример, смешение частот, комбинационное рассеяние, параметрическая
rенерация и усиление света, см. разд. 3.2).
3.3.2. ЛИНЕйНАЯ ЛАЗЕРНАЯ АБСОРБЦИОННАЯ
СШ:КТРОСКОПИЯ
Спектральное разрешение оrраничено шириноЙ линии молекуляр-
Horo перехода. Поrлощение может быть обнаружено с ПО!l:lОЩЫо
(рис. 3.16) измерения пропускания, измерения флуоресценции, непосред-
CTBeнHoro измерения поr лощенной энерrии (оптоакустические, от;,отер-
мические прнемники), измерения изменения разрядноrо тока rазовоrо
разряда вследствие поrлощения (оптоrальванический эффект).
Абсорбционная спектроскопия. При применении перестраиваемоrо
лазера измеряется пропускание образца. Применение этоrо метода воз-
МОжно при поrлощении больше 1 %. Для измерения слабых, близко рас-
Положенных линий поrлощения частота лазерноrо излучения модулиру-
ется и сиrнал реrистрируется с помощью фазочувствителыюrо детектора,
блаrодарн чему становится измеряемой производная спектра (повы
шение чувствительности происходит в 102 раз по сравнению с непосред-
ственным измеРt'нием пропускания).
Наибол::,с подходящей интенсивностью лазерноrо
ется интенсивность насыщения
ls nw o /(2crT 1 ),
излучения явля-
(3.53)
релаксации в ос-
rде а пош:речное сечение поrлощения, Т 1 время
новное состотше.
Предельная чувствительность:
в облу':енном объеме при rетеродинном приеме (см. разд. 1) минн
0 1 p-I
а)
ID
o
м
ltJ o
PTt \/ . .
ltJfl &;
Шfш Pt5
O
о)
D
8)
р
Pf/uorlL
o PfllJQP ltJflЦ(Jr u)
ll/Il (Ц
P LL
Wq W
Рис. 3,16, Различные методы измерения поrлощения (L лазер; М по-
r лощающая среда; D детектор):
а измерение ПрОПускаиия; 6 внутрирезонаториый метод; 8 оптоакустичесКое
и оптотермическое обнаружение, в иамерение флуоресценции
мально реrистрируемое ЧИС.10 атомов 102, молекул (колебатеЛЫIO вра
ша тельные перехрды) 108 [74];
в 1 см 3 rаза при давлении 103 Па обнаруживаются относитеЛьные
содержания молекул 10 9.
. IеДостаток: низкое пространственное разрешение.
внутрирезонаторная спектроскопия. При применении внутрирезо-
наторноЙ абсорбционной спектроскопии происходит повышение чувст-
ВИТСЛЬНОСПI измерения по сравнению с измерением пропускания в бла-
rоприятных случаях на несколько порядков, если образец находится
в резонаторе со средой, обладающей широкой кривой усиления (лазе
ры Йа красителях, неоДИМОВЫЙ лазер). Эффект основан на перераспре-
делении интенсивности между различными модами, которое обусловле.
но MHorOl,paTHbIM прохождением лазерноrо луча через образец в резо-
наторе (длина [) и взаимодействием между МОДами. - Повышение
'lувствитеЛЫЮСТII S достиrает [74, 75]:
у импульсных лазеров (Т длительность импульса)
S СТп; (3.54)
у непрерывных лазеров при сильной связи (малое неоднороДное
уширенне) между модами
cg
S 2М , ( О:> 55)
Lx(g (x/c)] "'.
rде М отношение числа возбужденных мод к числу мод, подавлен-
ных в результате поrлощения; g усиление слабоrо сиrнала, ypaBHe
иие (2.27); х неселективные потери резонатора.
Достиrнутые усиления S 102+105.
Прим ненИЯ метода:
реrистрация слабых линий поrлощения;
реrистрация короткоживущих pO 3 10 6 с) промежуточиых про-
дуктов химических реакций, радикалов и нестабильных молекул.
Недостаток: незначителыюе пространственное разрешение.
Частотно-модуляционная спектроскопия [77]. Этот метод является
вариантом оптической спектроскопии с rетеродинированием. При этом
методе реrистрируется поrлощение или дисперсия образца путем изме'
рения частотно-модулированноrо сиrнала.
Nlетод применяется при измерении малоrо поrлощения или диспер-
сии (изменение меньше 1 %) за короткие времена (наносекунды).
ОптоаКУСТИ'lеская спеКТРОСКОШIЯ. Оптоакустическая спектроскопия
находит применение в тех случаях, в которых дезактивация возбужден-
ных уровнеЙ (в жидкостях, твердых телах, rазах) происходит в резуль
тате безызлучательных переходов [78]. Преимущественное применение:
в rазах (в ИК-диапазоне, [шлебате.%но-вращательные переходы в мо-
лекулах) _ Поrлощение приводит к повышению температуры, IШТорОе
(при амплитудно-модулированном лазерном излучении) вызывает пе-
риодические изменения давления, реrистрируемые с помощью конден-
caTopHoro мнкрофона. Мерой чувствитеЛЬНОСТII является равенство по-
r ощенной мощности ЭI\Вивалентной мощности шума Ра' системы. Мн-
Нимально обнаруживаемый коэффициент поrлощения равен:
CG mзх == (Ра' /Р е ) ун, (3.56)
rде Ре падающая мощность лазера; В ширина полосы приемной
СИстемы.
С доСтиrаемыми значениями Р 1 o 10 Вт! (см. [ц 1/2) из уравнении
(3.56) для B 1 [ц и Pe 1 Вт получаем значение CGmin 10 'O CM I.
ДЛЯ жидкостей P;; 10 +10 5 Вт/(см.[цl/2). Оптимальная область
давлений лежит выше 103 Па.
Применения метода:
реrистрация слабоrо поrлощения вИК-диапазоне;
измерение заселенности возбужденных колебательно вращательных
уровней (временное разрешение 10 3 10 с);
во внутридоплеровской спектроскопии;
для измерения поrлощения в жидкостях, кристаллах и порош-
ках [79];
измерение коэффициента усиления при комбинационном рассеянии
(до 10 5 CM I), PARS photo acoustic Raman spectroscopy (оптоаку-
стическая спектроскопия комбинационноrо рассеяния [79]).
НедостатOIС незначительное пространственное разрешение.
Оптотермическая спектроскопия. Оптотермическая спектроскопия
иаходит применение в тех случаях, в которых дсзактиваllИЯ возбужден-
ных уровней происходит в результате безызлучательной релаксации.
I10rлощенная энерrия в rазе непосредственно Измеряется путем HarpeBa
тепловоrо (например, пироэлект ическоrо) приемника [80]. Была до-
стиrнута P,;' 2.10 9 Вт!(см.rц /2) [см. уравнение (3.56)]. Предпочти-
те.'Iьная область применения лежит ниже 103 Па. Преимущества по от-
ношенню к оптоакустическому приемнику: высокая чувствительность
при НИЗКllХ давлениях, чувствительность не зависит от сорта rаза.
Применение метода:
обнаружение слабых поrлошений вИК-диапазоне;
внутридоплеРОВСI<ая спектроскопия при низких давлениях.
Недостаток: слабое пространственное и временное разрешение.
Оптоrальваническая спектроскопия [81]. Поrлощение лазерных фо-
TOI OB вызывает и.зменение разрядноrо тока в rазовом разряде (непо-
средственное измерение поrлощения),
т а б л и ц а 3.19. Пределы обнаружения лазеРНО-lIидуцированной
флуоресценции атомов (Л И Ф, в водных растворах,
при электротермической атомизации пробы) и сравнение с атомной
абсорбциоиной спектроскопией (ААС) LB4]
Длина ВОЛНЫ ДЛl<на ВОЛНЫ Предел о(наружения ПО (ААС)
. Элемент возбуждения наблюдения (пО), пr
anT' им 'beob' им ПО (ЛИФ)
лиф I ААС
Т1 276,787 352,943 0,0007 10 14000
РЬ 283,307 405,782 0,005 2 400
In 303,936 325,856 0,1 зо 300
Pd 276,309 351,694 0,7 100 140
Со 308,262 345,350 0,2 3 15
i3i 306,772 472,219 0,8 10 12
Rh 339,685 358,310 12 100 8
Ni 322,165 361,939 1 3 5
Си 324,755 510,554 0,8 2 2,5
Fe 302 ,064 382,043 1,0 2 2
Ir 284,972 357,372 50 50 1
Sn 286,333 317,505 500 30 0,06
V 264,771 354,350 1,7.103 2 1 ,2.1О з
Применение Метода:
калибровка длии волн лазеров на красителях (до:!:I,5 пм) [82];
внутридоплеровская спектроскопия [83].
Флуоресцентная спектроскошlЯ. Флуоресцентная спектроскопия иа
ходит применение В тех случаях, В которых дезактивация возбужден-
ных состояний происходит за счет флуоресценции. Преимущественный
диапазон длин волн: видимая и УФ-области спектра.
Метод флуоресцентной спектроскопии является наиболее чувстви-
тельным из всех указанных выше методов. Этот метод обеспечивает
простраиственное разрешение 1O 6 CM 3 (принципиально возможно до
IОл 3 ), чувствительность до одноrо атома или молекулы, временное раз-
решение дО IO D с И детектирование элементов с низким пределом ре-
rистрации (табл.3.19).
Применение метода:
реrистрация малых концентраций (например, 102 атомов Na
в 1 см 3 );
реrистрация радикалов (например, 106 радикалов ОН в 1 см 3 );
измерение констант скоростей реакций (предпочтительно примене-
ние молекулярных пучков).
Недостаток: оrраничение переходами в видимом и УФ диапазонах.
3.3.3. ВНУТРИДОПЛ ЕРОВСI(АЯ СПЕI(ТРОСI(ОПИЯ
BhlCOI(OrO РАЗРЕШЕНИЯ
Ширина линии поrлощения в rазах определяется при низком дав-
лении Л.IJ!Jлеровским уширением. Поэтому спектральная разрешающая
способность линейиых измерений поrлощения (см. разд. 3.3.2) ДоСТиrает
105 106. Доплеровская ширина бro D равна:
2шо ( 2kT ) 1/2 ( Т ) 1/2
бro D 7 м--- 1п 2 == 7, 16.1O 7 Ш О A )
rде Т температура; Ат относительная атомная масса.
Типячные значения 107 109 [ц.
В табл. 3.20 приведены спектроскопические эффекты, наблюдение
которых требует использования внутридоплеровской спектроскошш.
С помощью лазерной спектроскопии BbICOKOI"O разрешения ДОС1l!rнута
разрешающая способность R v//).v до 1011; имеются предложения по
повышению разрешаюшей способности до 1015 [9, 74].
Предпосылкой для достижения высокой разрешающей способности
является стабильность частоты лазера (см. разд. 2.9.3).
Спектроскопия в коллимироваllИЫХ молекулярных пучках. Умень-
шение доплеровской ширины в коллимированных молекулярных пучках
(уrол расходимости пучка е, средняя скорость v) при ортоrональном
взаимодействии с лазерным пучком до значения
бro == (v/ с) ш о е.
(3.57)
(3.58)
Измерение результата взаимодействия между лазерным излучением
и молекулярным пучком зависит от типа исследуемоrо перехода: .
измерение флуоресценции при излучательной релаксации (время
Жизни возбужденноrо уровня меньше 10 с);
измерение поrлошения, реrистрация изменений в заселении элек-
трических и маrнитных подуровней или измерение отклонения молекул
Вследствие отдачи при резонансном поrло ении в слу.а если дезакти-
Т а б л и ц а 3.20. Необходимая разрешающая способиость R
для эффектов в атомных и молекулярных спектрах
Эфф 1{Т
R
Атомные
спектры
Тонкая структура возбужденных состояний
Изотопическая структура
Сверхтонкая структура, включая атомы с изо-
мерными ядрами
Релятивистские эффекты (лэмбовский сдвиr)
Излучательное уширение
СТОЛКНОВИТ!ельное уширенне (при 102 Па)
1O 107
1O 107
1O 108
106 106
106 109
107 1O9
Молеку
лярные
спектры
Столкновительное уширение (при 102 Па)
Эффект Штарка и 3еемана в слабыХ полях
Сверхтонкая структура вследствие KBaдpy
польноrо взаимодействия
Л1аrнитная св рхтонкая структура
Изомерное смещение вследствие ядерноro воз-
буждения
Обнаружение влияння слабых взаимодействий
107 108
106 1O9
106 108
109 ЮН
108 1010
1 018 10Чj
вация происхоцит в результате безызлучательной релаксации или Bpe
мя жизни возбужденных уровней будет большим.
Достиrаемое разрешение до 108.
Спектроскопия насыщения. Этот метод основан на насыщении атом-
Horo (или молекулярноrо) персхода при взаимодействии с излученнем
перестраиваемоrо лазера [74, 75]. Наблюдается уменьшение пorлоще-
ния, обратный лэмбовский провал. Поrлощающая ячейка находится
в стоячем волновом поле в лазерном резонаторе или вне резонатора ла-
зера, причем насыщение реrистрируется путем измерения части мощ-
ности лазерноrо ПУЧка, который после прохождения через поrлощаю.
щую ячейку отра?I<ается и снова проходит поrлощающую ячейку (рис.
3.1 7). Интенсивность насыщения равна:
"о сП 2
Is == (3.59)
2Т 1 Т 2 I J-t !
Коэффициент поrлощения для случая поrлощающей
ложенной вне резонаТора, равен:
( 1 ) 1/2
CZ == а1 1 + J; ,
ячейки, распо-
(3.60)
rде аI лянейный коэффициент поrлощения.
Типичные значения для используемых интенсивностей лазерноrо
излучения l 1 + 10 3 Вт/см 2 .
Достиrаемое разрешение: в принципе до естественной Ширины ли-
нии бrol10rn 21T2 (атомы 105 107 [ц, молекулы 10 103 [ц).
Это разрешение, вообще rоворя, не достиrается из-за отсутствия
стабильности частоты и ОДНородноrо уширения спектральных линий,
вызванноrо:
СТОJIкновениями частиц друr с друrом (можно избежать при ис
пользовании низких давлений; столкновительное уширение достиrает
при 10 l Па примерно I03 104 rц);
конечным временем взаимодействия частиц с излучеиием (поэтому
следует применять лазерные пучки с большим поперечным сечением);
н
s
а}
s
L
с,)
н
s s
])
L
ш
s
5)
P abs
о)
P L
шо ш
05п.атныii
I1зм50Оскцц
проfJал
с,)
2)
с,)о
Рис. 3.17. Схемы для спектроскопии насыщения (L лазер; А поrло
;цаЮiiJ,ая ячейка; S зеркало; D детектор; Н полупрозрачное зер-
кало) :
а поrлощающая ячейка I! резонаторе лазера; б поrлощающая ячейка вне ре-
ЗОllатора лазера; в заВlIСllМОСТЬ поrлощенной МОЩllОСТlI от частоты лааерноrо
излучения; 2 зависимость лазериоrо излучеllИЯ от частоты (для специальиоrо
случая, коrда центральные частоты азера и поrлотнтеля совпадают)
уширением, обусловленным возрастанием ИllТенсивности излуче
ния; это уширение.олределяется из выражения
OObroad с') UJ llОш ( 1 + ) 1/2 (3.61)
. [s
(при [ 1 мВт/см 2 имеем 104 105 rц).
Достиrнутое до сих пор разрешение составляет 108 109 (макси
малыше значение 1011).
Используемые лазеры: в видимой области спектра непрерывные ла-
зеры на красителях, в ИК-диапазоне преимущественно rазовые (кото-
рые перестраиваются за счет конечной ширины профиля линии уси.qе
ния или с помощью эффекта Зеемана; недостаток: приходится пола
rаться на случайные совпадения частоты лазерноrо излучения и частоты
поrлощения), лазеры с переориентациеЙ спинов (см. разд. 3.2) и в воз-
растающей степени лазеры с большими диапазонами перестроЙки, как,
например, лазеры на центрах окраски [85] и полупроводниковые лазеры
(см. разд. 2.7).
Лазерная спектроскопия захваченныХ ионов [86 88]. Захват от-
дельных охлаждаемых ионов в определенных случаях открывает совер-
шенно новые возможности. Значение эффекта особенно важно при без
доплеровской спектроскопии (нет поперечноrо эффекта Доплера, нет
пролетноrо уширения) , стабилизации частоты (возможная стабильность
1018), исследовании взаимодействия с отдельными чаСТИllами, исследо
вании статистики фотонов, получении виrнеровских кристаллов.
До сих пор была достиrнута эффективная температура меньше
10 3 К, времена захвата составляют несколько часов.
Двухфотонное поrлощеиие. При двухфотонном поrлощении
(см. рис. 3.1) разрешения можно достиrнуть до однородной ширины ли-
Нии за счет взаимодействия в стоячеЙ волне лазериоrо излучения, если
удвоенная частота лазерноrо излучения совпадает с цеитром доплеров
СIШ уширенной линии [9, 74].
Преимущества метода:
все частицы вносят вклад (независимо от их скоростей) в поrло-
щеиие;
возможно исследование переходов между уровнями одинаковой
четНОСТИ.
Достиrаемое разрешение R 108.
3.3.4. ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОМБИНАционноrо
РАССЕЯНИЯ
Применение лазера в спектроскопии комбинационноrо рассеяния
привело как к улучшеllИЮ известных методов (спонтанное комбинаци-
онное рассеяние, см. рис. 3.1), так и к развитию совершенно новых ме-
тодов, которые основаны на эффектах нелинейной оптики (см. разд. 3.2)
[13, 89]:
KorepeHTHoe антистоксово комбииационное рассеяние света (КАРС);
обращенное комбинационное рассеяние (IRS) или спектроскопия
поrлощения комбинационноrо рассеяния;
комбинационно индуцир(')ванный эффект Керра (ЮКЕ);
rиперкомбинационное рассеяние;
спектроскопия вынуждеиноrо Iюмбинационноrо рассеяния света
(SRS);
фотоакустическая спектроскопия комбинационноrо рассеяния.
Спектроскопия комбинационноrо рассеяния применяется в rазах,
жидкостях и твердых телах. ИК-спектроскопия и спектроскопия KOM
бинационноrо рассеяния дополняют друr друrа, поскольку справедливы
различные правила отбора.
Преимущества применения лазеров:
более высокая спектральная разрешающая способность (до 107 [ц
в rазах);
более высокое временное разрешение (до пикосекуид, см. разд.
3.3.5);
реrистрация полноrо спектра комбинационноrо рассеяния за корот-
кие времена.
В табл. 3.21 дано сравнение различных методов [39].
Спонтанное комбинационное рассеяние. Преимущества применения
лазера по сравнению с обычными источниками света [76]:
сокращение времени измерения вследствие высоких интенсивно-
стей;
более высокое разрешение вследствие малой ширины линии;
уменьшение паразитноrо поrлощения в образце за счет подбора
подходящей линии волны (лазер на красителе);
вЬзможность исследования малых зондируемых объемов вследст-
вие хорошей фокусируемости;
Т а б л и U а 3.21. Сравнение различных методов комбинационноrо
рассеяния [39] (без поверхностных эффектов)
I Споитанное
Параметр КАРС ЩS (SRS) ЮКЕ комбинацИон-
I Ное рассеяние
Спектральное раз реше- 5 1O 3 5 1O 3 5 1O 8 5 1 :!:
нне, CM I 106 1011
Необходимая интенсив- 106 109 106 109 1О3 106
ность, Вт/см 2
Время реrистрации, с 102 1О2 _1O 12 102 103 10 1
1O 1 1O 1l
Исследуемый об'Ьем, см 3 1O 2 IO 1O 2 1O 1 1O 1O 6
Ю 6 1O 6
Пороr обнаружения,
моль/л:
вне резонансов 1O 1 1O 1 1O 3 1O 1 1O 1 Ю 4
1O 1O 3
вблизи резонанса 1O 4 IО З lO 1O 2 1O--3 Ю 6
1O 6 1O 2
При м е ч а и и е. КАРС KorepeHTHoe aHTHcol<COBO комбинационное рассея-
нне света; IRS обращенное комбинационное рассеяние; SRS спектроскопия
комбинациоююrо рассеяния света; RIKE комбннационно-иидуцированный эф-
фект Керра.
более точные измерения деполяризации вследствие высокой степени
поляризации лазерноrо излучения;
повышение интенсивности излучения комбинаЦИ01lноrо рассеяния
посредством облучения соотвеТСТВУК}IЦей частотой лазерноrо излучения,
которая совпадает с электронным резонансом образца (резонансное
комбинационное рассеяние).
, l(orepeHTHoe антистоксово комбинационное рассеяние света. КАРС
является нелинейным процессом четырехволнuвorо смешения (см. разд.
3.2.3.6). Оно возникает при облучении среды, активной к комбинацион-
ному рассеянию, двумя лазерныМИ волнами (ro L >(i)S roL roo) и при-
водит к rенерации иоrерентноrо излучения на частоте ro аа ro L + roо
(рис. 3.18) [9, 39].
Интенсивность антистоксова излучения при слабой фокусировке
равна:
[аа
2 I (3) 1 2
ro аз XCARS
4 2 2
4с 130 паз п з пL
lL [а L 2 sinc 2 ( L'1 z L ),
(3,62)
rде ( k)z (2k L k s k as)z,
Х ШR.S в пренеб.режении нерезонансной составляющей совпадает
с Xk") в уравнении (3.40). КАРС требует выполнения условия фаЗОIjО-
ro синхронизма (L'1k)z O за счет неколлинеарноrо взаимодействия кол-
Лимированных пучков (рис. 3.18) или посредством острой фокуси-
Ровки.
При острой фокусировке для мощности антистоксова излучения
справедливо соотношеиие
Pas
2 2 1 (3) 1 2
(Oas (OL XCARS
4л 2 с 6 е 2 ппп
о as 8 L
P Ps'
(3.63)
в технике КАРС-спектроскопии в качестве перестраиваемых лазе
ров используются лазеры на красителях. Области применения КАРС-
спектроскопии:
f,UJ L
т:J: 'S :
tJVJ as '
f1UJ o
z
,.'"
,.
а)
5)
Рис. 3.18. Схема энерrетических уровней (а) и неколлинеарное фазовое
соrласование (6) при КАРС
исследование сильно флуоресцирующих образцов (например, био
лоrические системы);
измерения в пламенах и rазах (сильное фоновое излучение);
реrистрация вращательных спектров;
измерение Т I и Т 2 при использовании ультракоротких световых
импульсов (см. разд. 3.3.5).
Достиrнутое разрешение при исполЬзовании непрерывных лазеров
на красителях составляет 1O 3 CM I.
Обрашенное комбинационное рассеяиие (спектроскопия поrлощения
комбинационноrо рассеяния). Среда облучается двумя интенсивными
лазерными волнами (частоты (Оа8, (O (Oas (Oo, см. рис. 3.1). Наблюда
ется поrлощение на частоте (О as [83, 39].
Нелостаток' метола: необходимость измерения поrлощения.
Преимущества метода: подавление флуоресценции и npyroro фоно
BOI'O излучения; возможность одновременной реrистрации полноrо
спектра комбинационноrо рассеяния за короткие времена (от HaHoce
кунд до пикосекунд) при широкополосной накачке «(Оав в этом случас
представляет широкополосное излучение лазера на красителе или
пс-континуум, см. подраздел 3.2.3.4).
Спектроскопия усиления комбинационноrо рассеяния. Среда облу-
чается иитенсивной лазерной «(OL) и слабой зондирующей волной «(Os
(OL (oo). Измеряется уснление зондируюшей волны fCM. уравнения
3.38), (3.39)].
Преимущество по отношению к КАРС-спектроскопии: отсутствие
фоиовоrо излучения за счет вклада нерезонансных нелинейностей. До-
стю'аемое разрешение в rазах равно менее 25 мrц (менее 10 3 CM I)
при использовании непрерывиоrо лазера.
КомбинаЦИОНlIO индуцированный эффект Керра. Среда облучается
двумя интенсивными лазерными волнами с частотами (о. (линейно по
ляризованная) и (о L (с круrовой поляризацией). Измеряется сш'нал,
который возникает с поляризацией, перпендикулярной поляризации па
дающей волны на частоте 005, только тоrда, коrда OO5""OOL (OO (резо-
нансное комбинацнонное рассеяние) [40].
Преимущества метода:
теоретически нет фона;
реrистрация почти полноrо спектра комбинационноrо рассеяния при
широкополосном облучении за короткие времена.
Недостаток метода: высокое требование к оптическому качеству
образца (необходимость измерения поляризации).
Фотоакустическая спектроскопия комбинационноrо рассеяния. Ис-
пользуется комбинация оптоакустической спектроскопии и спектроско-
пии усиления комбинационноrо рассеяния.
Преимущества метода [79]:
возможность применения в жидкостях, биолоrических образцах;
отсутствие помех, обусловленных фоновой флуоресценцией;
возможны измерения с временным разрешением;
незначительные затраты на проведение экспериментов.
Достиrнутая чувствительность: коэффициенты усиления комбина-
ционноrо рассеяния составляют 1O 5 CM I. .
Спонтанное rиперкомбинациоииое рассеяние. При облучении среды
интеисивной лазерной волной (частота OOL) спонтанно образуются фо-
тоны с частотой fOHs 2(i)L ooo [38] (см. рис. 3.2).
Особеиности эффекта:
интенсивность спонтанноrо rиперкомбинационноrо рассеяния про-
порциональна квадрату интенсивности возбуждающеrо света;
интенсивность очень мала (обнаружение сиrнала даже при исполь-
зоваиии лазера с модулированной добротностью возможно только пу-
тем счета фотонов, один фотон на импульс или меньшё).
Этот эффект важен из-за наличия специальных правил отбора для
исследования типов колебаний, которые недоступны ни методами ИК-
спектроскопии, ни методами спектроскопии комбинационноrо рассея-
Ния (silепt modes «молчащие» моды).
3.3.5. СПЕI(ТРОСI(ОПИЯ CBEPXBbICOI(Oro BPEMEHHoro
РАЗРЕШЕНИЯ
Блаrодаря формированию ультракоротких лазерных импульсов
с длительностью в наносекундном, пикосекундном и Фемтосекундном
диапазонах стало возможным исследовать временной ход физических,
химических и биолоrических процессов в этом временном диапазоне.
К этим процессам МОЖно отнести, например, процессы в молекулярной
физике (табл. 3.22), физике твердоrо тела, иапример измереиие време-
ни жизни поляритонов, оптических фононов, электронно-дырочной плаз-
мы в пикосекундном [91, 92] и фемтосекундиом диапазонах [95], химии,
например измерение Iюнстант скоростей мономолекулярных элементар-
ных реакций (не более 1013 C I) и контролируемых диффузией реакций
(не более 1 010 c I), биолоrии, например исследование элементарных
процессов при фотосинтезе (1 0 [2 с) и при зрительном процессе
(1 0 12 с).
В спектроскопии cBepxBbJcoKoro BpeMeHHoro разрешеиия использу-
Т а б л и ц а 3.22. Типичные значеиия времен релаксации в молекулах
Переход
I ArperaTHoe состОяние r
Т,. С
ТО' С
Вращательный
к.олебательный
Электронный
Немарковские
процессы
fаз (105 Па)
fаз (105 Па)
Конденсированное
1O О 1O 7
10 8 I()O
10 1 I S
Ю I;! lO
1O 1L....1O 9
1O 11 1O 9
lO 13 10 11
lO l IO lO
lO H
ютея твердотельные лазерЫ, rазовые лазеры и лазеры на красите-ЛЯХJ
а также перестраиваемые лазеры, реализованные методами нелинеинои
оптики, как, например, параметрические reHepaTopbJ и пикосекундНЫЙ
континуум (см. подраздел 3.2.3.4). Лазеры, которые излучают HeP.pe
рывную последовательность импульсов, имеют преимущество при обна-
руж нии сиrналов (метод стробиров-ания, см. разд. 6).
Методами спектроскопии cBepXBbJcoKoro b-ремеНноrо разрешения мо-
ryT быть измерены как времена релаксации энерrии (некоrерентная
спектроскопия), так и времена релаксации фазы (коrерентная спектро-
скопия). Наиболее подходящим методом коrерентной спектроскопии
является комбинационное рассеяние. После возбуждения образца им-
пульсом лазерноrо излучения измеряется временной ход поrлощения,
испуокания излучения илн комбинационноrо рассеяния образца.
Фазовая флуорометрия [90]. Если образец возбуждается модули-
p )ВaHHЫM лазерным излучением (частота модуляции Q), то возникает
флуоресценция (в зависимости от времени затухания 't) с фазовым сдви-
rOM е. В простейшем случае e arctg (Q't). Измеряется е. Достиrае-
мое временное разрешение при применении более ВЫСОКИХ частот MO
дуляции в диапазоне 108 [ц лежит в пикосекундной области.
Измерение поrлощения. Временное изменение поrлощения можно
измерить методом пробноrо луча, при котором зондирующий луч с вре-
менной задержкой (реl\лизованной с помощью оптической линии за-
держки) определяет поrлощение обраЗI(а после ero возбуждения интен-
сивным импульсом (рис. 3.19, а). В сочетании со спектрометром при
переменной длине волны зондирующеrо импульса (например, пикосе-
кундный или фемтосекундный континуум [44]) можно зареrист-
рировать зависимость поrлощения от длины волны и времени
(рис. 3.19, б). С помощью эшелона Майкельсона (рис. 3.19, в)
можно измерить поrлощение с несколькими различными задер-
жанными зондирующими импульсами (упрощени-е метода изме-
рения). Различные зондирующие импульсы MorYT быть пр ОСТ-
ранственно отдельно сфотоrрафированы С помошью видикона и оптиче-
CKoro мноrоканальноrо анализатора (ОМА) (см. разд. 6). При приме-
нении электронно-оптнческой камеры с щелевой разверткой (см. разд. 6)
можно реrистрировать изменение поrлощения, обусловленное коротким
возбуждающим импульсом, также с помощью длинноrо зондируюшеrо
импульса.
Измерение флуоресценции. Измерения флуоресценции можно про-
Изводить с временным разрешением в пнкосекундной областн при при-
менении электронно-оптической камеры с щелевой разверткоЙ или оп-
тическоrо затвора.
Оптимальным ЯВ.1яется применение оптическоrо затвора в попереч
иой rеометрии (метод скрещенных пучков), при которой' с помощью
переключающеrо импульса в комбинации со спектрометром можно ре-
J\
:Ir
ЗонiJuрующuй
I'/МПУIlЬG
а)
f\
:ь>
лс континуум
5)
...............
II
...............
о)
Воз5ужiJающиil
импульс
D
F
1;
<1
D tlL
s
i!
1\
1\
1\
/\
А
Рис. 3.19. Метод скрещеиных пучков (F фотопластинка; Т пропус-
кание; S спектроскоп; Р исследуемый объем):
а измерение зависимости поrпощення от времени; б нзмерение зависнмостн
поrлощення от времени н длины волны; в rенерация нескольких задержанных
по времени импульсов с помощью эшелона
rистрировать зависимость сиrнала от времени и длины волны (рис.
3.20).
Метод скрещенных пучков имеет преимущество в том, что при ис-
пользовании мноrоканальноrо анализатора может происходить элек'-
тронная обработка данных.
Комбинационное рассеяние. Методы комбинационноrо рассеянии
применяются для исследования колебания молекул в осиовном элек
тронном состоянии в жидкостях, оптических фононов и поляритонов
В твердых телах с разрешеиием в пикосекундном диапазоне [91, 92].
При н ц н п Д е й с т в н я. Интенсивный ультракороткий световом
импульс в процессе вынужд€нноrо комбинационноrо рассеяния (см.
СU2НGЛ
C] '
(>
Включающиц импулЫJ
s
i!
1\
Рис. 3.20. Измереиие флуоресцеНlJИИ с помощью оптическоrо затвора
(метод скрещенных пучков) (S спектрометр; ОТ оптический за-
твор)
разд.3.2.4) возбуждает колебания молекулы или решетки. Слабый зон
дирующий световой импульс с соответствующей' переменной задержкой
во времени по отношению к возбуждающему импульсу зондирует со-
стояние возбужденной системы. Вынужденное комбинационное рассея
ние приводит как к заселению возбужденноrо уровня, так и к образо
ванию KorepeHTHoro состояния среды. Изм'ерения заселенности или Kore-
peHTHoro колебания с временным разрешеНl1ем дают значения Т[ или Т 2 .
Измерение Т 2 возможно путем реrистрации коrереитноrо антисто[(
сова рассеяния зондируюuцеrо импульса в KorepeHTHo возбу}Кденной си
стеме. Эти процессы требуют точноrо пространственноrо оряентирования
волновых векторов для выполнеиия условия фазовоrо синхронизма
(см. подраздел 3.3.4.2). Т 2 получается из измерений иитенсивности KO
repeHTHoro аНтистоксова рассеяНия как функции задержки ме}Кду воз-
буждающим и зондирующим !-Iмпульсами.
С помощью спектроскопии комбинационноrо рассеяния имеется воз-
можность исследования однородно и неоднородно уширенных линиЙ.
Измерение Тl возможно путем измерения интенсивности спонтан
Horo (HeKorepeHTHoro) антистоксова рассеяния зондирующеrо им-
пудьса.
3.3.6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
ДЛЯ ЗАДАЧ АНАЛИЗА
Специфические проблемы возникают в задаче обнаружения малых
концентраций сложных молекул и дистанционноrо обнаружения атомов
и молекул на больших расстояниях [74, 76].
Обнаружение малых I\онцентраций слОжНЫх молекул. В проблеме
обнаружения малых концентраций в смесях rазов основная трудность
состоит в том, что спектральное разрешение методов линейноЙ спектро-
скопии оказывается слишком слабым (см. разд. 3.3.2). Этот недостаток
устраняется посредством:
применения спектроскопин насыщения (см. разд. 3.3.3) в количест-
'веиНОМ анализе (для уrлеводородов обнаружены относительные содер-
жания 10 3 10 5);
примеиения лазера в масс-спектроскопии для фотоионизации мо-
лекvл в вакуумной УФ-области (повышение чувствительности масс-
спеК1J>ометров на несколько порядков) [96].
Дистанционное обнаружение атомов и молекул. Этот метод ис-
пользуется для контроля заrрязнений атмосферы. Обозначенне метода
ЛИДАР (Light Detection and Ral1ging).
Принцrш действия: лазерный импульс передается в исследуемую
область пространства, и принимается излучение, обусловленное резо-
нансным рассеянием, комбинационным или рэлеевским рассеянием.
Примеры:
резонансное рассеяние: обнаружено 103 атомов в верхней атмосфе-
ре (90 км); ,
комбинационное рассеяние: обнаружение 0з (чувствительность
O,005.10 e) и S02 (O,005.10 e) на расстояниях несколько километров;
резонансное ПOl'лощение: обнаружение N0 2 на расстоянин 4 км
С чувствительностью 0,2.1 o e.
Пространственное разрешение составляет прнмерно 10 м.
3.4. ЛАЗЕРНАЯ ФОТОХИМИЯ
3.4.1. ВВЕДЕНИЕ
Применение лазеров в химии происходит во все возрастающем объ-
еме, при этом основные применения лазеров лежат в трех областях:
в аналитической химии (например, путем приме!{ения лазерной
спектроскопии, см. разд. 3.3); .
в кинетике реакций (например, путем применения методов лазер-
ной спектроскопии, см. разд. 3.3);
для селективноrо возбуждеиия и инициирования химических реак-
ций (например, синтез веществ, очистка веществ, разделение изотопов
[97 99]).
Элементарные химические реакцИI:I. Элементарную химическую ре.
акцию в rазовой фазе можио понимать как преодоление потеI1циаль-
Horo барьера Еа (Еа энерrия активации) вдоль реакционной коорди-
наты х (рис. 3.21). Скорость BpeMeHH6ro течения реакции определяется
константой скорости реакции К.
На рис. 3.21, а показана диссоциация двухатомиой молекулы (х
расстоянне между атомами; Еа энерrия диссоциации). На рис. 3.21, б
Показано образованне в бимолекулярноЙ реакцин из молекулы АВ че-
рез аКТИjзированный комплекс A B C молекулы ве.
Температурная зависимость константы скорости реакции К прибли-
женно описывается уравнением Аррениуса:
в случае термическоrо возбуждения
К == С ехр [ Ea/(kT)]; (3.64)
в случае поrлощения фотонов (рис. 3.21, а)
К' С' ехр [ (Ба hV)/ kT],
(3.65)
rДе С, С' постоянные, слабо зависящие от температуры.
Блаrодаря увеличению внутренней энерrии молекул вследствие по-
rлощення при известных обстоятельствах можно существенно YMeHЬ
шить или совсе"" исключить значитеЛЬНЫе затраты на тепловую эиер-
rию (высокие температуры) для инициирования реакции.
АВ A+.в
а)
АВ+С kB C А+ВС
х
х
о)
Рис. 3.21. Зависимость энерrии от реакционной координаты х для эле-
ментарных химических реакций:
а мономолекулярная реaI;ЦНЯ; б бимолекулярная реакция
Различная абсорбционная способность молекул представляет воз-
можность для селективноrо фотохнмическоrо стимулирования в реЗУJ1Ь-
тате Toro, что, иапример, в смеси актнвируется только .определениый
сорт молекул путем соответствующеrо выбора частоты света.
Разлнчия в спектре поrлощения молекул с одинаковым элементным
составом возиикают за счет пространственной структуры (цис-, транс-
изомерия), различноrо изотопноrо состава (важно для разделеНия изо-
топов), изомерии ядер атомов.
Существует возможность внутримолекулярной селективиостн.
ВыБОрО:l1 энерrии фотона /Z'V изменяется внутренняя энерrия MO
лекулы (независимо от температуры rаза). Как следствие этоrо, име-
ется возможность протекання разлнчных химических реакций с разли
чающимися друr от друrа энерrиями активации (наrревание реакцион-
JIOЙ смеси всеrда приводит к ускорению реакции с минимальной энерrисй
активации). С помощью лазеров MoryT быть инициированы или у:::ко-
рены химические реакции, которые не протекают прн термическом Воз-
буждении.
Внутреннюю энерrию молекулы приближенно можно разделить на:
электронную энерrию Ее!: Ее! составляет несколько эВ, поrлоще-
ние в видимой и УФ-областя,х спектра;
. колебательную энерrию Е vlb : Е vlb О, 1 70,01 эВ, поr лощение
в ближней ИК-области спектра;
вращательную энерrию Erot : Erot 0,00170,000I эВ, поrлощеlП"
В дальней ИК-области спектра до субмиллиметровых волн.
Отсюда получаются различные возможности для активации хими-
чеCf{ИХ реаКIIИЙ.
Пример. Диссоциация молекулы, для которой в общем случае тре-
буется несколько электрон-вольт, возможна путем поrлощения фотона
УФ-диапазона или путем мноrофотонноrо поrлощения вИК-области
спектра (ступенчатое возбуждение колебательноrо уровня в основном
электронном состоянии).
3.4.2. ЛАЗЕРЫ В ФОТОХИМИИ
Развитие мощных перестраиваемых лазеров в различных спект
ральных диапазонах открыло для фотохимии [инициирование химиче-
ской реакции при низких температурах и (или) селективное иницииро
вание определенных химических реакций] совершенно новые перспек
тнвы. Причиной этоrо являются следующие свойства лазерноrо
излучения:
временная KorepeHTHocTb и монохроматичность излучения, которая
обеспечивает селективность в возбуждении или активации даже прн
очень незначительных различиях в спектре поrлощения;
возможность перестройки частоты JJaзерноrо излучения, которан
позволяет осуществить точное совпадение с линией поrлощения и воз-
буждать на различиых линиях поrлощения молекулы, т. е. на различ-
ных квантовых переходах в молекулах;
возможность rенерацни ультракоротких ИМПУJIЬСОВ (короче, чем
время жизни возбужденных состояний молекулы);
высокая интенсивность излучения (спектральная плотность энер
rии), которая достаточна для насыщения KBaHToBoro перехода, т. е.
возбуждения ;шачительной части молекул;
простраиственная KorepeHTHocTb лазерноrо излучеиия и связанная
с этим ВQЗМОЖНОСТЬ точноrо расположения лазерноrо пучка (т. е. соз-
дание определенной зоны реакцин и облучение большнх реакционных
()бъемов) .
1 2
А+В АВ е............... Аве
\!-iz 7 А+В
/ .....-A" А Т +B
hv.
'2,el ............ А + В
hJl1,el /' А;В
/ /h ,el А +B
АВ""""" hJlI,/llb....... АВ*+ ifз
с ABc
пhv1. .ь
,/ll ........AB* c ABC
/,
А+В АВ
12 13
'8
*
1
5
G-
:}л
10 1
11 J Ш
Рис. 3.22. Лазерные фотохимнческие реакции [97]:
1 в видимой и УФ-областях спектра; tl в комбииироваииом поле лазерноrо
ИЗлучення; l/I одиоступенчатые процессы (а) и мноrофотониьiе процессы (6)
в Иl(-областн спектра; 1 предиссоциацня; 2 изомеризация; 3 хнмическая
реакция; 4 преднссоциацня вследствие столкиовеиий (М) В маrиитиом поле (Н);
5 ДВухступенчатая ионизация; б -;---- двухступенчата!! диссоц",ацня; 7 двухсту-
пепчатая диссоциацИЯ; 8 двухступенчатая иоиизация; 9 двухступеичатая изо-
1dеРИзация; 10 химическая реакция; 11 Хl!мическая реакция; 12 Диссоциа
ция; 13 изомеризация
Мноrообразие возможных лазерных фотохнмических процессов aK
тивации показано на рис. 3.22 [97]. Различают воздействие излучения
в внднмой и УФ-областях спектра (диапазон l); ИК области СП'ектра
(диапазон 111); комбинированном пОле излучеиия (т. е. видимая, УФ
и ИК-области спектра) (диапазон Il).
После возбуждения молекула может принимать участие в трех
конкурирующих друr с друrом процессах (рис. 3.23, а):
Рис. 3.-23. Лазерные фотохимнчес-
кие процессы:
а одноступенчатый процесс;
двухступенчатый процесс
6
А+В
n t}>
hl
t:;f
с
а}
АВ
с
о)
АВ
в желаемой химической реакции с константой скорости реак-
цИИ К;
в передаче энерrии возбуждения со cKopocTыo Q на друrие моле
кулы (этот процесс особенно вреден прн разделеннн изотопов. по-
скольку там различие в энерrетическнх уровнях разделЯIОЩИХСЯ атомов
илн молекул очень незначнтельно);
в релаксации с постоянной времени т.
Реакция протекает эффективно с высокой селективностью прн BЫ
полнении условий К» 1/r:, К» Q. Поскольку все трн процесса возмож-
ны прн одном столкновенни, а соотношення велнчнн нельзя изменить
с помощью лазерноrо излучения, необходимо тщательно выбирать ус-
ловия реакций для каждоrо KOHKpeTHoro случая. Кроме Toro, для «вну-
трнмолекулярной» селектнвности фотохнмической реакции должны быть
подrотовлены peareHTbI (акцепторы), соответствующне возбужденному
состоянию. Это очень трудно осуществить. Поэтому эти процессы до
сих пор мало исследованы.
Особыми случаями одноступенчатых процессов ЯВЛЯIОТСЯ фотопре-
диссоциацня и фотоизомеризаuия. Здесь химическая реaIЩИЯ протекает
спонтанно после возбуждения, т. е. без столкновеннй. Поэтому условия
ее протекания можно выполнить достаточно леrко.
Двухступенчатые процессы (рис. 3.23, б), которые непосредственно
при водят к диссоцнации молекулы, имеют преимущество в том, что ско-
рость диссоциации W зависит от интенсивности 1 лазерноrо излучення.
Двухступенчатые процессы управляются на второй ступени путем ис
11Ользования лазерноrо излучения. Поэтому для обоrащения изотопа
lIазерJl"ЫМ излучением преимущественно применяются эти процессы.
у слQвия для высокой эффектнвности и селективности: W и)>> Q ИJlИ
1/7:. Эти условия практически MorYT быть выполнены всеrда. ОсобеннО
выrодны эти процессы В комбинированном поле лазерноrо излучения
(см. рис. 3.22, I/).
Миоrофотонные процессы в ИК спектральной областн (см. рис.
3.22, //l) по своей эффективностн и селективности равнозначны MHoro-
фотоиным процессам в комбинированном поле лазерноrо излучения.
3.4.3. ИНФРАКРАСНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ФОТОХИМИЯ
3.4.3.1. Поrлощенне и релаксация молекул. В ИК лазерной фотохи-
мии активация происходит за счет колебательных степеней свободы
(мод) молекул (рис. 3.24) путем последовательноrо поrлощения ИК-
Рис. 3.24. Схема уровней
анrармоническоrо осцилля-
тора (р расстояние меж-
ду ядрами)
р
K;>Z;;TOB. Отдельные моды можно описывать как анrармонические ос-
цилляторы с опrеделенной основной частотой '1101 н фактором aHrapMO-
иичности 'IIaDll' Каждому колебательному уровню соотнесен еще ан-
самбль вращательных уровней.
ИК-спектр для MHoroaToMHbJx молекул, по меньш й мере на ниж-
них колебательных уровнях, ЯВЛЯется дискретным, н поэтому селектив-
ность возбуждения лазерным излучением велика.
Оrраиичения для этой спектральной области обусловлены прежде
i!cero релаксацией колебательно-вращательных состояний. В молеку-
лярном rазе возможны следующие релаксационные процессы:
релаксация в пределах отдельной степени свободы с постоянным н
времени "R R для вращательной релаксации н "V V для колебатель-
ной релаксации;
релаксация между разными степенями свободы с постоянными вре-
мени .. R Т для вращательно-поступательной релаксации, постоянными
времени .. V V' для релаксации между модами молекулы, постоянными
времени "V R для релаксации между колебательными и вращательны-
ми состояниями и постоянными времени 'tV T для релаксации между
колебательными и поступательными степенями свободы.
Между этими временами релаксации действительны следующие со-
ОТНОШеиия:
't'R R «'tR T« 'tv ,v {:: TV V' «'tV R или 'tV T.
При нормальном давлении имеем следующие типичные значения:
't'V R' 'tV T ю с; 't'V V Ю 8 С.
В бинарных rазовых смесях возникают дополнительные каналы ре-
.лаксации (обменные процессы между степеням н свобо,ц,ы различных
молекул).
Наряду с этимн релаксащюнными процессами, обусловленными
столкновениями, существует бесстолкновнтельная внутримолекулярная
колебательная релаксация, которая приводит для возбужденных в об-
ласть «квазиконтинуума» молекул (см. подраздел 3.4.3.3) К статнстиче-
скому распределению внутренней энерrии по различным тнпам колеба
ний р05].
Хнмнческие реакции, инициированные при селективном возбужде-
нии, должны протекать быстрее, чем вредные для селективности релак-
сационные процессы.
ВслеДСТВFе этоrо число химическнх реакций, которые можно сти-
мулировать с помощью иифракрасноrо лазерноrо излучения, сущест
венно оrраиичено.
Из-за аНl'армоничностн колебаний переходы между более ВЫСОКИ-
ми энерrетическими уровнями выходят из резонанса с лазерным излу-
чением, что затрудняе1' протеканне мноrоступенчатых процессов для
молекул из неrкольких атомов. Одиако эту анrармоничность можно
частично компенсировать, поскольку каждый переход является колеба-
те,льио вращательным переходом (см. подраздел 3.4.3.3). Несмотря на
это, для ступенчатоrо возбуждения в двухатомной молекуле требуются
интенсивности лазериоrо излучения 10" I.OI2 Вт/см 2 , чтобы компенси
ровать анrармоничноС"ть за счет уширения мощностью излучения (Ро-
wer Ьrоаdепiпg), см. разд.3.3,3. Поэтому осуществимы следующие про
цессы:
инициирование реакцнй с малой энерrией активацин (Ев ,..l v);
инициирование реакций с Ев »11'\1 путем использования различий
во временах релаксации (заселение верхннх уровней пронсходит за
счет быстрых обменных V v процессов);
мноrофотонное поrлощение в MHoroaToMHblx молекулах.
3.4.3.2. OДHO и МНОl'оступенчатые процессы. На рис. 3.25 приведе-
ны возможные процессы в.озбуждения для реакций с малой энершей
активацнн. (Из этих процессов комбинационное рассеяние представ
JIяет единственную возможность непосредственно фотохимичеСI<И воз-
буждать в ИК спектральной области неактивные молекулы.)
Пример двухступеН!Jатоrо процесс а [iOO]: возбужденне молекулы
НСl (v О)---+НСI (v 2) (v колебательное квантовое число) проис-
ходит с помощью импульсноrо НС1 лазера (1IV 0,36 эВ), а активация
реакции ВF+НЗ Cl (v 2)---+НВr+З СI.
Результат: повышение скорости реакции за счет возбуждения по
отношению к реакции сневозбужденной НС1 (v o) на 11 порядКоВ.
Применение: обоrащеиие изотопов С1.
Прн использовании различия времен релаксации при BbJCOKfDM дав-
лении возможно инициирование химических рсакций даже в случае,
коrда энерrия активации значительио больше, чем энерrия фотона. Тип
колебаний может селеКтивно «наrреваться» путем возбуждения пер-
воро колебательноrо состояния или нескольких нижних колебательных
состояний. Заселение верхних колебательных состояний ВПЛОТh до [ра-
ницы днссоциацни происходит за счет KBaHToBoro V V обмена
'tv v«'tv v' ).
Примеры этих реакций [3.100, 3.101]:
*
N 2 F 4 + 4NO..,.4FNO + N z (AQ == 625 кДж/моль);
EC1 + SiF 4 ..... BCI 2 F + SiFзСI (AQ + 5,45 кДж/моль).
Молекулы, обозначаемые (*), были возбуждены СО2 лазером. Это'I
прнмер показывает, что можно инициировать как экзотермические, таи
и эндотермические реакции. Характерным для подобных реакций явля-
ется то обстоятельство, что они обладают пороrом по интенсивности
.nазерноrо нзлучения (табл. 3.23).
У==3 У==3 ][
пV 1 hJl z
У=2 У==2 У=2
Ь)! ЬР 2
v= 1
Y JI У=1 У=1
hv ЬУ 1
У=о У=о У==о У=о
а) о) о) J
Рис. 3.25. Возможности активации колебательных состояний в молекуле:
а одиоступенчатый процесс; 6 возбуждение в обертонные полосы; в двух:
ступеичатый процесс; е комбннационное рассея не
Блаrодаря лазерному излучению возбужденные молекулы MorYT
действовать как катализаторы (например, за счет обмена колебатель
ными квантами).
т а б л н ц а 3.23. При меры JIазерно индуцированных реакций
при высоком давлении (по данным работы [101], ДJIЯ СО2 JIазера)
., .; .о :<
'i2 '" ""и 01
'" .... а
t;:; u
:>, О :о
.; t:: О _ '" t::
РеаlЩI!Я р. "'., '" u Результат
'" ""и '" '"
g) .... <:"" '-'
Q) 01<: "':; о
.. :; ....:>, OI.., <:
'" '" "!:: ......... u
., iii5 ":; &:i '"
t:( 1::[" :r
N 2 F: + NO По 13,3 0,9 20 16 12.\03 Нет реакции
]7 +--100 % -ное "ре-
I образованне
ВС1; + SiF 4 По ]3,3 0,3 20 210 102 Нет реакцин
230 103 68 % -ное преобра-
зование
Пример. Реакция С 2 С1 4 в смеси с молекулами ВС1 з , облученными
лазерным излучением (непрерывный лазер на С0 2 , мощность 6 Вт),
приводит К образованию С 6 С1 6 при комнатной температуре [102]. При
термической актнвацин образование С 6 С1 6 пронсходнт лишь прн темпе
ратуре 700 ос. Возбужденные молекулы ВС1 з не разлаrаются. Приме-
чательно. что реакции ие реализуются с возбужденными молекулами
SF 6 (поrлощение излучения COz-лазера).
3.4.3.3. Мноrофотонное поrлощение. Б е с с т о л к н о в 11 Т е л ь н а п
м н о r о Ф о т о н н а я Д и с с о Ц и а ц и я. Бесстолкновительная MHoro-
фотонная диссоциацня MHoroaToMHblx MO
лекул в сильном ИК поле лазерноrо излу
чения (ннтенснвность лазерноrо нзлучения
составляет 105 107 Вт/см 2 , Давление
102 Па) является наиболее эффективным
по интенсивности лазерным фотохимичес
ким процессом. Открытие этоrо эффекта
привело к интенснвным исследованиям в
этой области, в частности, в связи с обоrа
щеиием изотопов. Большое число l{Олеба
тельных степеней свободы, их комбинацн-
онные частоты н снятие вырождения коле
бательно вращательных состояний приво-
дят в мноrозтомных молекулах в более BЫ
соких колебательных состояниях к квази-
непрерывному спектру поrЛОщения в ИК
спектральной областн. Блаrодаря этому
должны преодолеватьси за счет резоиаис-
Horo поrлощения только три-четыре коле
бательных уровня, чтобы попасть в «квази.
континуум» (рис. 3.26), при этом из-за
большой плотности уровией всеrда имеет
место резонанс с лазерным излучением.
Молекула путем последовательноrо поrло-
щения квантов ИК излучения может быть
возбуждена вплоть до rраницы диссоциа
ции. Селективность обеспечнвается за счет
резонансноrо поrлощения иа нижних. коле-
бательно вращательных переходах. Этот
эффект наблюдается также прн очень малом давленин (1O 4 Па) и KO
ротких лазерных нмпульсах (50 пс), протекает без столкновений
п является noporoBbJM процессом. Пороr возникает из за Toro, что для
днссоциацни молекула должна поrлотить определенное количество
энерrии.
Несмотря на интенсивные исследовання, процесс бесстолкновитель-
ной мноrофотонной днссоцнацнИ детально не изучен. Исходным пунк-
том для ero теоретическоro объяснения является то обстоятельство, что
при используемых нНтенсивностях лазерноrо излучения полевое ушире
нне лнний поrлощения нижннх дискретных переходов недостаточно для
компенсации анrармоничности.
Имеется ряд модельных представленнй, например:
переход к «квазиконтинууму» происходит путем ступенчатоrо резо-
HaHcHoro поrЛОЩения в пределах одной моды. Аиrармоничность на ниж-
них колебательных переходах компенсируется за счет вращательноЙ
энерrии, т. е. путем последовательноrо поrлощения в Р-, Q- н R-ветви
,
"'
'""'<:
'"
"<
'<:
'"
>.;
V==З'
V=2
V=1
1111
J
V;=O
Рис. 3.26. Мноroфотон-
иое поrлощение в ИК-Об-
ласти спектра
моды:
(v == о; J) (v 1; J 1) VO l == '\10 2В} Р - ветвь; ]
(v 1; J 1) (v == 2; J 1) Vl 2 == V o AVanh Q-ветвь;
(v == 2; J 1) ...... (v 3; J) '\I2 З==Vо + 2В} 2АV: ш h R-ветвь,
(3.66)
rде J вращательное квантовое число; В вращательная постоянная.
Требование к интенсивнОСТи лазерноrо излучення для получения
полевоrо уширения лннии поrлощення и тем самым для осуществления
квазирезонансноrо поrлощеиии уменьшается, таким образом, до
I 2BJ res AVanh 1 < 6V troad.
rде J res номер вращательноrо уровня в основном колебательном со-
стоянии, с KOToporo начннается ступенчатое возбуждение.
Пример. SF 6 ; в спектре ero переход в квазиконтинуум происходит
уже с TpeTbero колебательноrо уровня. Для днссоцнацнн этой моле/(у-
лы с помощью ТЕА С0 2 -лазеров (см. подраздел 2.6.5.3) должно быть
затрачено примерно 35 фотонов (соответствует ЭНерrии диссоциацни).
Еслн молекула находится в квазиконтинууме, то ее внутренняя энерпlЯ
статистически распредеJ1яется по различным модам [103]. Молекула раз-
рывается по самой слабой связн. Внутримолекулярная селективность
исключена. Пороr обусловлен процессамн в квазиконтинууме; для мно-
rофотонной днссоциации определяющей является энерrия лазерноrо им-
пульса, а не ннтенсивность. Однако такое представление, развитое для
молекулы SF 6 , по-видимому, справедливо не для всех молекул, потому
чт.., tlсследования с CCl 4 [104] показывают, что неоБХоднмое для дис-
социации среднее число ИК-фотонов зависит от Toro, какая возбуж-
дается мода.
Блаrодаря анrармоничности снимается вырождение. колебательных
состояний молекул (напрнмер, типа сферическоrо волчка как SF 6 ).
Вследствие этоrо плотность энерrетических уровней уже на НИЖннх ко-
лебательных состояниях так велика, что анrармоничность может быть
скомпенсирована без участия вращате ьной энерrии. Возбуждение про-
исходнт в основном В пределах однон моды. Внутримолекулярная се-
лективность представляется возможной. Прн достаточной плотности
уровней MorYT возбуждаться высокие колебатеJlьные уровни (вплоть
до квазнконтинуума) ступенчатым образом в пределах одной моды
при произвольно малой интенсивностн лазерноrо излучения, если оно
обладает соответствующей для возбуждення уровней частотой, шири-
ной линии н достаточной длнтельностью импульса. Это подтверждается
исследованиями с непрерывно перестраиваемыми С0 2 -лазерами высо-
Koro давления на SF 6 [106] и в последнее время на молекулах с ннзкой
симметрией, как, например, C 2 F s C1, СFзВr и СFзI [l07], У которых об-
наружены узкие мноrофотонные резонансы в спектре поrЛощения.
М н о r о Ф о т о н н а я Д и с с о ц и а ц и я пр н у ч а с т и и с т о л к-
И О В е н и й. В более леrких молекулах (например, SiH 4 по сравнеН:1Ю
с SF e ) плотность линий спектра недостаточна для компенсации aHrap-
МОНИчности. Переход в квазиконтинуум происходит лишь прн более вы-
coKиx давлениях в результате взаимодействия процессов вращательной
релаксации и KBaHToBoro.V V обмена.
Пример. Мноrофотонная диссоциации SiH 4 с помощью ТЕА С0 2 -
лазера при давлениях выше 103 Па [105].
Мноrофотонная диссоциация двухчастотным
лаз е р н ы м и з л у ч е н и е м. Этот метод обеспечивает повышение
селектнвности реакции (например, при разделении изотопов). С помо-
щью лазера с относительно низкой интенсивностью дискретные перехо
ды в молекуле преодолеваются ступенчатым образом с переходом
в квазиконтинуум. Малая интенсивность обусловливает слабое полевое
ушнрение линИI! и тем самым способствует более высокой селектнвно-
сти. Более мощный лазерный пучок с более низкой или более высокой
частотой излучения вызывает возбуждение в квазиконтинууме вплоть
до rраницы континуума. Диссоциация имеет место только при OДHOBpe
менном действии обонх лазеров.
3.4.4. ФОТОХИМИЯ С ЛАЗЕРАМИ В ВИДИМОй
И УФ-ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА
Фотохимнческне процессы В этой спектральной области протекают
при использованин электронных состояний молекул. На рис. 3.27 пред-
ставлены некоторые возможные механизмы возбуждения, т. е. актива-
Рис. 3.27. Возможности актнвацни электронных состояний в молекуле:
одиоступеичатые процессы: а возбуждение злектроииоrо состояния; 6 фото-
диссоциация; в фотопредиссоцнация; е двухступеичатый процесс
ции. (Здесь не показаны различные механизмы селективной фотоиони-
зации, которые преЖде Bcero применяются при разделении изотопов
атомов н при детектировании одиночных атомов и молекул.)
Одноступенчатые процессы. Преимущества по сравнению с одно-
ступенчатыми процессами в ИК,-области спектра (см. подраздел 3.4.3.2):
энерrня активации химической реакции может быть значительно
больше;
высокая энерrия возбуждения обеспечивает более высокую кван-
товую эффективность реакции.
Недостаток: из-за сложной структуры электронных состоЯНий в ви-
димой и УФ спектральных областях молекулы имеют широкие полосЫ
поrлощения. Вследствие этоrо оказывается малосущественной малая
ширина лин ни лазерноrо излучення и тем самым не достиrается воз-
можная селективность взаl1модействня. Поэтому лазериая активациЯ
счет электронноrо возбуждения при использованни одноступенчатоrо
\lроцесса применяется только для атомов н двухатомных молекул.
пектры поrлощения которых MorYT обеспечнть селективность (напри-
рис.. 3.28. Красное смещение непре- Е, эВ
рывной УФ-полосы поrлощеиия за
счет возбуждения колебаний молеку-
.лы (двухатомная молекула, р pac
стояиие между ядрами)
мер, Hg, IC1). Возбужденные атомы
или молекулы вступают тоrда в со-
ответствующую химическую реакцию,
в которой имеет значение выбор ре а-
reHTa, чтобы не потерять селектив-
ность в последующих реакциях.
Фотопредиссоциация. Фотопре- 2
диссоциация становится возможной hV z /
при пересечении устойчивоrо терма
молекулы с разлетным. Если моле-
кула возбуждается на колебательно-.
вращательный уровень устоЙчивоr'О
электронноrо терма, то в этом слу-
чае может происходить безызлуча-
тельный переход на разлетный терм
и молекула диссоциирует. Время жиз.
ни та:юrо состояния достиrает (в за- f1
висимости от молекулы и возбужден-
Horo колебательно-вращательноrо
уровня н устойчивом электронном
ТI':,ме) примерно jO 6 10 12 с. Значение предиссоциации проявляется
прежде Bcero в том, что из-за ДИСI<ретноrо спеl<тра поrлощения возмож-
на селективная диссопиация излучением видимой спектральной обла-
сти в одноступенчатом процессе, которая может быть и(пользована для
разделения изотопов.
Пример. Метанол (формальдеrид, НСНО) предиссоциирует из пер-
Boro возбужденноrо синrлетноrо Состояния на устойчивые конечные
продукты Н 2 и со.
Дв3\хступенчатые процессы. При фотохимическом активиронанни
молекул в двухступенчатом процессе промежуточным может быть элек-
трониое состояние иля колебательный уровень OCHoBHoro электрониоrо
СОстояния молеК.1ЛЫ'
Преимуществом возбуждения колебательноrо уровня как промежу-
точиоrо состояния (процесс в комбинированном поле излучения, см. рис.
.3.22) является высокая селективность метода. Селектинно (посредст-
.вом ИК-излучения) возбужденные молекулы за счет последующеrо по-
rлощения УФ-фотонов переводятся в более высокие электронные со-
стояния, получают высокую энерrию возбуждення.
На рис. 3.28 показана ДВУХСТУJlенч.атая диссоциация двухатомной
молекулы. Для первых двух колебательных уровней в основном элек-
тронном состояиии нанесены распределения нероятностей определенно-
ro расстояния между ядрами и показан вид сплошноrо спектра поrло-
щения из сvответствующих колебательных уровней. В результате "рас-
ното смещения сплошноrо спектра поrлощения можно достичь
селективности.
Пример. Разделение нзотопов I N и 15N путем облучения смеси
1 : 1 из "'NH3 И l"NI-I, (суммарное данление 2,1 кПа) излучением ТЕА
С02-лазера (ЛI 10,6 мкм), которое вызывает возбужденне первоrо ко-
лсбательноro уровня 15NHз, и обычноro источника света (Л2 220,5 нм),
которое приводнт к диссоциацин колебательно возбужденных молекул
15NН з . После цепочки реакций, одна из которых является изотопически
селективной (см. [91]), получают в конечном продукте 80 % 15N 2 И 20 %
"N 2 _
Комбинация ИК мноrофотонноrо поrлощения в MHoroaTOMHbIX мо-
лекулах в основном электронном состоянии (ниже rраницы диссоциа-
ции) и последующее возбуждение или диссоциация под воздсйствием
УФ-фотонов имеют дополнительное преимущество:
сильное красное смещение УФ-полосы поrлощения;
необходима более низкая мощность ИК-лазера по сравнению со
случаем ИК мноrофотонной диссоциации;
имеется возможность экспеРИМ€lIтальноrо определения функции
p 'ПРr'деления молекул по возбужденным колебательиым уровням при
исr.ользовании перестраиваемоrо УФ-лазера.
flример. 'величение сечения поrлощения СFзI на длине волны
Л2 351 нм (эксимерный ХеF J1азер) в 200 раз при потоке энерrии
0,6 Дж/см 2 ИК-излучення (ТЕА С0 2 -лазер, ЛI 9,3 мкм [109]).
Мноrофотонное возбуждение. Наряду с пр€дставл€нными на рис.
3.22 лазерными фотохимическими реакциями уф мноrофотонное воз-
буждение приобретает все большес значение с развитием эксимерных
лазеров (см. подраздел 2.6.3.4) в I<ачестве мощных источников 'Ф-из-
лучения. Эффективность миоrофотонноrо возбуждения очень сильно
зависит от интенсивности излучеиия. Различают:
1) KorepeHTHbIe мноrофотонные процессы через виртуальные про-
межуточные состояния.
Пример. Полученне радикалов OH (A2 +) посредством двухфотон-
Horo возбуждения Н 2 О излучением KrF-лазера (л 248 нм) [3.110];
2) последовательные мноroфотонные процессы через промежуточ-
lIые состояния радикалов.
Пример. Получение радикаJЮВ С2 (d3Пg) посредством последо-
вательноrо трехфотонноrо возбуждения нафталина излучением эксимер-
IlOro лазера на ХеСI (л 308 нм) [111].
Преимущества мноrофотонноrо возбуждения ПрОЯВЛЯIOТся при по-
лучении высоковозбужденных свободных радикалов и высоковозбуж-
дениых атомов или молекул без применеиия BaKYYMHoro УФ излучения,
в специальных правилах отбора дли мноrофотонноrо поrлощения (ко-
торые Эlшивалентны, например, для ДВУХфОТОННоrо поrлощения прави-
лам отбора комбинационноrо рассеяния, блаrодаря чему MorYT быть
заселены уронни, для однофотонных процессов запрещенные), при воз-
буждении среды, оптически толстой для вакуумных УФ-фотонов.
Мноrофотонное возбуждение явдяется существенно rибким мето-
дом, что может иметь значение для осаждения слоев в микроэлектро-
нике (см. подраздел 3.4.5.1).
Пример. Осаждение плеНОI< Cr, полученноrо при мноroфотоиной
диссоциации rексакарбонила хрома [112].
3.4.5. ПРИМЕНЕНИЯ
Кроме инициирования хнмических реакций, для чеrо уже были при-
ведены примеры, рассмотреиные механизмы взаимодействия имеют осо-
бое зна'lение для:
обоrащения изотопов;
микроэлектроники;
очистки веществ;
селективной лазерной биохимии.
3.4.5.1. ОБОl'ащение изотопов лазерным излучением. И з о т о п и-
ч е с к и е с д в и r и. При обоrащснии изотопов используется Сдвиr
атОМНЫХ и молекулярных линий поrлощения, обусловленный различным
числом нейтронов в ядре отдельных изотопов атома. В атомах изото-
'пнческие сдвиrи получаются за счет различной массы (что важно для
леrких элементов), различных объемов ядер и различных спинов ядер.
МаССОВЫЙ эффеIП дает сдвиr чы:тоты /':;.v""-v/':;.МmjМ2 (т масса элек-
трона; М масса ядра; /':;.М разность масс).
В молекулах появляются изотопические сдвиrи во вращательных
поЛосах (очень малы и для разделения изотопов не имеют значения)
и I{олебательных полосах. Например, изотопический сдвиr в колебатель-
ном спектре для двухатомной молекулы равен:
М' (M 1 М 2 )
/':;.v v (3.67)
2М2 (M 1 + М 2 )
rде 1VJ j, М 2 массы изотопов; М' масса снязанноro с ними атома.
Примеры изотопнческих сдвиrов: изменение частоты H2 HD 12 %,
235UFб 2З8UFб 0,2 %.
в электронных переходах у молекул сдвиrи ВОЗНИI{ают за счет из-
менений колебательно-вращательных состояний. Эти изменения из-за
высокой плотности состояний не имеют значения-, особенио у MHoroaToM-
ных молекул.
Условия для высокой селективности: отсутствие переКрытия линий
поrлощения разделяемых изотопов, т. е. возможно разделение в rазо-
во:!:l: ф:l3€ при НllЗЕОМ давлении (доплеровское уширение определяет ши-
рину линии). Путем применения атомных и молекулярных пучков ис-
ключается доплеРОlJское уширение (см. разд. 3.3.3), и селективность
возбуждения возможна в пределах доплеровскоЙ ширины.
Фотохимический и фотофизический методы
раз Д е л е н и я. При фотохимическом методе изотопически селективное
ускорение химических реакций осуществляется путем нозбуждения ко-
лебаний или электронных состояни>f молекул. Эти методы до сих пор
мало исследованы, и их труднсе реализовать по сравнению с фотофн-
зическими методами.
В широко разработанных фотофнзических методах лазерное излуче-
ние наряду с возбуждением одновременно нызывает химическую peal{-
цию (диссоциация, ионизация). Продукты реакции (радикалы) должны
быть снязаны с помощью подходящих акцепторов. К этим методам мож-
Но Отнести:
селективную ступенчатую иоиизаuию атомов (уже испытывается
в опытных устанонках);
мноrофотонную диссоциацию молекул в сильном ИК-поле лазерНоrо
Излучения (уже испытывается в опытных установках);
селективную ступенчатую фотодиссоциацию молекул в комбиниро-
ванном ИК УФ-поле лазерноrо излучения;
фотопредиссоциацию молекул.
Селективная ступенчатая нонизация атомов.
Этот метод обоrащения изотопов представляет интерес особенно для
Тяжелых элементов, поскольку изотопическое смещение из-за эффекта
I{онечноrо протяжения ядра (изотопическое смещение пропорциональ-
но квадрату радиуса ядра) становится больше для элементов с более
ВЫСоким порядковым номером. С помощью этоrо метода были разд -
лены, например, _ изотопы К, Са, Rb, редкоземельных элементов, урана,
трансурановых элементов. На рис. 3.29 показан принцип разделения
изотопов урана, используемый в Ливерморской национальной лаборато
рии. Атомы 2З5U атомнorо пучка селективно возбуждаются излучеиием
ионноrо Хе лазера (Лl 378,1 нм) и из возбужденноrо состояния иони-
зируются ПЗJlученнем Кr+-лазера (Л2 350 нм). С помощью электриче-
cKoro поля осуществляется вытяrивание ионов ИЗ пучка. Оба лазера pa
Рис. 3.29. Схема разделеI'Е''i: изотопов урана с помощью двухступенча-
те" i!онизации атомов
ботают в непрерывном режиме. Вьiход 2З5U+ достнrает 2. 10 З r/ч.
1\1. н о r о Ф о т о н н а я Д и с с о ц и а ц и я м о л е к у л в с и л ь-
н о м И К -п о Л е. Этот метод l\ЮЖНО использовать только для MHoro-
атомных молекул. Он имеет то преимущество, что применяютсн
ИК-лазеры, которые имеЮт более высокий КПД по сравнению с КПД ла-
зеров, работающих в видимой области спектра. Этот метод использует-
ся для соедииеtIий с изотопами самых различных элементов, напрпмер
Н, В, С, N,' Si, S, Мо, Os. В настоящее время применение метода еще
оrраничено молекулами, СПСI<Тр поrлощенпя которых совпадает с _излу
чением ТЕА С0 2с лазера (атмосферноrо давления с поперечным возбуж-
дением) (например, SFe, ВCl з , 0504, СF з Н).. Прнменение метода к ИF е
требует мощн:оrо лазера на длине волны 16 мкм, разработка KOToporo
в настоящее время интенсивно ведется во мноrих странах.
На рис. 3.30 'в ){ачестве примера приведены lюзффициенты обоrаще-
ния Кл в исходном веществе SF e по изотопу 345 в зависимости от дав-
ления SFe. На первых опытных установках с 5F'e получена производи
тельность 0,1 r/ч при коэффициенте обоrащения по изотопу З4S; рав-
ном 25. Даже при относительно иизкой селективностИ в принципе можно
получить высокое значение Кл (ценой малоrо количества оставше
rося исходнorо вещества). В противоположность этому коэффициент
обоrащения в конечном продукте в основном определяется селектив
lЮСТЬЮ. Поскольку изотопическое смещение в молекулярн:ых спектрах
стаиовится все меньше с ростом MaccoBoro числа, то получен максималь-
ный коэффипиент обоrащения в конечном продукте 104 для D (при
мноrофотонной диссоциации флуороформа СFзН излучением С02 лазе-
ра) [113J.
Селективная ступенчатая фотоионизация мо-
л е к у л в к о м б и н и р о в а н н о м И К у ф - п о л е л а з е р н 0-
r о и з л у ч е It й я. Этот метод особенно подходит для обоrащения
изотопов тяжелых элементоВ. В будущем, прежде Bcero, можно рас-
считывать на возрастающее применение эксимерныx лазеров (см. разд.
2.6.3), в том числе для обоrащения И-235 в UF 6 . Селективность во вто-
рой ступени, диссоциации из возбужденноrо колебатеЛЫlOrо состояния,
определяется относительным красным смещением УФ полосы поrлоще-
ния вследствие колебательноrо возбуждения.
""
c'-.j
!;(
-<1-- 101
.,;:
100
20О
р, Па
'/0°
Рис. .3.30. Зависимость коэффициентов обоrащення Кл (34/32) SF 6 в Ис-
ходных веществах от начальноrо давления rаза SF 6 [97J:
число лазерных импульсов: " 50; О 100; . 200; О 400
Пример. Эксперименты в rазовой смеси 12СF з I/13СF з I. При исполь-
зовании СО2-лазера получаКYf под воздействием излучения ХеF-лазера
(л 351 нм) степень диссоциации 10 8 и под воздействием излучения
XeCl-лазера (л 308 нм) степень диссоциации составляет 1O 2; достиt-
нуты коэффициенты обоrащения в конечных продуктах 48 и 2,3.
Ф о т о 11 Р е Д и с с о Ц и а Ц If, я. Примеиение этоrо пр'оцесса для раз-
деления изотопов требует выполнения следующих условий:
. . состояния молекул, из ЮiJТОРЫХ происходит предиссоциация, дол-
жны иметь достаточно большое время жизни, чтобы уширение линий
Не привело к перекрытиlO спектров поrлощеиия; это обстоятельство оп-
ределяет время жизни 10 10 10- 1] с;
процесс должен обеспечивать высокую квантовую эффективность,
т.. е. степень диссоцшщии должна быть достаточно большой; пока пре-
ДИСсоциация представляет собой единственныЙ канал для релаl{сации
возбужденных состояниЙ, это условие выполняется для времен жизни
10 loc. .
Примеры. За счет селективной предиссоциации НСОН происходило
как обоrащение D, так и разделение изотопов С и О. Обоrашение
81Br имело место при предиссоцшщии 8r2, а раздеЛ( ине изотопов иода
при предиссоциации ОРТО+..
3.4.5.2. Лазерные ФОТОХИМIIческие процессы в микроэnектронике.
Возможности применения лазеров при изrотовлении микроэлеi\ТРОННЫХ
элеМентов очень разнообразны:
в лазерной Литоrрафии (с использованием эксимериых лазеров); ме-
тод лазерной литоrрафии в настоящее время нанболее широко подrотов-
лен для промышлеиноro внедрения;
при отжиrе дефектов и рекристаллизации, rде лазеры можно ис-
пользовать для травления, леrирования, осаждения пленки (лазериое хи-
мическое осаждение из паровой фазы Laser CVD, laser chemica1
vapour dероsitiоп).
Эти три процесса можно осуществить за счет различных режимов
лазерноrо воздействия:
1) лазерноrо пиролиза. Пиролиз, как правило, rазообразной реак-
ЦIюнной смеси осуществляется путем локальноrо HarpeBa подложки в фо-
кусе лазерноrо излучения или путем преобразования в теПJIо поrлощен-
ноЙ энерrии излучения за счет релаксационных процессов;
2) лазерноrо фотолиза. Этот режим характеризуется протеканием
фотохимических процессов, особенно уф однофотонноЙ и мноrофотон-
ноЙ диссоциации и ИК мноrофотонноrо возбуждения.
На рис. 3.31 приведены принципиальные схемы устройств для ла-
зерной обработки. При осажден ни слоя с большой поверхностью в боль-
Лазер
!
u
'f
IЛ Ld
[ 1 · !l,lп
б) t
а)
Рис. 3.31. Схематическое изображение устройств:
а для микроструктурироваиия; б для процессов травления и осаждения, свя-
заиных с большими поверхиостями; 1 реакциоиная смесь; 2 подложка; 3
обдувка окна (ниертный rаз N.); 4 лииза; 5 цилиндрическая линза
Шиистве случаев предусматривается HarpeB ПОДЛОЖКи (в зависимости от
осаждаемоrо материала вплоть до 400 ОС). При образовании микро-
структуры подложка или вся кювета двиЖется перпендикулярно ла-
зерному лучу.
Хорошая фокусировка лазерноrо излучения позволяет осуществить
непосредствеНl!УЮ (без маски) запнсь структуры. Кроме Toro, работа-
ют также с масками (прямое просвечнвание маСIШ или микропроек-
ция).
При образовании микроструктуры с помощью пиролитическоrо ла-
зерноrо СУО, которое осуществляется, как правило, излучением непре-
рывных ионных лазеров на инертном rазе, достиrают в зависимости от
коикретной системы толщины слоев от 0,5 мкм до нескольких миллн-
метров, Сl<ОрОСТИ осаждения лежат в диапазоне от 10 до 100 МКМ/С,
а скорости записи достиrают 500 мкм/с. СоотнеТСТВУlOiЦие параметры
процесса для фотолитическоrо лазерноrо химическоrо осаждения из
пароной фазы, как правило, на два-три порядка ниже. Зато при этом
исключается термическая наrрузка на подложку, что особенно важно
для техники сверх больших интеrральных микросхем (структуры разме-
ром не более 1 мкм), кроме тorо, достиrается селективность возбуж
дения.
Т р а в л е н и е. Речь идет об инициировании химических реакций,
которые приводят к выеданию подложки или находящихся на ней слоев.
Различают:
1) процессы травления, которые вызываются колебательно-возбуж-
денными молекулами.
Пример. Травление Si и Та с помощью колебательно возбужденной
SF 6 излучением ТЕА С02 лазера. При нормальном падении и плотности
потока энерrии 1,0 Дж/см 2 скорость травления достиrает 0,12 нм/имп.
Поскольку при этом слои Si0 2 не разрушаются, то автоматически дo
стиrается избирательность между Si и Si0 2 [114];
2) процессы травления, которые вызываются путем фотолитическоrо
образования радикалов, при этом атомы rалоrенон, образующиеся в про-
цессе мнorофотонной диссоциации (например, SF 6 , CF 3 Br) или уф ОД-
нофотонной или мноrофотонной диссоциации (например, CH3Br, СI 2 ),
реаrируют с соответствующими поверхностями. Для этой цели в OCHOB
ном используются ТЕА С02 лазер и 'вторая rармоника непрерывноrо
Аr+ лазера (л 257,2 нм) или эксимерные лазеры. Скорости травления
н области действия лазера достиrают несколько нанометров/импульс,
а в непрерывном режиме несколько нанометров/секунд: Осуществля
лось травление также Si (например, SF 6 ) , Si0 2 (СF з Вr), GaAs(CH 3 Br)
и IJiP (СН з Вr) [115].
Специальной формой травления является абляция полимерных пле-
нок с помощью эксимерных лазеров. Посредством поrлощения фотонов
опредеJlенноЙ энерrии (длины волны) полимеры раЗJIаrаются, и про-
дукты деления вырываются из пленки, прежде чем поrлощенная энер
rия преобразуется за счет релаксационных процессон в тепло, при этом
достиrается высокая крутизна краев. Для конкретных материалов про
цесс связан с определенным диапазоном интенсивностей и длин волн из
лучения.
Пример. С помощью ArF-лазера (длительность импульса 14 нс
и плотность потока энерrии 200 мДж/см 2 ) можно удалять в каждом им-
пульсе 0,15 мкм майларовой плеики {116].
Л е r и р о в а н и е. Лазерный фотохимический эффект использует
ся для получения леrирующих атомов метаJlЛа. Известны две возмож-
ности.
1. Осаждение слоя на подложку происходит в результате диффузии
из твердой фазы.
ПрИмер. Леrирование Cd илн Zn н InP с помощью излучения вто-
рой rармоники Аr+ лазера, которое вызывает осаждение слоя, в то вре-
мя как основная волна лазера действует на ПОДЛО2Кку и ускоряет диф-
фузию [111J.
2. Излучение уф импульсных лазеров может одновременно образо-
вать при диссоциации исходных молекул соответствующие атомы на
поверхности полупроводника .и расплавить подложку. Атомы попадают
в подложку при диссоциации в жидкой фазе.
Пример. Леrирование Si элементами В, А1 и Р из А1 (СН з )з,
В(СН з )з, ВВrз, ВС1 з и РС1 з . С помощью АI.F лазера получают переход
р п типа 0,35 мкм при леrировании акцепторами 2.10]5 CM 3. При
частоте следования импульсов излучения лазера 2 [ц СIШрОСТЬ форми
ровання достиrает 1 мм/мин. Аналоrичным методом осуществляют TaK
же леrирование S (из H 2 S) В кристалле GaAs [117J.
Фотолитическое лазерное химичеСI<ое осажде-
н и е и з пар о в о й фаз ы. У всех известных до сих пор процессов,
связанных с лазерным химическим осаждением из паровой фазы, лазер-
ное излучение используется для получения радикалов. Радикалы (обыч-
но получаются посредством однофотонной или мнorофотонной диссо-
циации излучением в УФ-области спектра. Возможность получения ма-
ленькоrо фокальноrо пятна (микроструктурирование), большая энерrия
возбуждения, а также характеристики поrлощения исходных молекул
приводят к преимуществу использования этой спектральной области.
Для ИК мноrофотонной диссоциации с помощью С02 лазеров, которая
по эффективности сравнима с фотолитической диссоциацией и тем ca
мым составляет предмет рассмотрения осаждения слоев, с большой по-
верхностью, отсутствуют подходящие исходные молекулы. Осаждение
слоя Si из SiH 4 термическим методом было известно ранее [118J. Пос
ледние исследования показывают, правда, возможность осаждения слоя
a-Si посредством ИК мноrофотонной диссоциации (с помощью ТЕА
С02 лазера), например, фенилсилана [119].
Для фотолитическоrо лазерноrо химическоrо осаждения из паровой
фазы в УФ спектра.'IЬНОЙ области в основном используются излучение
второй rармоники Аr+-лазера и экснмерный лазер. Осаждаются слои
металлов, изоляторов и ПОЛУПрОFОДНИКОН. При осаждении металличе
ской пленки н качестве исходных молекул применяются металлоорrани
ческие (МО) соединения.
Применяемые металлоорrанические соединения разделяются на ал
килы метал..юв, I<aK, например, Cd (СН з ) 2, и карбонилы металлов, на-
пример Cr(CO)6' При осаждении используются А1, Zn, Сд, Ре, Мо, W,
Cr и друrие металлы. Скорости осаждения для каждоrо случая (исход-
ная молеI<ула, лазер и т. д.) различны. Например, с помощью непрерыв-
Horo УФ-лазера с мощностью в милливаттном диапазоне достиrаются
скорости осаждения более 100 нм/с [120]. Примеры осаждения изо.'IИ
рующих слоев: SЮ 2 (из N 2 0/SiН 4 ), Si з N 4 (NН з /SiН 4 ), А1 2 О з [А1(СН з )з!
/N 2 0] и ZпО [ZП(СН З )2/N0 2 ].
При использовании АrF лазсра (100 мДж, 100 [ц) скорости осаж-
дения достиrают до 500 нм/мин при площади поверхности слоя 3 см 2 .
Принципиальная схема экспериментальной установки для процесса
осаждения поI<азана на рис. 3.31, б. Работа происходит в проточном
режиме с суммарным данлением rаза в ячейке примерно 1 кПа. ВО нсех
случаях осаждения слоя из rазовой фазы следует заботиться о промыв-
ке OI<OH, чтобы избежать там осаждения.
В качестве прнмерон для осаждения слоен из ПОЛУПРОВОДНиI<овоrо
матернала следует назвать Si(SiН 4 ) и Ge(GeH 4 ) при мноrофотонной
диссоциации, при этом с помощью ArF-лазера (20 [ц, 2 МВт!см 2 ) по
лучены скорости осаждения до 30 нм/мии [121].
Л а з е р н а я м и к р о х и м и я. При формировании микрострукту-
ры путем осаждения из rазоной фазы нозникает трудность, связанная
с тем," что образованные раДИI<а.lIЫ диффундируют из области, опреде
ляемои фокусом лазериоrо излучения, и вследствие этоrо искажается
форма осаждаемоrо слоя.
В действительности этот процесс в значительной степени предотвра-
щается реакциями радикалов, т. е. в осаждении слоя участвуют только
радикалы, непосредстненно находящиеся вблизи поверхности, так что
ширина штриха примерно соответствует диаметру фОI<альноrо пятна.
Этот «паразитный» эффект полностью подавляется, если лазерное из-
лучение активирует толы{О молекулы, которые адсорбированы на по-
верхно ти. Фотохимия !: адсорбированном слое является rлавной со-
ставнОИ частью лазернои микрохимии.
Лазерные фотохимические процессы в адсорбированном слое (фи-
зическая адсорбция) ускоряются по сравнению с реакциями, протекаю-
щими в однородной rазовой фазе, за счет следующих эффектов [122]:
1) более высокой концентрации молекул в слое;
2) смещения полос поrлощения из далекой УФ-области в доступ-
ную для лазеров УФ область;
3) локальноrо усиления поля на понерхности твердоrо тела, которое
может вызвать унеличение скоростей реакции для однофотонных и мно-
rофотонных процессов в 10 100 раз. Исследования показали, что мо-
жет потребоваться спектральное разрешение ие более 10 нм, чтобы по-
давить при УФ-нозбуждении металлоорrанических соединений снльное
возбуждение лиrандон относительно атома металла и тем самым умень-
шить тепловые эффекты (улучшить пространственное разрешение). На-
пример, полосы поrлощения адсорбированных триметила In, Ga и А1
относнтельно узкие (примерно 10 им) и смещены относительно друr
друrа примерно на 20 нм [123]. Оба эти фактора подчеркивают преиму-
щество лазера по отношению к обычным источшшам света. Поскольку
молекулы в rазовой фазе практически не поrлощают лазерноrо излуче-
ния, то необходимо подавлять осаждение на понерхностях входных окон
ДJ!Я лазерноrо иУЧIШ.
Процессы в лазерной микрохимии осуществляются или с помощью
прямой записи н СфОI{усированном лазерном луче, или с поМощью Ma
соК я. 1!астностн также с помощью микропроеI{тора (рис. 3.32). В схе-
/Туч эКtОИерНО8tJ /fllзерtl
(193 Н м ; 157 НМ}
=I ill
' "-----I
s
I I L..(
L . J ч-
J
1
z
Рис. 3.32. Схема микропроектора с отражателем Шварцшильда с ис-
пользованием эксимерноrо лазера [124]:
1 конденсатор для формирования расходящеrося пучка лазерноrо излучеиия;
2 Маска (Cr) на кварце (LIF); 3 отражатель Шварцшнльда; 4 кювета; 5
подложка
ме, показанной на рис. 3.32, получено разрешение структуры 0,4 мкм.
При прямой записи получают ширины штрихов 0,2 мкм [124].
Преимущества лазерных фотолитических I1роцессов:
1. По отношениЮ I{ обычным технолоrическим процессам фотолито-
rрафические методы дают экономию l{Оличестна технолоrических опе-
рациЙ.
2. По сравнению с друrими методами при нИЗКих температурах (на-
ПрИМер, плазменное химическое осаждение из паровой фазы) устраня-
ются вредные ВJIИЯНИЯ стенок. Фотолитоrрафией можно изrотанливать
локально оrраниченные, тонкие (около 10 нм) слои. Параметры про
цесса- (скорость осаждения и др.) сравнимы или лучше, чем в друrих
методах.
3. Прямая запись делает возможным контроль iп situ и корректиро
вание изrотавливаемых элементов.
4. Процессы леrжо управляемы.
Примеры ИСПОJ1ьзования: lюрректирование фотомасок, прямая за
пись с изменяющейся rеометрией управляющих электродов, изrотовле-
ние омических контактов, элементов солнечной батареи на базе GaAs
[124] и т. д.
3.4.5.3. Очистка веществ. Очистка нещестн всеrда возможна в тех
случаях, коrда осуществляется селективное превращение примесей в ве-
ществе в такие соединения, которые леrче удаляются из OCHoBHoro Be
щества. Этот метод особенно подходит для получения особо чистых Be
ществ (например, исходных материалов для микроэлектроники, rде уже
примеси с содержанием 1 0 9 оказывают влияние на параметры элемен-
тов). Превращение вещества можно совершать с помощью фотофизиче
ских методов разделения изотопов (см. подраздел 3.4.5.1), при этом
используются различия в спектрах поrлощения различных веществ.
Примеры: очистка SiH 4 (важноrо исходноrо продукта для изrотов
ления полупроводниковых элементов) от примесей РН з , АrН з и В2Н6
при фотодиссоциации в одноступенчатом процессе с помощью АrF лазе-
ра (л 193 нм) [125]; очистка АsСl з (важноrо для микроэлек'i"РОНИКИ)
от примесей С 2 Н 4 С1 2 и СС1 4 при ИК мноrофотонной диссоциации с по-
мощью С02 лазера [126].
Для очистки атомарных вещrств (например, для ионной имплан
тации) унинерсально было бы применение селектинноrо двухступснча-
Toro возбуждения на уровень ниже rраницы диссоциации с последую
щей автоионизацией в импульсном электричеСIЮМ поле при использова-
нии непрерывно перестраиваемых по частоте лазеров [97].
3.4.5.4. Селективная лазерная биохимия. Возможности применения
различных селективных воздеЙСТВIIЙ лазерноrо излучения на молекулы
в Жидких растнорителях, необходимых для исследонаний на биомолеку-
лах in vivo, существенно оrраничены, поскольку релаксационные процес-
сы в жидкой фазе (время жизни электронно возбужденных биомолекул
составляет примерно 10 9 с, время колебательной релаксации менее
10 '] с). По этой причине необходимо применение пикосекуидных им-
пульсов [128]. Для активации прежде Bcero подходят процессы в ком-
бииационном поле излучения, а также ИК мноrофотонное поrлощение
(см. разд. 3.4.2).
3.4 5.5. Методы детектирования. В лазерной фотохимии на переднем
плане стоит задача превращения вещества и выработки методов для
будущеrо промышленнorо применения. Лазерные методы MorYT быть
применены для высокочувстнительноrо детектирования одиночных aTO
мов. молекул и молекулярных Соединений для изучения возбужденных
состояний и для исследования элементарных химичеСIШХ реакций.
Различные механизмы фотоионизации улучшают, например, качест-
во известных методов детектирования наряду с высок'ой селективностью
ионизации, прежде Hcero, за счет одновременной реrистрации несколь
I{их физических параметров. Как и при диссоциации, в двухступенча-
том IJроцессе можно сдвинуть ионизационный континуум атомов и мо-
леК)'JI в красную сторону и осущестнить возбуждение промежуточноrо
СОС'\'ояния с высокой селективностью. Этот метод ионизации оказывается
практичеСIШ универсальным, если для возбуждения использовать He
прерывно перестраиваемые по частоте лазеры.
3.4.6. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Наряду с процессами в rазовом фазе, рассмотренными в этом раз
деле, в дальнейшем будут приобретать все большее значение процессы
в rетерофазе.
До сих пор еще мноrие лазерные фотохимические процсссы Heдoc '
таточно выяснены. Несмотря на это, уже сеrодня можно предвидеть,
что технические применения лазерных химических методов из-за низкоrо'
КПД лазеров и их высокой стоимости в ближайшее время следует ожи ,
дать только в определенных областях, например при синтезе дорorих
соединений (для фармацевтической промышленности), при синтезе но-
вых материалов со специальными свойствами (например, твердые ма..
териалы), при изrотовлении катализаторов и разделении изотопов.
3.5. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В Биолоrии
И МЕДИЦИНЕ
3.5.1. ВВЕДЕНИЕ
Особые свойства лазерноrо излучеljИЯ привели сразу после реали-.
зации первоrо лазера к исследованиям вопроса применимости ero в био-
лоrии и медицине [129]. Они рассматривались l{aK диаrностические и те-
рапевтические средства, а также и как средства медико биолоrическоrо
исследования. С тех пор были достиrнуты значительные результаты, ко-
торые, однако, снова поставили MHoro новых вопросов.
ОСНU1JtiЫМИ признакам и живой природы является находящееся в ди-
намическом равновесии, оптимально приспособлениое к окружающей
среде и реrулируемое совместное действие реакционных цепей и циклов,
объединенных в общую сеть.
Их исследование и описание относятся к области биохимии, в KO
торой при исследоваиии как задач кинетики реакций, так и CTPYКTypHoro
анализа очень широко распространены активные (фотохимия) и пассив-
ные спектроскопические методы. Эти методы блаrодаря применению
лазеров MorYT быть улучшены по таким важным параметрам, как чув-
ствительность, спектральное и пространственное разрешение, и суше-
ственно расширены путем применения новых методов исследования [74].
Блаrодаря этому из-за мноrочисленных непосредственных возможностей
применения лазеры оказываются привязанными к химико-биолоrическим
проблемам.
3.5.2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
В МЕДИКО.БиолоrИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
И В МЕДИЦИНСКОй ДИАrНОСТИКЕ
3.5.2.1. Спектроскопические методы в химическом и медико.биолоrи
ческом исследованиИ. В химии лазер примеияется как спектроскопичес-
кое средство обнаружения и как источник возбуждения (см. разд. 3.3
и 3.4). При исследовании сложных биолоrических молекул возникают
специфические трудности [130]. Селективное воздействие лазерноrо из-
лучения на комплексные молекулы в кондеисированной среде является
мцоrообещающей перспективом для молекулярной биолоrии и тем са-
мым для биохимии. При этом очень трудно соблюдать различные ус-
ловия для достижения селективности возбуждеиия в течение промежут-
ка времени, достаточноrо для химических реакций. Устранение этих
трудностей возможно, по видимому, тремя способами [130, 156]:
посредством комбинации селективноrо Колебательноrо возБУ1Кдения
с последующим электронным возбуждением (двухступенчатое ИК
УФ-возбуждение) ;
посредством мноrофотонноrо колебательноrо возбуждения в интен-
сивном ИК поле;
посредством образования комплексов из пиrмента и биомолекул.
В первых двух случаях оказалось предпочтительным применение
пикосекундНых импульсов лазерноr.о излучения, чтобы молекулы, пре
1Кде чем начнется релаксаuия колебательной энерrии, поrлотили ДOCTa
точно MHoro энерrии. В третьем случае не всеrда требуются пикосекунд
ные лазерные импульсы, поскольку длительность излучения флуоресцен
ции пиrмента в комплексах часто лежит в наносекундном диапазоне.
Селективность достиrается с помощью двух лазерных импульсов ПОk
ходищей длительности и задержки относительно друr дрyrа при ДBYX
ступенчатой иониЗации (или диссоциации) [156, 157].
Друrой трудной проблемой является поrлощение ИI\ -излучения мо-
лекулами растворите,IJЯ, в биолоrии преимущественно Н 2 О. Важнейшие
биомолекулы являются очень сложными, как, например, ацетнл кофер
мент А, который имеет основополаrающее значение при промежуточном
обмене веществ.
Типичиыми примерами исследований с помощью лазерной спектро
скопи и являются:
1. Исследоваиие комплексов пиrмент ДНI\, которые возбужда с
лись лазерами на красителях Д.IJЯ флуоресценции (длительность им
пульса лазерноrо излучеиия лежит в наносекундном диапазоне, диа
метр фокальноrо пятна составляет примерно 1 мкм И, таким образом,
по порядку величины соответствует орrанеллам клеток). Спектральная
и временная обработка излучения флуоресценции дает информацию
о свойствах связи и последовательностях пар оснований ДНК Чаще
Bcero исследовались комплексы акридин ДНК [130, 156].
2. Ре аКтивация микроорrанизмов излучением лазера на красителе
после предшествующеrо 'Ф облучеиия. При облучении популяции толь-
ко УФ-излучением очень сильно возрастает скорость rибели клеток.
Однако если после УФ облучения происходит облучеиие длииноволно-
вым УФ-излучением и коротковолновым излучением видимоrо диапа
зона, то получается более НИЗI<8Я скорость rибели клеток, чем после
УФ-облучения. Это указывает на то, что последующее облучение длин
новолновым световым излучением активирует такие ферменты, которые
восстанавливают некоторые повреждения, вызванные предшествующим
УФ-облучением [131].
3. Спектры комбинационноrо рассеяния с высоким временным раз
решением цитохрома с, предпоследнеrо фермента цепи процесс а дыха-
ния, были зареrистрированы при использоваиии внутрирезонаторноrо
резонансноrо усиления комбинационноrо рассеяния [132].
4. Исследования световой фазы фотосинтеза с помощью измерения
нелннейноrо поrлощения хлорофилла. Хлорофилл iп vivo фотохнмиче-
скн активен, в то время как in vitro он фотохимически нейтрален. Уже
в хлорофилле молекулярной антенной системы имеет место накопление
энерrии излучения вследствие большоrо абсолютноrо эффективноrо
поперечноrо сечения поrлощения. Центры поrлощеиия хлорофилла
имеют относительно небольшое число молекул (примерио 102) [133].
Над выяснением элементариых процессов фотосинтеза работают
-: ..
::' ...
r&t f, ::, .. ..
:::::::: .:J: _.
: Ш{;,' Е
.:....::;
Рис. 3.33. Лазериая микрохирурrия на Живых клетках. Путем целена-
правленноrо облучения лазерным излучением в местах, отмеченных
стрелками, от опухолевых нервных клеток были отделены нейрнты
(съемка с помощью фазовоконтрастиоrо микроскопа) [135]
в нескольких институтах, причем применяются различные методы ла-
зерной спектроскопии [158, \i)9], как, например, спектроскопия лазерно-
микроволновоrо двойноrо резонанса и пикосекундная флуорометрия.
5. Исследование кинетики реакций кислорода различных молекул
rемоrлобина. Облучение излучением лазера на красителе с накачкой
импульсными лампами. (родамин 6G, л 580 нм, Е== 1 Дж) приводит
К диссоциации оксиrемоrлобина. Лазериый импульс вызывает фотосин-
тез 60 70 % молекул оксиrемоrлобина. Результаты показывают, что
должнь т уществовать две различиые раЗRОВИДИОСТИ rемоrлобина, ско-
рости реакций которых отличаются в 7 раз [134].
6. Исследования лучевой выборки, проводимые с помощью исполь-
зования лазера и микроскопа. На рис. 3.33 показаны опухолевые нерв-
ные клетки, из которых in vivo целенаправленно БыJIи отделены неври-
ты с помощью режущеrо излучения N 2 -лазера и юстировочноrо He-Ne-
JIазера в наrревательном сосуде. Таким образом ПОJIучается информация
о способиости нейтронов к реrенерации волокон. Далее были опреде-
лены пороrовые энерrии для повреждения нейронов и rибели клетоК
в результате об.'Jучения. На рис. 3.34 показана аппаратура, которая
характеризует уровень затрат при подобных исследованиях [135].
7. Исследование передаточных характеристик одиночных зритель.
ных клеток мухи с помощью светодиодов. Получают данные о емкости
канала в зависимости от интенсивности излучения и о lllирине полосы
этих приемников [136].
8. Классификация и сортировка клеток, бактерий и вирусов. Фирма
Spectra physics поставляет лазерную систему [137), которая идентифи-
цирует а!пивные к флуоресценции клеТlШ путем реrистрации рассеянно-
ro света и флуоресценции раствора, который был облучен излучением
aprOHoBoro лазера. Возбужденные клетки отделяются в электрическом
поле. Метод позволяет получить данные о форме, типе и природе !<ле-
ток. Фирма Block Engilleering [138] разработала лазерный измеритель
вирусов, который по измерениям рассеянноrо света, нарушенноrо пол-
Horo BHyтpeHHero отражения и флуоресценции выдает данные о форме,
концентрации, структуре и типе молекул ДНК или РНК Раствор с ви-
русами при этом облучается излучением арl'оиовоrо лазера. Результаты
обрабатываются на ЭВМ. Аналоrичный прнбор разработала друrая
фирма для лейкоцитов [139, 160].
'9. Иммунолоrические исследования методами флуоресцентной спект
роскопии (иммунофлуоресценция для определения и исследования анти
тел). Маркируются исследуемые сывороточные протеииы (антитело:
v-rлобулин) и лимфоциты с помошью красящеrо вещества, в большин-
.Стве случаев с помощью флуоресцеинов. Затем они возбуждаются по
возможности узкополосным излучением и оптимальной интенсивностЬЮ,
при KOTOpOl1 происходит насыщение флуоресценции. Спектральная
Рис. 3.34. Лазерный микроскоп для исследования методом лучевой BЫ
борки [135]:
1 УФ лазер (Nтлазер); 2 юстировочиый лазер (Не Nе лазер); 3 ориентиро
вание пучка; 4 промежуточная оптическая система; 5 микроскоп Лейтца; 6
пульт управления; 7 осциллоrраф; В телевизиоииая камера; 9 моиитор; 10
траисформаторы микроскопа для иаблюде"ия в проходящем свете и для работы
и отраженном свете; J1 реле для термостата; 12 стерилизуемый обоrрева
тельный бокс; 13 съемка живых rанrлиозНЫХ клеток методом фаЗОБоrо KOHT
раста .
и временная зависимости сиrнала определяют структуру антител. При
менение перестраиваемых наносекундных лазеров на красителях дает
по сравнению с ныне существуюшнм методом важные преимущества:
оптимальную интенсивность возбуждения, оптимальную длину волны,
отсутствие замирания флуоресценции и точное измерение времен зату
хания. С помошью существующих стандартных методов обнаружено
примерно 0,1 пr (10 7 MKr) ,\'-rлобулина (400000 молекул антител).
Оптимальная флуоресценция с лазерным возбуждением позволяет дo
стиrнуть предел чувствительности 1 а! (10 12 MKr; 10 молекул) [140_
183].
Подобные исследования осуществляются с ПОМОЩЬЮ лазерноrо мик
рофлуорометра (рис_ 3.35), который приrоден для различных исследо
ваний флуоресценции. Иноrда приборы поставляются без микроскопа,
но зато они оснащены спектральным прибором для анализа излучения
флуоресценции. Для BpeMeHHoro анализа в качестве фотоприемников
применяют быстродействующие фотодиоды, фотоэлектронные умножи
телн или электронно оптические камеры с щелевой разверткой, которые
применимы в пикосекундном диапазоне.
10. Исследования флуоресценции на биохимических препаратах
образуют прочиую основу исследований и практики в этой области. Полу-
чают даниые о структурах и кииетических свойствах образца в зави
сим ости от условий окружающей среды [162], например, при исследова
10
11
12
fi
13
lfj-
Рис. 3.35. Микрофлуорометр для исследования флуоресценции [161]:
1 моннтор: 2 блок сннхроннзацнн; 3 внешннй трнrrерный вход; 4 блок об-
работки снrнала; 5 азотный лазер; б лазер на красителе; 7 фотоднод; 8
светоделитель; 9 нейтральный фильтр; 10 ФЭУ; 11 отрезающий фнльтр;
12 ослабляющнй фнльтр; 13 делнтель пучка; 14 проба; 15 микроскоп
иии функциональиоrо состояния хроматина путем анализа времени за-
тухания флуоресценции [161], о пикосекундной флуорометрии диффузии
экситонов в хлорофилле зеленых растеиий, выполняющем функции
светособирающей антенны [159], исследования флуоресценции комплек
сов из пиrмента и биомолекул [156].
11. Очень важное применение [163], которое позднее может приве.
сти, по-видимому, к созданию клинико-диаrностическоrо метода (см.
подраздел 3.5".2.2), это il1 vivо флуорометрия важных ферментов при
обмене веществ, как, например, NAD (амидадениннуклеотид никотино-
Вой кислоты, который ВЫПО.;lНяет функции переносчика водорода (окис-
ЛИтельно-восстаиовительная система) в цепи пропесса дыхания. Спект-
ры поrлощения и флуоресцеиции окисленной и восстановленной форм
(NAD+ и NADH) четко различаются на длинах воли 250, 340 и 480 нм,
так что оба состояния можно хорошо различать посредством измере
ния поrлощения, отражения и флуоресценции исследуемых частей тка-
ни. Применяемая при этом аппаратура в основном состоит из азотноrо
лазера, лазера на красителе, оптических кабелей, фотоприемников
и электронных устройств для обработки данных. Помехи сиrнала флуо-
ресценции, возникающие из крови ткани, исключаются путем учета
длин волн поrлощения окисленноrо и восстановленноrо rемоrлобина.
Та;ШМ образом, становится возможным исследование внутриклеточноrо
il1 vivo (и iп situ) обмена веществ различных opraHoB человечес-
Koro тела.
Друrими спектроскопическими методами, применяемыми в биоло-
rии и медицине, являются:
субпикосекундная фотодиссоциация и спеКТРОСКОf!ИЯ с высоким
временным разрешением процессов рекомбинации в карбонмоноксиrемо-
rлобине [164];
обнаружение обусловленноrо микроокружением изменения неко-
торых остатков тирозина протеинов хрусталика В. «холодной» катарак-
те с помощью спектроскопии комбинационноrо рассеяния [165];
лазерный микроэмиссионный спектральный анализ с использовани-
ем лазера и миr<:роскопа, в котором микрообласть образца диаметром
примерно 1 мкм испаряется с помощью сфокусированноrо лазерноrо
излучения (большей частью твердотельноrо лазера), дополнительно
возбуждается поперечной искроЙ и затем анализируется в спектральном
приборе (например, LMA 1 и LMA 10 народноrо предприятия Car1 Zeiss,
Иена); в биомедицине интересна, rлавным образом, возможность об
наружения важных катионов, как, например, Na+, К+, Mg++, Са++
и микроэлементов; с помощью лазерноrо микроэмиссионноrо анализа
достиrнуты чувствительность 10 lЗ 10 15 r и пространственное разре-
шение несколько микрометров [143];
возбуждеиие и соответственно стимулирование излучеиия флуорес
ценции половоrо приманочноrо вещества самок мотыльков Trichoplusia
ni с помощью ИI\ лазера; эти исследования служат для выяснения ме-
ханизма обоняния, с помошью KOToporo самцы этоrо вида примаПiIВа
ются самками на значительном расстоянии, результаты исследований
привели к rипотезе о процессе восприятия, которая может дать объяс-
нение ВЫсокой чувствительности [141].
Приведенные выше данные показывают разнообразие областей
и осушествленных экспериментов. Наряду с обычными методами в био
лоrии и медицине применяются также современные методы лазерной
спектроскопии (см. разд 3.3). При решении различных проблем пре
имущественно при меняются перестраиваемые лазеры, в частности лазеры
на красителях [142].
3.5.2.2. Спектральные исследования в клинической биохимии. В кли-
нической биохимии в большиистве случаев необходимо обнаруживать
малые концентрации химических элементов, химических соединений, ви-
русов или бактерий, последние часто на основе продуктов их обмена
веществ В качестве материалов для исследования используются моча,
кал, мокрота, слюна, кровь, сшшно мозrовая жидкость, экссудаты,
транссудаты, плазма, сыворотка, желудочный сок, сок двенадцатиперст-
ной кишки, выдыхаемый воздух, части ткани и части клеток, часто
в очень небольших количествах, как, иапример, при биопсии Для коли-
чественноrо анализа в соответствин с различными методами разделе-
ния '(реакции осаждения, ОТфИJJьтровывание, центрифуrирование, элек-
трофорез, хроматоrрафия, экстракция и др.) используются классические
спектроскопические методы исследования: абсорбционная фотометрия,
флуоресцентная фотометрия, измерение рассеянноrо микроскопическими
частицами света (измерение мутности), пламенная фотометрия и микро-
эмиссионный спектральный Щ!аЛИЗ, а также атомная абсорбционная
спектрометрия. Практически все эти методы можно улучшить, при меняя
лазеры [74].
пример. Лазерный флуоресцентпый анализ xpoMaTorpaMM позволяет
обнаруЖИТЬ субнаноrраммы афлатоксиненов, которые встречаются
в корме и пищевых продуктах и являются канцероrенными метаболита
ми. До сих пор предел чувствительности обнаружения составлял 0,1
0,2 Hr, в то время как с помощью лазерноrо возбуждения чувствитель
ность можно улучшить примерно на порядок (0,2 0,02 Hr). Более вы-
сокая чувствительность получается как следствие КOI'ерентности
лазерноrо излучения, что обеспечивает малый размер фокальноrо пят
на и тем самым более высокую плотность мошности [144].
К описываемой области преимущественно относятся следующие
направления:
измерения поr,10щения и флуоресценции в продуктах электрофоре
тическоrо разделения компонент для количественноrо обнаружения
протеина на уровне субмикроrpамм;
исследование мета боли чески;;. связей в локальных субструктурах.
живой клетки с помошью быстрой микроспектрофлуорометрии [145];
резонансное комбинационное рассеяние на rемоrлобине;
резонансная спектроскопия комбинационноrо рассеяния на баК1'е
риородопсине с помощью перестраиваемоrо по частоте лазера;
кинетика Н D обмена в аденозине-5'-Р, аденозине 3', 5'-Р и по
лирибоадениловой кислоте с помощью лазерной спектроскопии камби-
национноrо рассеяния [146];
цитофлуорометрия с помощью импульсных перестраиваемых по ча
стоте лазеров [147];
спектроскопия с высоким BpeMeHHыM разрешением rемоrлобина и ero
комплексов с помощью световых субпикосекундных импульсов [148];
исследование быстрых структурных изменений в rемоrлобиие чело
"P 2 с пш,шщью лазерноrо фотолиза [149]; .
химическая кинетика и корреляционная спектроскопия флуоресцен-
ции [130]. .
3.5.2.3. Специальные методы диаrностики с помощью лазеров. Для
относительно быстроrо внедрения в практику перспеRтивны следующие
методы.
1. Экспресс-диаrноз для обменных процессов в живой ткани с по-
мощью лазеров. Для этой цели был разработан прибор, который рабо-
тает аналоrично известному в переизлучательной спектроскопии уст-
ройству для измерения спектра излучения, перерассеянноrо в предель-
ном уrле полноrо BHyтpeHHero отражения (рис. 3.36). Лазерный пучок
(в большинстве случаев излучение С0 2 -лазера) падает на АТR измери-
тельную призму таким образом, что он отражается в предельном уrле
полноrо BHYTpeHHero отражения на параллельных сторонах призмы.
2
"'q.
Рис. 3.36. Схема лазерноrо спектрометра на основе ослабленноrо пол-
Horo отражения (А TR аНепuаtеd total rеflесtiоп) [150]:
1 детектор; 2 АТR призма; 3 измеряемый объект; 4 лазерный луч
Объект измерения прижимается к одноЙ из параллельных сторон и по-
rлощает в зависимости от своеЙ поrлощательной способности часть
световых БОЛН, проникающих в оптически менее плотную среду при
полном внутреннем отражении. MorYT быть выявлены метаболиты,
спирты, холестерин, rлюкоза, мочевина и др., что может привести к бы-
строму диаrнозу опасности инфаркта миокарда, caxapHoro диабета, по-
даrры и т. д. АТН-призму изrотавливают из rермания, Irtran 2, Irtran 6
или I\RS5, если объеКтами измерения являются биолоrические образцы
или водные растворы. Сушественными преимушествами спектрометра
на основе АТR призмы являются [159] очень высокая чувствительность
(в 10'0 раз выше по сравн{,нию с традиционными методами), высокая
разрешаюшая способность, независимость от толшины слоя, незначи
тельная тепловая наrрузка на объект измерения. Этот метод предпоч-
тительно использовать ill vivo на биолоrических тканях.
2. Применение лазерной спекл-структуры для измерения сфериче
СКИХ и цилиндрических коррекций. Лазериая спекл структура позволя-
ет провести тестирование оптики rлаза. Малые отклонения от идеаль-
ной фокальной плоскости (сетчатка) переводятся в большие изменения
положения, а это дает прецизионный и быстрый метод соrласования
линз, при этом достиrнута точнuсть 1/8 диоптрии по сравнению с пред-
шествующими ступснями очковых стекол li4 диоптрии [151, 166, 167].
3. Испытание сетчатки, которая блокирована катарактой. I\orepeHT'
ный свет образует интерфереНЦllОННУЮ картину на сетчатке. Если па-
циент видит картину, то тоrда сетчатка hаходится в норме, операция по
улучшению остроты зрения себя оправдывает [151].
4. fолоrрафия в офтальмолоrии дает изображения раЗJtичных струк-
тур BHYTpeHHero rлаза. lv10rYT быть определены расстояния между ха.
рактерными точками [151]. .
5. Обычное измерение тока крови в rлазе с помощью доплеровско
ro меТОДа. Предшествующие методы по исследованию циркуляции
в rлазном дне требуют больших затрат окрашиваиия с помощью
флуоресцеина н высокоскоростной кинематоrрафии. С помошью лазера
можно осуществить более простой способ, т. е. измерение с помощью
лазерноrо доплеровскоrо измерителя скорости (см. разд. 4.2). KpOBeHOC
ные сосуды облучаются лазерным излучением. Реrистрируется И3Луче
Ние, рассеянное красными кровяными тельцами протекающей крови.
В качестве источника применяются rазовые лазеры; малые диаметр
лазерноrо пучка на пробе позволяет получить высокое пространствен-
ное разрешение [152, 153].
6. В лазерных нефелометрах используется рассеяние (рэлеевское
рассеяние и рассеяние l\;lи) лазерноrо излучения на (в большинстве
случаев находяшихся в жидкости) биолоrических микрообъектах для
получения информации о типе, форме, размерах, концентрации рассеи-
вающих частиц, а также о скоростях реакции [168 170].
7. Отражательная спектроскопия. Реrистрируя отражательные
спектры от здоровой и патолоrической тканей с использованием узко
полосных перестраиваемых по частоте лазеров, можно улучшить про-
странственное и спектральное разрешение и чувствительность. Эти ме-
тоды можно использовать прежде Bcero на ткани внутри тела (rлазное
дно и желудок).
8. I\омпенсация фазовых аберраций катаракты с помощью rоло-
rpафии. Существует возможность oCTporo зрения через статистически
рассеивающую среду помутневшеrо хрусталика за счет применения
rолоrpаммы рассеивающей среды в качестве фильтра. Блаrодаря этому
удалось улучшить разрешающую способность rлаза от 20/200 до 20/15.
9. Раннее обнаружение рака с помощью лазеров. С помощью ком-
бинации из бронхоскоп а , стекловолоконноrо кабеля, криптоновоrо ла-
зера возможно раннее обнаружение быстроrо paKoBoro размножения
в тканях леrкоrо, коrда пораженная масса клеток имеет размер при-
мерно 80 мкм, что соответствует примерно 250 MKr. При таких очаrах
болеЗни еще отсутствуют метастазы. Пораженную раком область можно
обиаружитЬ на рентrеновских изображениях, коrда диаметр очаrа бо-
лезНи составляет примерно 1 см. После принятия вещества в виде про
изводноrо rематопорфирина, который сразу же откладывается в paKO
вых клетках, их положение можно определить с помощью интенсивноrо
источника УФ-излучения. Излучение флуоресценции производноrо re
матопорфирина лежит в красной области спектра. С помощью этоrо
метода выясняется очаr paKoBoro заболевания, если он представляет
лишь комплекс примерно из десяти клеток [155].
10. Мноrообещающие диаI'ностические (и терапевтические, см. разд.
3.5.3) возможности являются следствием удобных свойств порфирина,
особенно производноrо rематопорфирина, который после внутривенноrо
введеиия селективно накапливается в опухолевой ткани. Производное
rематопорфирина представляет собой смесь веществ и содержит больше
10 компонентов. Производное rематопорфирина, смотря по обстоятель-
ствам, имеет максимумы IЮI'лощения излучения на длинах волн 405,
500 560 и 61 0 6Э5' нм. Для диаl'ноза возбуждение осуществляется
на длине волны 405 нм. Флуоресценция производноrо rематопорфирииа
имеет максимумы на длинах волн 630 и 690 нм. Эта флуоресценция ре-
rистрируется и позволяет провести раннее выявление рака. Блаrодаря
возбуждению производноrо rематопорфирина красным светом на дЛине
волны около 630 нм можно заметно повредить раковые клетки (см.
подраздел 3.5.3.4) [171].
. 3.5.3. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНСКОй ТЕРАПИИ
3.5.3.1. Введение. При взаимодействии лазерноrо излучения с био
лоrическим материалом можно вызвать специфические изменения тка-
ни, которые можно использовать для медико-терапевтических примене
ний. Эти применения, по существу, основаны на следующих механизмах
взаимодействия: ускорении термохимических процессов, инициировании
фотохимических реакций и получении механических эффектов.
В большинстве случаев точная классификация невозможна, проте-
кающие'процессы часто приводят к одинаковому конечному результату
или взаимно влияют друr на друrа. В табл. 3.24 приведены характерные
лазерно индуцированные механизмы воздействия, важнейшие результи-
рующие реакции ткани и возможные терапевтические применения. Отсю
да вытекают основные области применения лазеров в медицине:
термическая лазерная хирурrия (коаrуляция, рассечение тканей,
испарение) ;
нетермическая лазерная микрохирурrия на основе оптическоrо
пробоя;
фотохимиотерапия (PRT p11Oto radiation t11erapy) опухолей.
Медицинское применение лазера (в большинстве случаев He-Ne
лазера) для биостимуляции (например, заживление ран, лазерная aKY
пунктура) требует специальноrо рассмотрения, поскольку механизм
взаимодействия еще не полностью выяснен. Кроме Toro, терапевтический
эффект этоrо метода является еще очень спориым, хотя часто сообща-
ется об успешном лечении [150, 174, 175) 177].
Т а б л и ц а 3.24. Механизмы воздействия, реакции ткани и возможные
применения лазера в медицине
Лазерно-нидуцироваииыli I Рез у льтат (р еа кц ня ткани ) I терапеВТИ н Ч ен еС и К е ое приме
механизм воздействия
Термохимические про-
цессы
Неспецифические
термические процес
сы: деактивация и де-
натурация, испарение
Селективная деак-
тивация и денатура-
ция
Рассечение ткани
Лазерная хирурrия
(коаrуляция, рассече
ние тканей и opraHoB.
испарение)
Фотохимеотер апия
(некротизация)
Лазерная хирурrия
(рассечение тrсаней и
opraHOB). Нетермиче
ская микрохирурrия
Фотохимические peaK
ции
Механические эффек
ты вследствие образова
ния пузырьков пара и оп
тическоrо пробоя
3.5.3.2. Термическая лазерная хирурrия. О с н о в н ы е п о л о ж е
н и я. При достаточно БолыI1хx потоках излучения HarpeB ткани, вы-
званный поrлощеннем излучения, приводит к термической денатурации
и (или) деактивации протеина и фермента (термокоаrуляция) или
к испарению материала. Возникающие вследствие этоrо возможности
коаrулирования, резания и испарения в настоящее время образуют
важнейшую область применения лазерной техники в медицине. Для
описания еще малоисследованных тепловых эффектов при лазерном
облучении оправдала себя простая модель на основе поrлощения, pac
сеяния, переноса тепла (теплопроводность, конвекция), а также TepMO
химических реакций ткани [150, 157, 172, 175].
Если лазерное излучение с радиальным распределением интенсив-
ности излучения 1 (/.) проникает в биолоrическии материал, то интенсив
ность уменьшается вследствие поrлощения излучеиия с расстоянием z
от поверхности по закону Ламберта Вера:
1 (т, z) 1 (т) ехр ( az). (3.68)
Коэффицнент поrЛощения а (или rлубина проникновения zE==
l/а) зависит от длины волны лазерноrо излучения. Однако уравне-
ние (3.68), вообще rоворя, не выполняется, поскольку параметр мате-
риала а из-за разнородности биолоr ческой ткани ие является постоян-
ным, а может изменяться в процессе обработки. Кроме Toro, влиянием
упруrоrо рассеяния на распределение иНтенсивности 1 (/., 2) можно пре-
небречь только при сильном поrлощении, а при БОJ1ЬШИХ rлубинах про
никновения он становится решающим и должен учитываться. Поrло
щенная в объеме взаимодействия энерrия излучения переходит в конце
концов в reпловую. Выделяющуюся при этом в каждой точке простран
ства (r, z) (предполаrается цилиндрическая симметрия) в еДинице
объема и в единицу времени тепловую энерrию можно описать с по-
мощью тепловых источников q(r, z). Распределение тепловых источни-
ков Пропорционально интенсивности излучения, которая, в свою оче
редь, определяется поrлощением и рассеянием в точке (т, z): q{r, z, t)
aI(r, z, t).
Путем решения уравнения теплопроводности при известных пара
метрах материала [коэффициент теплопроводности 'Л' удел ная тепло-
еМКОСТЬ с и плотность р типичные значения для слизистои оболочки:
pc 4,19 Дж/(К,см 3 ), 'Л/рс I.3.10 а см 2 /с] можно вычислить темпера-
туру ткани т в зависимости от местоположения и времени t. Реакция
ткани в точке (r, z) является функцией температуры времени в этой
'Точке.
Последовательно MorYT возникать следующие эффекты:
ускорение физиолоrических процессов;
деrидрирование с обычно обратимым сморщиванием ткани;
необратимая денатурация белка (коаrуляция);
взрывное испарение воды ткани вследствие термомеханическоrо эф-
фекта, причем разрушается структура ткани;
терМОЛИЗ (обуrливание);
испарение материала ткани.
Для эффективности лечения лазерным излучением решающим яв-
ляется размер необратимо поврежденной области ткани. При лазерном
рассечении ткани зона коаrуляции резаных краев должна быть такой
ширины, чтобы был обеспечен бескровный рез, а послеоперационное
заживление раны не должно задерживаться. Для эффективноrо cBep
тывания и запустения также желательно иметь более rлубокий некроз-
ткани.
[Lелесообразность применения лазера (резание или коаrулирование)
можно оценить на основе распределения тепловых источников, сильно
вависящеrо от поrлощения в ткани. На рис. 3.37 схематически пока-
заны такие распределения для двух предельных случаев.
1. В случае сильноrо поrлощения ткани (рис. 3.37, а) лазерный
луч действует как плоский тепловой источник (или точечный источник
!:р: сфuкусированном пучке), который охватывает области, располо;
/
а
5
fl.УЧ
А 1
ЛУЧ
il 2
r
,.
Ткань
\
. ,
\ "
\ z
'...........-'
I .
/
,,/ : (r,z)
./
z
сильное ПО2ЛОU4ение
незначительное Рассеяние
r- слаоое
значитеЛЬное
РИс. 3.37. Распределение тепловых источников q (r, z) в ткани при
большом (а) и маленьком (6) коэффициентах поrлощения
женные вблизи поверхности, а I1Х боковая протяженность в значитель-
ной степени совпадает с диаметром лазерноrо пучка. Поскольку энер
rия лазерноrо излучения преобразуется только в весьма тонком по
верхностном слое (ZE) , то уже при относительно низкой мощности
лазерноrо излучения хорошо проявляется эффект удаления ткани (ис
парение, сублимация), т. е. режущее действие. Термическое повреждение
близлежащих тканей происходит только за счет теплопроводности,
которая в биолоrических тканях невелика. Поэтому омертвляется толь
ко тонкая краевая зона вне области разреза. С помощью расфокуси
pOBaHHoro пучка можно коаrулировать, правда, более значительные
поверхностные области, однако достаточноrо по rлубине действия мож
но достиrнуть за счет более СИЛЬНОй тепловой наrрузки (термолиза) на
приповерхностную область.
2. При малых коэффициентах поrлощения, напротив, действие ла
зерноrо облучения адекватно действию объемных тепловых источников
(рис. 3.37, б). Заслуживающим внимание является то обстоятельство,
что '8 результате обратноrо рассеяния тепловое воздействие испыты
вают также области вблизи поверхности, расположенные вне непо
средственно облучаемых участков. Поскольку энерrия излучения pac
пределяется по большому объему взаимодействия, то в этом случае
имеет место образование обширноrо неКР0за ткани. Напротив, эффект
удаления ткани при относительно высокой мощности лазерноrо излу
чения незначителен.
. Для резания.И испарения должен использоваться лазер, излучение
KOToporo сильно поr лощается обрабатываемой тканью.
Для коаrулирования и rлубокоrо омертвления следует выбирать
.'Iазерное излучение с незначите.IIЬНЫМ поrлощением в ткани.
Друrими критериями, влияющими на выбор подходящеrо лаЗtра,
являются:
максимально rенерируемая мощность или энерrия (скорость pe
зания) ;
возможность rибкой передачи излучения без зиачительных потерь;
экономические факторы (эксплуатационные и инвестиционные pac
ходы).
При м е н я е м ы е и с т о ч н и к и л а з е р н о r о и з л у ч е н и я.
В настоящее время преимущественно применяются мощные непрерыв
ные лазеры, действие излучения которых можно хорошо реrулировать
по пространству и времени. В табл. 3.25 в порядке их значения приве
дены наиболее распространенные типы лазеров:
rазовый С0 2 -лазер;
твер дотельный N d - ИАr лазер;
ионный rазовый лазер .(Ar+, Ю'+).
Излучение различных длин волн трех лазеров имеет сильно раз
личающиеся коэффициенты поrлощения в ткани, которые определяют
наиболее целесообразные области применения.
Кроме Toro, следует принимать во внимание некоторые важные
особенности эксплуатации различных лазеров.
1. Для мощных медицинских лазерных приборов необходима си-
стема надежной передачи излучения с малыми потерями от лазера
к оперируемой области. Для aprOHoBoro и Nd-ИАf-лазеров существуют
световолокна, которые позволяют передавать с малыми потерями весьма
высокие мощности и тем самым позволяют использовать лазер также
в местах, которые являются труднодоступными для друrих средств
(например, полости тела).
. 2. Напротив, в настоящее время излучение С0 2 -лазера можно пе-
Т а б л и ц а 3.25. Важнейшие свойства применяемых в медициие лазеров
Параметр СО2 лазер Nd ИАr-ла- I Арrоно ый лазер
зер
Длина волны, мкм 10,6 1,06 0,5
Типичная выходная мощ 100 60 IOO 3 1O
ностЬ, ВТ
КПД % 10 0,.1.
Коэффициент поrлоще
ния, CM l
апечени, ПОЧКИ 200 12 15" 50 6()
ажелудка 9* 28
аводы 950 0,29 2,3.1O 4
rибкое управление пуч- Управление Одномодо- ОДНОМОДОБЫЙ
кОМ пучком С по- вый воло волоконный
мощью пово конный световод
ротных световод (кварц,пластик
зеркал** (кварц)
* I(оэффициент экстинкции; истинное значение а после вычета составляю
щей, обусловленной рассеянием, еще меНЬШе.
** Стекловолокно для ИI(-диапазона находится в стадии разработки.
редаватъ с помощью относительно дороrих систем шарнирно YCTaHOB
ленных зеркал (манипуляторов). .
3. В настоящее время разрабатывютсяя rибкие световоды ДЛЯ
10,6 мкм, так что в недалеком будущем можно ожидать эндоскопиче.
ски хирурrическое применение С0 2 -лазера.
О б л а с т и при м е н е н и я раз л и ч н ы х т и п о в л а з 'е.
ров. С0 2 ла з е р. Из-за равномерно большоrо поrлощения на длине
волны 'A 10,6 мкм (мяrкая. ткань состоит на 80 % из воды) С02 лазер
применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для ре.
зания и испарения во всех хирурrических операциях. Режущее действие
сфокусированноrо лазерноrо пучка основано на взрывном испарении
внутри- и внеклеточной ВОДЫ в области фокусировки, блаrодаря чему
разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к xa
рактерной форме краев раны. В узко оrраниченной области взаимодей
ствия температура 100 ос превышаеl'СЯ лишь тоrда, коrда достиrнуто
обезвоживание (испарительное охлаждение) [150, 157]. Дальнейшее по
Бышение температуры приводит к удалению материала путем обуrли.
вания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образу
ется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некроти-
ческое утолщение толщиной 30 40 мкм. На расстоянии 300 600 мкм
уже не образуется повреждение ткани. В зоне коаrуляции кровеносные.
сосуды диаметром до 0,5 -1 ММ спонтанно закрываются. Соответствую.
щее «заваривание» лимфатических путей в настоящее время еще оспа
ривается [170, 157).
Лазерный скальпель имеет следующие преимущества по отноше
нию к обычным способам резания (скальпель, ВЧ-нож);
абсолютно свободныЙ от соприкосновения процесс обработки;
спонтанная коаrуляция разрезанных кровеносных сосудов (диамет-
ром не более 1 мм) на краю разреза;
точное управление лазерным лучом в пространстве и во времени
при минимальном повреждении окружающих областей.
Это обстоятельство приводит к следующим последствиям:
исключению заражения лазерным скальпелем;
отсутствию образования и распространения раздражения при вме-
шательстве на сердце и мозrе;
возможности резания очень мяrких частей ткани без их фцксиро-
вания;
значительному уменьшению потери крови (70 90 %) по сравне-
.нию со скальпелем;
получению превосходноrо инструмента для микрохирурrии;
незначительной послеоперационной боли.
Недостатки лазерноrо реза:
'Высокие аппаратурные затраты;
существенно более низкая по сравнению со скальпелем скорость
резания, которая только отчасти возмещается более простым и менее
трудоемким очищением раны (остановка кровотечения);
замедленное заживление раиы по сравнению с разрезом с помощью
,скальпеля как следствие термонекроза зияющих краев реза [157] (од-
нако по сравнению с разрезанием ткани с помощью ВЧ-ножа более бы-
строе заживление);
обработка вблизи больших образований, которые следует щадить,
оказывается проблематичной, поскольку rлубина реза плохо контро-
.JlИруется.
Поэтому СО2 лазер в основном применяется при [157, 169 171,
174):
оперативном вмешательстве на больных с нарушением кровотече
1ШЯ и свертывания;
хирурrии и микрохирурrии в полостях тела, например в rинеколо
тии (заболевание шейки матки, влаrалищной части шейки матки, вла-
rалища и вульвы, в частности при предраковых состояниях ткани
больноrо) и в области rорла, носа и уха (в том числе удаление опухо-
-лей на rолосовых связках);
неЙрохирурrии (например, удаление опухолей в чувствительных
-областях, как, например, ствол мозrа, средний мозr, спинной мозr).
Хирурrические устройства на основе С0 2 -лазера в настоящее вре-
мя предлаrаются в достаточно широком ассортименте (рис. 3.38). На-
'ведение лазерноrо луча в большинстве случаев осуществляется с по-
мощью системы шарнирно установленных зеркал (манипулятора),
,оканчивающейся инструментом со встроенной фокусирующей оптикой,
которым хирурr манипулирует в оперируемой области (рис. 3.38).
При использовании в микрохирурrии сфокусированный лазерный
луч направляется на поле зрения операционноrо микроскопа. Для по-
зиционирования точки попадания невидимоrо пучка С0 2 -лазера в боль-
шинстве случаев применяется коллинеарный луч Не-Nе лазера. Для
целей общей Хирурrии необходима мощность лазерноrо излучения от
50 до 100 Вт, для проведения микрохирурrических операций пример
-но 10 20 Вт.
N d ИАr л а з ер. При воздействии интенсивноrо излучения
Nd ИАf-лазера на биолоrическую ткань образуются достаточно rлу-
бокие некрозы (коаrуляционный очаr). Эффект удаления ткани и тем
самым режущее действие, напротив, незначительна по сравнению с дей-
ствием С0 2 -лазера (см. подраздел. 3.5.3.2). Поэтому Nd-ИАr лазер
Рис. 3.38. Клиническое црименение хирурrическоrо С02 лазера в rинеКQ-
лоrии (Шарите, Университет им. rумбольдта, БерлинjfДР)
применяется преимущественно для коаrуляциИ кровотечения и длЯ"
некротизирования патолоrически измененных областей ткани Почти во,
всех областях хирурrии [169]. ПоС!шльку к тому же передача излуче-
ния возможна через rибкие оптические кабели, то получаются особен-
но интересные примеНения Nd ИАf лазера в полостях тела.
Наиболее важными терапевтическими методами являются:
1) эндоскопическая фотокоаrуляция желудочно-кишечных крово-,
течений [150, 157, 169, 181]. Для остановки oCTporo кровотечения
в верхнем желудочно-кишечном тракте наряду с Nd-ИАf-лазером ус-
пешно применяется также арrоновый лазер, Однако из-за большей
(В 4 5 раз) rлубины проникновения излучения Nd-ИАr-лазера по
сравнению с aproHoBbJM с помощью Nd-ИАr'лазера лучше закрываются
Крупные сосуды (диаметром бо.'lЬше 1 мм) и тем самым останавлива-
ются очень обильные кровотечения (например, при варикозном расши-
рении вен пищевода). У коммерческих Nd-ИАr лазерных коаrуляторов
одномодовое волокио из кварца, которое вводится В канал для взятия
ПРоб стандартноrо эндоскопа, предназначено для rибкоrо управления
Пучком. Коаксиальный ОТНОСИТС"lЬНО волокна поток rаза защищает ди-
Стальный конец волокна от заrрязнения и одновременно свободно об-
дувает источник кровотечения. Оптимальная для коаrуляции доза об-
лучения составляет от 600 до 2000 Дж/см 2 (время облучения дости-
raeT 1 2 с).
Преимущества: отсутствие контакта с тканью, отсутствие потока
через ткань, визуальный контроль во время облучения, выСОкий кпд
(более 94 %).
Недостатки: высокие аппаратурные затраты, в настоящее время
.еще большая подверженность воздействию помех системы передачи;
2) эндоскопохирурrическое применение [173, 174, 179]. С помощью
аналоrичной техники (световолокно и эндоскоп) очень эффективно не-
кротизируется болезненно измененные области ткани желудочно кишеч
Horo тракта, трахеобронхиальной и мочеполовой систем (например.
трансуретральное разрушение опухолей мочевоrо пузыря, устранениЙ
сужений) .
Преимущества: связанный с малым риском альтернативный метод,
особенно при паллиативной терапии стенозирующих опухолей.
Недостатки: высокие аппаратурные затраты, в настоящее время
.еще большая подверженность воздействию помех системы передачи.
И о н н ы й r а з о вый л а з е р. Большая поrлощательная спо-
'l:обность rемоrлобина в сине зеленой области излучения aproHoBoro
лазера позволяет осуществить термическое воздействие иа кровотечение
(коаrуляция) или на обильно кровоснабжаемую ткань. Поскольку
излучение aproHoBoro лазера слабо поrлощается водой, то подобные
воздействия MorYT быть осуществлены также за слоем воды (например,
на rлазном дне).
Таким образом, основные области применения следующие:
1) фотокоаrуляция в офтаЛЬJ\Iолоrии [173, 182]. Этот метод зани-
мает прочное место в офтальмолоrии. После реализации первоrо мощ-
Horo лазера обычно используемая тоrда ксеноновая лампа была заМе-
нена частично сначала рубиновым лазером, а позднее aproHoBbJM или
криптоновым лазерами. По современной оценке для большей части
-спектра показаний достаточно KceHoHoBoro коаrулятора. Лазер явля-
ется более подходящим источником энерrии при всех вмешательствах.
при которых требуются сильно локализованные микроэффекты. В слу
чае, если диоптрические среды прозрачны и должиы обрабатываться
области, охваченные кровотоком, применяется арrоновый лазер. При
патолоrических помутнениях диоптрическоrо аппарата выrодно исполь-
зовать криптоновый лазер, работающий в красной спектральной обла-
сти [180].
Типичными областями применения являются:
воздействия на задний полюс rлаза, предпочтительно на зеленоЙ
линии Аr-лазера или Кr-лазера; преимущество лазерных коаrуляторов
основано на возможности коаrуляции небольших очаrов (примерно
.50 мкм) за короткие времена (50 100 мс);
коаrуляция препапиллярных (praepapi1larer) и интравитреальных
(iпtrаviirеа1еr) сосудистых пролифераций (наряду с хорошей фокуси-
руемостью преимуществом здесь является высокая поrлощательная
способность крови на длине волны aprOHoBoro лазера);
2) Эtiдоскопи-ческая фотокоаrуляция кровотечения желудочно-ки-
шечноrо тракта [150, 173, 181]; в основном здесь можно сослаться на
соответствующее описание, относящееся к N d -ИАr -лазеру; различия
возникают только из-за меньшей rлубины проникновения в кровь (при-
мерно 0,2 мм), оптимальная коаrУJlЯционная доза составляет от 150
до 500 ДЖ/см 2 (врсмя облучения несколько секунд); риск, связан-
'ный с перфорацией, существенно меньше, чем у Nd-ИАr-лазера; эффек-
тивность остановки кровотечения сравнима с эффективностью Nd ИАf
лазера, если источнИ!< кровотечения свободно обдувается потоком инерт
Horo rаза, однако при обильных кровотечениях определенно выrодно
использовать Nd-ИАr-лазер;
3) лечение поражения кожи [150, 173, 174]; лечение преимуществен-
но происходит путем целенаправленноrо запустения кровеносных co
судов. Для эффективной манипуляции лазерный пучок передается по
оптическому кабелю. Выбор параметров облучения зависит rлавным
образом от соответствующеrо показания лечения (типичная доза со-
ставляет 12 Дж/сМ 2 при .. 0,5 с и d 3 мм). Особенно блаrоприятные
результаты достиrаются при лечении Naevi flaттei, телеанrиэктазии,
Spider Naevi и rеманrиомы.
3.5.3.3. Нетепловая лазерная микрохирурrия. О с н о в н ы е по Jl о-
Ж е н и я. С помощью фокусировки излучения импульсноrо лазера мож-
но леrко получить такие высокие плотности мощности (более
1010 Вт/см 2 ), что В облученной ткани происходит индуцированный ла
зерным излучением оптический пробой (ионизация с последующим об-
разованием плазмы). Блапщаря этоМу в прежде прозрачной среде воз
никает нелинейное поrлощение лазерноrо излучения. Протекающий
в виде взрыва процесс оптическоrо пробоя связан с образованием ради-
ально расширяющейся ударной волны, которая приводит в непосред
ственной окрестности фокальноrо пятна к механическому разрушению
ткани. Основанная на этом нетепловая операционная техника [176]
имеет по сравнению с лазерным хирурrическим методом, описанным
в подразделе 3.5.3.2, ту особенность, что она не связана с поrлоща
тельной способностью оперируемоrо объекта, но особенно выrодно мо-
жет быть применена при обработке прозрачных биолоrических сред.
Техническая реализация и области применения.
Испытанные до настоящеrо времени применения относятся почти к He
инвазивным микрохирурrическим вмешательствам в передней части
rлаза, Т.е. в области хрусталика и переднеi1 части стекловидноrо тела
(капсулотомия, мембранотомия, синехиотомия, ирэдектомия, рассечение
спаек стекловидноrо тела, измельчение твердоrо ядра хрусталика).
Лазерный пучок, как и в лазерокоаrуляторе, фокусируется с OT
носительно большим уrлом сходимости (10 16°) в рабочей области
(диаметр фокальноrо пятна составляет 1 0 25 мкм).
Nd-ИАr лазеры применяются в двух режимах работы:
в режиме модулированной добротности tэнерrия Е 1...;.- 20 мДж,
длительНость импульса 10 15 нс);
в режиме синхронизации мод [энерrия Е 1...;.- 5 мДж, цуr пикосе-
кундных импульсов (5 10 импульсов длительностью 30 пс)].
. Несмотря на то что обе системы по терапевтическим результатам
сравнимы, более дороrостоящие лазеры с синхронизацией мод имеют
преимущества с точки зрения техники безопасности (малый риск, свя-
занный с возникновением оптическоrо пробоя, приводящеrо к выделе
нию энерrии импульса на сетчатке).
3.5.3.4. Фотохимиотерапия опухолей. О с и о в н ы е п о л о ж е н и я.
Желаемый терапевтический эффект (селективное разрушение ткани)
достиrается путем cBeToBoro облучения в комбинации с подходящей фо-
тосенсибилизацией. J\ilолекулы применяющихся фотосенсибилизирующих
веществ переводятся в результате поrлощения излучения в возбу)!{ден
ное (реактивное) состояние, в котором они затем вступают в химические
реакции с друrими биомолекулами клеточной системы, приводящие
в конце концов к разрушению ткани. В типичном случае протекают
в общем очень сложные химические реакции с участием молекулярноrо
кислорода, в результате чеrо происходит фотоокисление (фотодинами
ческий процесс).
т е х н и ч е с к а я р е а л и з а Ц и я и о б л а с т и при м е н е н и Я.
В качестве фотодинамическоrо сенсибилизатора особое значение полу-
чило производное rематопорфирина, поскольку это вещество преиму
щественно откладывается и (или) дольше накапливается в опреде-
.'IeHHbJx опухолях, чем в нормальной ткани. (На возможность диаrно-
стики опухолей на этом принципе указывалось в подразделе 3.5.2.3.)
Путем облучения светом подходящей длины волны (преимущественно
л"",610-7-635 нм) достиrается селективное разрушение фотосенсибилизи-
рованноЙ опухоли без повреждения нормальной ткани. Для достижения
по возможности KopoTKoro времени лечения применяются мощные ис-
точники света:
ртутные или ксеноновые лампы BbJcoKoro давления с фильтрами;
лазеры на красителях;
лазер на парах золота (л 628 нм).
Несмотря на то что фотохимическая терапия может быть прове
дена с помощью классических (HeKorepeHTHbJx) источников света, лазе
ры имеют технические преимущества (применение световодов) [156,
171, 173, 174]. В настоящее время еще не представляется возможным
дать полную картину этоrо МНОl'ообещающеrо лечения опухолей с ука-
занием клинической важности и спектра показаний.
Преимущества: лечение опухолей на ранней стадии, которые до
снх пор В полной мере не обнаРУJКивались и не подверrались лечению;
отсутствие побочных действий (за исключением непроблематичных,
примерно 30 дней продолжающейся общей фотосенсибилизации кожи).
Недостаток: из-за оrраниченной rлубины проннкновения KpacHoro
света можно лечить только плоские образования и образования, распо-
Jlоженные вблизи поверхности (однако вводя излучение через свето-
воды, можно увеличить rлубину лучевой терапии).
3.5.3.5. Вопросы техники безопасности. Во всех терапевтических ме-
тодах используются лазерные приборы максимальной степени опасно-
сти (лазеры 4 ro класса), прямой ИЛИ диффузно отраженный луч KO
торых представляет потенциальную опасность для rлаз и кожи, при
этом осложняющим является то обстоятельство, что С0 2 " и Nd ИАr-
лазеры rенерируют ИК-излучение, которое не поддается непосредствен-
ному контролю.
ПО этой причине при планировании и осуществлении лазерной те-
рапии необходимо предусмотреть соответствующие мероприятия (см.
разд. 5), которые обеспечивают безопасность не только непосредствен-
но вне операционноrо поля, но вне пациента и медицннскоrо персонала.
3.5.3.6. ПеРСПеКТИВЫ развития. Проведенные с помощью лазеров
исследования возмоЖных применений лазерноrо излучения в биолоrни
и медицине показали достойные внимания успехи. Существенно разви-
тые с помощью лазеров оптические методы, особенно в спектроскопии,
открыли новые пути в исследовании и диаrностике. В области лазерной
терапии разработаны разнообразные новые методы лечения. Однако'
их внедреНИе в клиническую практику является длительным процессом,
прн котором, прежде Bcero, необходимо выяснить два вопроса: явля-
ется ли метод более эффективным и более щадящим по сравнению
с известными методами и находятся ли технико-экономические затраты
в разумном соотношении с результатом лечения.
Поскольку в хирурrии уже имеются относительно дешевые и эф-
'фективные методы для разрезания и коаrуляции (скальпель, диатермия,
криотерапия), то трудоемкая и отчасти еще подверженная воздействию
помех лазерная терапия может добиться усР.еха только при совершен-
но определенных постановках проблем. В настоящее время в общем
применяютсЯ следующие методы:
лазерная фотокоаrуляция (офтальмолоrия, rастроэнтеролоrия);
лазерная микрохирурrия (ЛОР, rинеколоrия, невролоrия);
оперативная лазерная эндоскопия (rастроэнтеролоrия, брОНХолоrия
уролоrия) ;
лечение поражения кожи (дерматолоrия, пластическая хирурrия).
В клинической фазе испытаний находятся два новых, очень мно-
rообещающих метода: фотохимическая терапия опухолей инетепловая
микрохирурrия на переднем участке rлаза больноrо.
В настоящее время интенсиuно работают над улучшением сущест-
вующих и развитием новых методов. Большое значение MorYT иметь
проводимые в последнее время исследования. в области кардиолоrиче-
ских применений в виде лазерноrо катетера (тромболиз, лечение нару-
шения сердечноrо ритма).
3.6. ЛАЗЕРНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ
С И НТЕЗ
3.6.1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема освоения энерrии, выделяющейся при термоядерном
синтезе леrких ядер для мирных целей, является одноЙ из самых ак-
туальных, но одновременно и наиболее трудных проблем современноЙ
физики, над которой интенсивно работают свыше 30 лет во всем мире.
В первую очередь речь идет о тяжелых изотопах водорода дейтерии
(О) и тритии (Т). Реакции синтеза возможны, если кинетическая
эиерrия ядер так высока, что они MorYT преодолеть электростатические
силы отталкивания и сблизиться на расстояния примерно 10 13 см.
Термоядерный синтез имеет место уже сеrодня:
при внеземных условиях внутри мноrих звезд (например, Солнце);
в земных условиях в водородной бомбе.
Основные трудности, которые необходимо преодолеть, чтобы реа-
ЛIlзовать контролируемый ход процесса, обусловлены экстремальными
условиями, в которых протекает термоядерный синтез. Внутри Солнца,
например, параметры плазмы таковы: температура примерно 14.106 К
(соответственно 103 эВ), давление -примерно 2. 1015 Па и плотность
примерно 4. 102 r / см 3 .
Учитывая значение проблемы, управляемый термоядерный синтез
стремятся реализовать различными путями, причем в основном рассмат-
риваются два варианта: создание долrоживущей плазмы (t"" 1 с)
с относительно низкой плотностью (концентрация примерно 10" CM 3)
в больших объемах (примерно 102 м 3 ), которая удерживается с по-
мощью сильных маrнИтных полей ( 10 Т) (например, систем,Ы типа
токамак) , и получение короткоживущей, очень плотной плззмы в ма-
леньких объемах, которая удерживается за счет инерции, а ее HarpeB
осуществляется импульсами лазерноrо излучения, быстрыми электро-
нами или тяжелыми ионами.
К настоящему времени еще не ясно, какой из этих путеЙ приведет
к цели. Ниже рассматривается исключительно лазерный управляемый
'rермоядерный синтез [184 197].
3.6.2. ПРИНЦИП ДЕйСТВИЯ ЛА3ЕРноrо
УПРАВЛЯЕмоrо ТЕРМОЯДЕРНоrо СИНТЕзА
И ТРЕБОВАНИЯ К ЛАЗЕРНОй СИСТЕМЕ
В лазерном управляемом термоядерном синтезе сферическая ми
шень (диаметром 0,1 1 мм), которая содержит смесь дейтерия и три
тня, симметрично облучается по различным направлениям лазерным
излучением (рис. 3.39). Лазерное излучеиие поrлощается, и D T
смесь при этом наrревается до таких температур и сжимается до Ta
ких плотностей, что в микровзрыве инициируется желаемая термоядер
ная реакция. Протекающая реакция синтеза
D -+ т 4Не (3.5 МэВ) -+ n (14,1 МэБ).
(3.69)
В скобках указаны энерrии Q;-частиц (.Не) и нейтронов (п). Эти
энерrии в последующем должны быть использованы для технических
целей. Кроме Toro, сх частицы MorYT быть использованы для поддержа-
м
L
м
м
L L
М
М
L
м
Рис. 3.39. Процессы при симметричном облучении сферической мишени
т лазерным излучением L. Лазерное излучение поrлощается, и внешняя
часть мишени испаряется (М), ЧТО приводит К сжатию (К) ядра мишени
ния цепной реакции, в то время как нейтроны в rибридных реактораХ
(комбинация ядерноrо реактора и реактора термоядерноrо синтеза),
реализация которых оценивается оптимистически, вызывают расщепле
ние урана.
Необходимые для протекания реакции по уравнению (3.69) пара
метры плазмы определяются через критерий Лоусона: произведение
концентрации N высокотемпературной плазМЫ на время удержания или
существования .. этой плазмы должно превышать определенное зна
чение, а именно Кт; > 1014 cjCM 3 ; температура т плазмы должна дости
тать Т > 108 К.
Достиrнутые до сих пор экспериментальные значения ниже опре-
деляемых из этих условий.
Получение энерrии за счет термоядерных реакций, т. е. положи
тельный баланс энерrии для CYMMapHoro процесса, в основном опреде-
ляется следующими факторами:
1) КПД 11Lлазера;
2) коэффициентом усиления по энерrии К, т: е. коэффициентом,
показывающим, во сколько раз выделяемая при термоядерной реакции
-энерrия должна быть больше, чем энерrия Е лазерноrо импульса (К
зависит в основном от 11, рис. 3.40);
Рис. 3.40. Связь между КПД
11 лазера и коэффициентом уси-
ления по энерrии К [193]
0,5
,
1""
,
,
,
,
"
"
'1, %
5
0,05
102
103
1О Ч к
: E I
КПД Е Коэrprpициент КЕ КПД IX преооразоtlа
усиления ния эне р еиli (теПЛD
7азеоа по энереии К
rz (за счет синтеза) ооменник и т. о.)
I
I (E/rz) E (1 IX)KE I
t
Тепло
Зrprpектиtlность
IX К 1/'1
fЗ=(1 IX)К+ 1/rz 1
1
I
I
аКЕ EIrI..
I
+
Электрическая
энерВliЯ
Рис. 3.41. Схема энерrетическоrо цикла в реакторах синтеза с инерци
альным удержанием [193]
3) КПД 11 el дЛя преобразования в электрическую энерrию.
На рис. 3.41 показана связь этих величин в энерrетическом цикле
лазерноrо управляемоrо термоядерноrо реактора. Поскольку общее
производство энерrии определяется в виде ['l'JeIK (1j11L)]E, в то Bpe
Мя как часть энерrии, преобразованная в тепло, достиrает {(1 1')eI )К+
+[(1/11L) I]}E, эффективность общеrо цикла определяется коэффици-
ентом /3. указанным на рис. 3.41. Таким образом, при заданных значе-
ниях для 11el И 13 получается связь между 11LИ К (см. рис. 3.40). По-
скольку КПД до сих пор преимущественно используемых лазерных
систем имеет низкое значение (Nd-лазер: 0,2 %; С0 2 -лазер: 2 10 %)
требуемые значения К у подобных систем лежат очень высоко. Это
обстоятельст,во требует реализаuии по возмОЖности эффективиоrо вза-
имодействия лазерноrо излучения с мишенью (большое поrлощение,
большая компрессия и др.).
Лазерные системы состоят в основном из задающеrо [енератора,
эдементов для формирования временнбrо и пространственноrо профи-
Jlей интенсивности излучения (ячейки Поккельса. фильтры пространст-
венных частот, аподизирующие фильтры), системы усилителей, элемен-
тов для подавления усиленноrо спонтанноrо излучения и для развязки
обратноrо действия мишени на лазерную систему (вентили Фара,l!ея),
а также системы фокусировки.
В качестве лазерной системы преимущественно применяются:
1) Nd-лазер с длительностью импульсов в наносекундном и пико-
секундном диапазонах. Выходное излучение задающеrо [енератора
усиливается в параллельных усилительных каскадах (это необходимо
из-за оrраниченноrо съема энерrии и предела лучевой прочности актив-
ной среды для достижения высокой энерrии). Советская система «Дель-
фин» имеет иа выходе 216 пучков (усилители выполнены на активных
элементах цилиндрической формы), каждый диаметром 45 мм, и сум-
марную энерrию 10 кДж при длительности импульса 2.10 9 с. Это из-
.'Iучение фокусируется на мишень 300 500 мкм. Американская система
NOVA имеет 10 усилительных каналов, которые в основном выполне-
ны с дисКовыми усилителями с большой апертурой. Эиерrия составля-
ет 100 кДж при длительностях в наносекундном диапазоне. Японская
система GEKKO имеет на выходе до 20 кДж на длине волны 1,06 мкм);
2) С0 2 -лазер. Японская система LEKKO имеет суммарную энерrию
10 кДж при длительности импульса 1 нс.
Затраты на реализацию лазерных установок очень велики. Их па-
раметры, однако, еще недостаточны для термоядерноrо синтеза, так
что уже в настоящее время проектируется или сооружаются более мощ-
ные установки (табл. 3.26).
Обсуждается также применение эксимерных лазеров (как, напри-
мер, KrF-лазера, см. разд. 2.6) из-за их более коротких длин волн
и достиrаемых с ними высоких КПД. В Лос-Аламосе, США, строится
KrF-лазерная система с энерrиеЙ 3 кДж и длительностью импуль-
са 1 нс.
3.6.3. ВЗАИМОДЕйСТВИЕ ЛАЗЕРноrо ИЗЛУЧЕНИЯ
С ПЛАЗМОЙ
При взаимодействии лазерноrо излучения с мишенью наиболее
важными являются:
свойства лазерноrо излучения, в частности энерrия, длительность
импульса и ero форма, длина волны и расходимость (из-за необходи-
мости фокусировки), а также KorepeHТAocTb излучения;
форма, состав и размер мишени, которые в значительной степени
определяют механизм сжатия;
знание физических процессов при поrлощении лазерноrо излучения
(см., например, [187];
Т а б л и ц а 3.26. Обзор некоторых больших установок лазерноrо
термоядерноrо синтеза [185, 188, 197]
.. I
. CQ !Е :а
Е--< 1:::(
'"
Установка (название! л :<: gca " ОсобенностИ,
Ь о
местопо.>lOженне) '" "'" '" прнмечания
о '" "'" '"
о: ... "'''
::r "" "'>' о:
CIJ 0:<::
о: ":>!
(1) 1:::(", I:::(::s
Nova 100 100 O,I 3,0 1,06 2{Ю 300 r/CM 3
(Ливермор /США) 0,53
Zeus 10 000 10 1,0б Компрессия
(Ливермор /США) 1985 1990, запла-
нирована до
1990 r. д.JJЯ экс-
15 O,03 1 ,0 плуатации
Omega 4 1,06 1010 неЙтр.
(Рочестер /США) 0,53
0,35
Gekko 40 20 O,I I,O 1,0б 10 100 r/CM 3
(Оса ка/Япония) 0,53 Компрессия
«Дельфин» 33 10 0,2 3,O I,Об
(Москва/СССР) 3,6 .
Vulcan 1,2 O,I I,O 1,06
Рf'. ерфорд! Апr-
лия)
Octal 2 1 O,I l,O I,Об
iIlолитехническая
школа/Франция) -
Asterix IV 2 0.3 12 1,315
(rархинr/ФР[) 0,658
0,438
Antares 1 40 40 1 10,6 20 r/CM 3 , компрес-
(Лос-Аламосf сия (1983 r.)
США )
Lekko VIII 10 10 1 10,6
(Оса ка/Япония)
знание условий для устоЙчивоrо сжатия мишени;
развитие методов диаrностиКи плазмы и мишени.
Поскольку диаметр мишени лежит в области O,1 I мм, а дли
тельность импульса лазерноrо излучения составляет примерно 1.10 9 с,
-то диаrностика оказывается крайне сложной, так как необходимо иметь
Пикосекундное разрешение в микронных размерах [194].
Относительно взаимодействия с мишенью в основном можно выде-
Лить два направления развития, которые при различных условиях (ин
тенсивность лазерноrо излучения, длительность импульса, структура
Мишени) приводят к сжатию мишени:
взрывное обжатие (режим «взрывающеrося поршня»), при котором
Применяются более короткие длительности импульсов (не более 100 пс)
и более высокие интенсивности' (более 1015 Вт/см 2 ). Используемые при
этом мишени представляют собой наполненные D Т смесью микрообо
лочки (в общем случае из стекла). Лазерное излучение поrлощается
в тонком слое (примерно 1 мкм) стеклянноЙ микрооболочечной мише
ни. В этом режиме поrJющение энерrии лазерноrо излучения происхо-
дит так быстро, что стеклянная оболочка взрывается, что приводит
к сжатию D Т смеси.
Абляционное сжатие, при котором ИQПОЛЬЗУЮТСЯ более длинные
импульсы лазерноrо излучения (более 1 нс) и более низкие интенсив-
ности (менее 1015 Вт/см 2 ). В этом случае при взаимодействии лазерно-
[о излучения с мишенью испаряется материал, который разлетается
радиально наружу, и вследствие отдачи внутренняя часть мишени
СЖимается (принцип деЙствия ракеты). С помощью этоrо режима, ко-
торыЙ в настоящее время преимущественно используется, достиrают
сжатие мишени больше чем в 103 раз.
Для устойчивоrо сжатия мишени необходимы по возможности paB
номерное ее облучение и точная сферическая форма мишени при co
блюдении определенноrо отношения радиуса мишени к толщине стенки.
При ПОДХОДящих условиях по возможности должно быть достиr-
нуто поrлощение энерrии лазерноro излучения плазмой, равное 70
90 % (до сих пор поrлощение лазерноrо излучения на длине волны
'Л 1,06 мкм достиrало примерно 40 %). Принципиальное значение, ко-
нечно, имеют такие прямые процессы, которые приводят к HarpeBY
плазмы или противодействуют HarpeBY (например, отражение лазер-
Horo излучения плазменной короной). Эти процессы подробно рассмот-
рены в указанной литературе, важнейшие из них, приводящие к поrло-
щению, следующие:
обратное тормозное излучение (прежде Bcero, при пониженных ин-
тенсивностях) ;
резонансное поrлощение;
... 100
.:!::
t
-<> 1O 2
r::
'-'
'"
lО- ч
t::;
о 100
Расстояние от поВерхности I-шшени, МКМ
100
.....
""
....:..
о -<
10-«
10-1,. .
I
Рис. 3.42. Схематическое изображение процессов в лазерной плазме
[187] :
1 фронт ударной волны; 2 фронт тепловыделення; 3 абляционный поток;
4 плаэменные волны; 5 лзэерноеиэлучение; б Ре критическая плотность;
7 отражение; 8 предварнтельный HarpeB rорячими электронами; 9 нзчальное
положение поверхности мишенн; 10 столкновительное поrлощение
параметрические эффекты, при которых лазерное излучение воз
буждает волны в плазме, распад их приводит к HarpeBY плазмы.
В увеличение отражения лазерноrо излучения, напротив, вносят
вклад нелинейные процессы (см. разд. 3.2):
вынужденное рассеяние Мандельштама Бриллюэна (при взаимо-
действиИ с ионно звуковыми волнами);
вынужденное комбинационное рассеяние (при взаимодействии с
электронными волнами).
Подробиое исследование взаимодействия этих механизмов и их
зависимОСти от параметров плазмы и лазерноrо излучения (в частно
сти, от интенсивности, длины волны, длительности импульса излучения)-
в настоящее время является предметом интенсивных исследований.
На рис. 3.42 схематически показаны процессы в плазме, получен-
ной под воздействием лазерноrо излучения. Параметры относятся к ин-
тенсивнОСТи лазерноrо излучения 1015 Вт/см 2 и длине волны 1 мкм.
Буквы а, Ь и с обозначают области абляционноrо давления, пред
варительноrо проrрева мишени и cBeToBoro давления [187].
3.6.4. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
На пути к реализации лазерноrо управляемоrо термоядерноrо сиН
теза необходимо решить еше MHoro проблем, как чисто научных, так
и научно технических.
По современным представлениям энерrия лазеров 1 05 1 Об Дж при
длительностях импульсов в диапазоне 10 9 с может привести к reHe-
рации энерrии 109 Дж. По проrностическим высказываниям считается,
чf() до 1990 r. может быть достиrнуто состояние так называемоrо
Scientific break even (т. е. коrда энерrия лазерноrо излучения, ис-
пользуемая для облучения мишени, равна энерrии, rенерируемой при
синтезе, К 1) и что первая термоядерная электрост нция должна иа..
ходиться в стадии экспериментальноrо излучения до 2010 [. Для реа..
лизации режима Scientific break even требуются примерно 10 1б нейт..
ронов. Максимальные значения, которые были получены эксперимен..
тально на установках NOVA и GEKKO ХН, составляют 1013 нейтроиов.
Ясно, что исследования, связанные с реализацией термоядерноrо
синтеза, дают новые знания о взаимодействии интенсивноrо лазерно-
[о излучения с веществом и о поведении вещества при экстремальных
условиях.
Эти знания уже в настоящее время позволяют получить KOHKypeH
тноспособную или совершенно новую «не для термоядерноrо синтеза»-
плазму для различноrо назначения:
мощные точечные и кратковременные источники peHTreHoBcKoro
излучения в диапазоне килоэлектрон-вольт (выход до 10 %);
рентrеновский лазер с активной средой плазмой, создаваемой
излучением лазера;
источники высокозаряженных ионов (до Z""40); получение высо-
ких давлений (до 300 ТПа); ускорение макрочастиц (примерно 1 r)
до скоростей примерно 100 км/с за несколько наносекунд.
4. ПРИМЕНЕНИЕ JIA3EPOB В ТЕХНИI(Е
Уже через иесколько лет после создания первоrо лазера он нашел
lIрименение в технике, а в настоящее время идет дело к промышленно-
му применению. Это внедрение ввиду потеНI1Иальных возможностеи.
применения лазеров находиТся еще на начальной стадии. Возможности
применения основаны на особых свойствах лазерноrо излучения, преи.
мущественно на высокой плотности энерrии, связанной с возможностью
фокусировки (применение при обработке материалов), монохроматич-
iЮСТИ (применение при передаче информации, метролоrии).
4.1. ОБРАБОТI(А МАТЕРИАЛОВ [1 38]
4.1.1. ВВЕДЕНИЕ
Для сварки, резки, сверления, плавления, скрайбирования, закалки,
rравировки и повышения качества поверхности используется то обстоя-
тельство, что монохроматическое лазериое излучение оптически может
быть сфокусировано в пятно с очень маленьким диаметром, при этом
т а б л и ц а 4.1. Свойства лазерных пучков, определяющие преимущества
при обработке материалов
Свойство
Преимущества
Высокая плотность пото
ка излучения
Неконтактный нмрев
Параллельность и проз
рачность для нормаль
ных условий окружа-
ющей среды
Отсутствуют заrрязнения
Источником тепла явля
ется лазерный луч
Небольшая зона проrрева, узкая область
тепловоrо Воздействия; отсутствие механи-
ческой деформации; уменьшение химических
изменений (например, обrорание)
Отсутствие ИЗНОСа инструмента, поэтому
остается постояииым качество при обра
ботке; возможна резка очень мяrких мате-
риалов (текстильные изделия, изделия из
пеноматериала); возможны работы в опре-
деленной атмосфере (воздух, в атмосфере
rаза, вакууме); обработка в труднодоступ
ных местах
Возможно применение на большом pac
стоЯниИ; отсутствие ослабления мощности
лазерноrо излучения в воздухе
Наrреваются высокореактивные и очень
чистые вещества
С помощью оптических элементов можно
направить относительно просто лазерный
луч в любое место обрабатываемоrо изд
лия; высокая точность позициоиирования;
простая связь с автоматическими обрабаты-
вающими системами; энерrию лазерноrо из-
лучения можно просто с высокой скоростью
выключать и включать
достиrается очень высокая плотность энерrии и мощности. для ОDра(:ют
ки материалов необходимо определенное взаимодействие с веществом
(табл. 4.1). Решающей величиной при обработке материала является
доля поrлощения лазерноrо излучения. Поrлощение лазерно:о излуче-
ния зависиТ от длины волны излучения, температуры, своиств Maтe
риала.
В зависимости от температуры, достиrаемой на поверхности, Mory-r
применЯТЬСЯ следующие технолоrии:
тепловая обработка, тепловой удар
То < ТБ;
сварка, переплавка, поверхностное леrирование
ТБ ;;,то Tv;
резка, сверление, фрезерование, скрайбирование, подrонка, дина-
мическое уравновешивание, удаление материала
То> ТБ,
rде т о температура на поверхности материала; Т s температура
плавления; Т v температура испарения.
Лазерная обработка наряду с друrими используется для следую
щих ПрЮIOжений.
Сварка
часовые спиральные пружины;
пылезащитные крышки на шарикоподшипниках;
выводы диодов, выводы реле;
миниатюрные двиrатели;
миниатюрные МОДУЛИ на печатных схемах;
выводы для солнечных элементов;
круrлые швы на тепловыделяющих элементах из циркониевоrо
сплава;
тонкие медные провода у роторов;
rерметичная линейная сварка rазонаполненных сосудов;
пластмассовые оболочки усложненной формы;
малоrабаритные детали в точном приборостроении (соединения
лист лист, проволока проволока, проволока лист);
сварка плотным швом электростимулятора сердца и корпусов aK
кумуляторов;
сварка с rлубоким проплавлением в области толщин 25 мм для
деталей, используемых в авиации и космонавтике.
Резка
заrотовКи из алмаза;
формы из керамических ПОДJJожек;
фасонная резка дерева (штамповочный инструмент для изделиЙ из
картона) ;
текстильная ткань (фильтровальная ткань, швейная ПрОМЫШ,lJеи--
ность) ;
резка малых толщин (техника кондиционирования воздуха, авто-
Мобильная промышленность);
резка и rравировка резины (полиrрафическая промышленность,
rлубина rравировки O,3 0,5 мм);
фасонная резка термопластов;
асбест и асбоцемент.
Лазерное удаление материала, сверление
подrонка кварцев, частоты колебаний камертона;
снятие изоляции с кабелей;
балансировка дисбаланса;
точное сверление в камнях часов (рубин), проволочные волока
«алмаз), керамика (диаметр отверстий не менее 0,003 мм);
скрайбирование керамики, полупроводников (150 мм/с);
,сверление в хирурrических иrлах;
лодrонка толстослойных и тонкослойных резисторов (отдельных
р.езисторов и всей схемы);
rравировка, разделительная резка и сплавление стекла;
перфорирова'ние бумажных фильтров;
сверление в высокопрочном материале (rлубина/ширина 20: 1)
11 турбинных лопаток (rлубина/ширина зо: 1), допуск по диамет
.ру 5 %;
сверление форсунок для аэрозольноrо дозатора.
Закалка
поверхностная закалка стали и чуrуна;
термоупрочнение поверхностным переплавом;
наплавка, поверхностное леrирование.
В настоящее время уверенно достиrается выходная мОщность
Nd-ИАr-лазеров и С0 2 -лазеров, работающих в непрерывном реЖиме,
200 Вт и 10 кВт соответственно. В отдельных случаях достиrаются
для Nd-ИАr-лазера уже 1000 Вт, а для С0 2 -лазера 100 кВт.
Повышение мощности и повышение плотности мощностн излуче-
ния, а также перевод в импульсный режим работы С0 2 -лазеров при-
вели к новым технолоrическим возможностям. К ним относятся:
сварка с rлубоким проплавлением при больших толщинах мате-
риала;
разделительная резка без подачи rаза;
плакирование стали;
термообработка;
резка путем испарения металла без тепловоrо оплавления краев.
4.1.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕР'Ноrо ИЗЛУЧЕНИЯ
С ВЕЩЕСТВОМ
Лазерный луч имеет значительно более высокую интенсивность ПО
сравнению с обычным источником света. Из-за этоrо при попадании
ero на материал возникают новые условия. Друrой особенностью яв-
ляется кратковременность воздействия высокой плотности мощности
для импульсных лазеров (требование: в тонком поверхностном слое
на длине поrлощения должна выделяться большая .доля энерrии па-
дающеrо излучения).
rлубина поrлощающеrо слоя составляет примерно 10 5 см, rради-
ент температуры достиrает 108 К/см, и скорость изменеиия во времени
1010 К/с.
При нормальных условиях закон поrлощения выражается соотнО-
шением
1 10 е I-IL,
(1.1)
(..t коэффи-
Тде 10 интенсивность излучения, падающеrо на изделие;
циент поrлощения; L ТОлщина поrлощающеrо слоя.
Начиная с определенной плотности мощности лазерноrо излуче-
ния, поrлощение может принимать более высокие значения, чем ЭТО
можно ожидать по уравнению (4.1). Вследствие нелинейности процес-
сов взаимодействия между лазерным светом и облученной зоной появ
ляется аномальное поrлощение. При превышении пороrовой интенсив-
ности не"поrлощающие вещества становятся также поrлощающими.
К иачалу OCHoBHoro воздействия лазерноrо излучения (начальная фаза
меньше 10 7 с) отражение может смеииться поrлощением. Критическая
интенсивность излучения составляет по порядку 108 BTjCM 2 . Эта ин-
тенсиВНОСТЬ зависит от длины волны лазерноrо излучения, характери
стик лазерноrо пучка и от материала.
Отметим, что при интенсивиости выше критической очень хорошо
поrлощают практически все вещества.
Выrодно перевести вещество под действием поджиrающеrо импуль
са в поrлощающее состояние. Поджиrающий импульс должен обладать
следующими свойствами: время нарастания меньше 1 мкс, интенсив
ность лазерноrо излучения больше 107 BTjCM 2 , длительность импульса
меньше 1 О мкс.
Друrие возможности изменения поrлощающих свойств; матирова-
ние поверхности, нанесение слоя (термическое оксидирование, анодиро
вание, химическая обработка), нанесение порошков, цветных полос.
Поrлощение в металлах происходит в толщине слоя IО б
10 5 см. Сфокусированный лазерный луч на поверхности изделия мож-
но для металла представить как двумерный источник тепла. Для боль-
шоrо числа диэлектриков и полупроводников лазерное излучение нель-
зя рассматривать как поверхностный источник.
Удаление материала становится возможным блarодаря образова-
иию паровой и жидкостной фаз. Падающая на обрабатываемое изде-
лие энерrия приводит к локальному испарению материала. Зона испа-
реиия локализуется под исходной поверхностью изделия на rлубине
O,05 O,1 мкм. Блаrодаря этому часть матери ала, расплавившеrося за
счt;т теплопроводности, удаляется в виде капелек при взрывном pac
ширении в зоне обработки (рис. 4.1).
в то время как при удалении материала эти эффекты можно це-
ленаправленно использовать, управляя формой и д.;лительностью им-
пульса, для сварки существуют более сложные условия. В большинст-
ве методов сварки образование паровой фазы должно быть в значи
тельной степени подавлено. Критические плотности мощности для
сварки составляют 105 IОб BTjCM 2 .
Из рассмотрений тепловоrо баланса при импульсиой сварке на MO
дели неподвижноrо MrHoBeHHo действующеrо источника тепла на по-
верхности следует, что уменьшение температуры при переходе к зоне
плавления зависит от диаметра лазерноrо пучка, длительности импуль-
са лазерноrо излучения и характеристик материала_
Критическим является учет отражательной способности. Образую-
щееся в паровой фазе облако действует как рассеивающая лииза с пе-
ременным во времени фокусным расстоянием в миллиметровом диапа
зоне и тем самым оказывает влияние неконтролируемым образом на
условия фокусировки. Поэтому для мноrих обработок с удалением
материала более выrодным является импульсный режим работы лазе
ра, при котором материал, удаляемыЙ в паровой или жидкой фазе из
зоны обработки, не оказывает оптическоrо действия на падающее ла
зерное излучение. Для этоrо необходимы короткие длительности им-
Пульсов (10 б 10 9 с).
Поrлощение как важнейШий параметр для преобразования энерrии
зависит от HarpeBa поверхности, образоваиия облака пара и эффекта
«замочной скважины».
,Достиrаемая в фокальном пятне интенсивность лазерноrо излуче
ния может управляться во времени изменением длительности и формы:
импульсов (рис. 4.2).
При сверлении происходит удаление материала при кратковремеи
ном воздействии иитенсивности лазерноrо излучения. Импульсный ре-
жим работы имеет то преимущество, что продолжительиость обработки
п ЛааеРН6IU
V ли'.'
;)
1
1
а)
Рис. 4.1, Схема лазерноrо удалениЯ'
материала:
1 нспаренный материал; 2 жндкн!! ма-
териал; 3 наrретая З0на за счет тепло-
проводности
Рис. 4.2. Формы импульсов лазерноr()
излучения для обработки материала:
а сверленне, разделительиая резка (длн-
тельность нмпульса O,I 1 мс); 6 сварка
(длительность импульса 1 20 мс, высокая,
начальная интенсивность уnучшает поrло-
щение); в сверление, удаленне материа-
ла (желаемая форма импульсов для целе
иапраВJIенной обработкн материала)
1
'"
5)
в)
...
может быть выбрана малой по отношению к времени теплопроводност-
Horo проrрева. так что потерями за счет теплопроводности можио пре
иебречь [14].
Для прецизионной обработки важно использовать лазеры, rенери-
рующие основную моду с rayccoBbIM распределением интенсивности
лазерноrо излучения. Постоянное во времени распределение с очень
быстрым спадом интенсивности к концу импульса обеспечивает KOH
тролируемый процесс удаления материала.
Соrласно [1] для удаления материала под воздействием лазерноrо
излучеиия характерными являются:
первая фаза отражение и поrлощение, очень незначительная rлу-
бина проннкновения фотонов в материал;
вторая фаза преобразование излучения в тепло в тонком поверх-
ностном слое, .повышение температуры и теплопроводностный проrрев
более rлубоких зон изделия, фазовые превращения (жидкая, паровая);
третьЯ фаза перемещение зоиы расплава и испарения от поверх
ности во все более rлубокне области изделия при непрерывном выбро-
се материала в жидкой и паровой фазах.
В кратковременио переrретом состоянии материал находится под
очень высоким внутрениим давлением (108 Па). Продукты удаления
скоряются от изделия со скоростью примерно 102 10З м/с.
у При нсследовании сложных процессов взаимодействия лазерноrо
излуЧенИЯ с веществом следует принимать во виимание (распределение
эиерmи см. рис. 4.3):
Рис. 4.3. Схематическое изображение
балаиса энерrии для непрерывиой
сварки лучом СО2 лазера [18]:
1 .nуч .пазера; 2 соедиияемый матери
a.n; 3 каиа.n (пароrазоваи кавериа); 4
ванна; 5 сварной шов; 6 п.nазмениый
факе.n; Еоез по,nнаи энерrии сФокуси-
pOBaHHoro .nазеРНОrо .пуча в зоне обработ
кн; Е R потери 9HepmH прн отраженни;
Ew потери 9 н ерrии за счет теплопро-
водности; Ер потери энерmи за счет
поr.nощении в п.nазменном факе.nе; Е D
эиерrия, расходуемая на нспаренне MaTe
_риа.nа; Е 5 ПОIlное теп.nосодержание
>кидкоrо мета.n.nа в сварочной ванне
EGe8
влияние длины волны лазера;
поrлощательную способность различных материалов при высоких
иитенсивностях излучения;
термодинамические процессы при HarpeBe, плавлении и испарении
материала с учетом достижения цели: сварки, удаления матернала
и термической обработки;
взаимодействие лазерноrо излучения с образующимся плазмениым
облаком;
влняние BpeмeHHoro хода интенсивиости излучеиия и пространст-
BeHHoro распределения плотности мощности.
Предварительное опредр.ление технолоrических параметров для об
работкн материала зависит от выбора схемы для соответствующеrо
процесса обработки (сверление, сварка, закалка), а также от тнпа yc
тройства. Проведеиие теоретическоrо расчета затруднительно. Расчеты
проводятся на основе модельных . представлений, развнтых примени-
тельно к спецнальным проблемам (см., например [15 17, 19].
4.1.3. ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
в табл. 4.2 приведены типы лазеров, применяемых до сих пор для
обработки материалов. Следует раЗJШчать:
обработку макрообластей (сварка, разделительная резка, сверле-
Ние, закалка участков от 0,1 до нескольких миллиМетров с помощью
Мощных лазеров от 0,2 до 20 кВт);
обработку микрообластей (разделительная резка, удаление Maтe
риала и улучшение свойств тоиких пленок толщиной от нескольких
нанометров до микронноrо размера с помощью твердотельных и HOH
Т а б л и ц а 4.2. Типы лазеров ДJlЯ обработки материалов [1]
, , ..
:>! i: :>! :iJ '"
.: =
:>! и . Q)
" "'''' '" '"
:Е t ... "" "
!Е I'Q ... ...
Тип .пазера Режим рабо'Iы '" ,,:>! и '"
о: I: 1::[ ",- " "
" 0:0!8 ... "'и '"
'" '" и "" '"
'" fE '" " rt ...
= ... = " r:1
'" =j1i"" '" :r ","" ...
Q) O: и t::
15 "'::1
....: 1::[", ::rl-o :,.;
N 2 - лазер Импульсный 0,337 1 Ю 3 До 6. 1O 2.1O 9 10 IO J
Аr-лазер » O,46 O,52 2 2,5.1O 4 До 102 5. 1O 5 2.1O 2
1O 6
Аr-лазер Непрерывный O,46 O,52 2 До 10 2.1O 2
Рубиновый лазер Импульсный 0,69 2 До 10 До 1O 5. 10 3 До 1O 1
1O 4
Nd-лазер » 1,06 5 До 10 До 105 5. 1O 3 1 1
1O 4
Nd-ИАr-лазер » 1,06 5 До 104 5.1O 3 20 4
1O 4
Nd-ИАr-лазер Модуляция 1,06 5 До 107 1O 7 1O 8 5.104 4
Nd-ИАr-лазер добротности
Непрерывный 1,06 5 До 200 4
СО 2 :лазер » 10,6 30 До 103 20
СО 2 -лазер Импульсный 10,6 30 0,5 До 103 1O 10 3 103 20
СО 2 -лазер Модуляция 10,6 30 0,1 До 105 10 6 20
добротности
СО 2 - ТЕА-лазер Импульсный 10,6 30 100 До 1()9 1O 9 10 20
СО 2 -лазер с про. Непрерывный 10,6 100 До 2.104 20
к-ачкой
rазодииамический » 10,6 100 До 106 . 20
СО 2 -лазер
1
r;
2
3
f7
Рис. 4.4. Лазерная установка для обработки материала [25J:
1 блок питания лазера; 2 система охлаждения: 3 устройства управления:
4 лазерная rоловка: 5 стол для обработки с приспособлением для крепления
изделия: 6 оптическая система (фокусирующая оптнка, оптическая система
контроля); 7 иаблюдатель
;
s
"'
"' "'
.. . .... '" '\.'\. '-
Рис. 4.5. Схема установки SLS 1O 1 на твердотельном лазере для им-
пульсной сварки, сверления и удаления материала (выходная энерmя
10 Дж; длительность импульсов 2 мс И 4 мс; частота повторения им-
пульсов 0,5 rц; ДЛина волны 1,06 мкм):
1 микроскоп для контроля; 2 телескоп для расширення пучка; 3 возмож-
Ность реrулирования зеркала резонатора; 4 лазер со стержнеобразиой KceHOHO
вой лампой высокоrо давлення н активным элементом из неоднмовоrо стеКlIа;
S устройство для позиционирования изделия по осям Х, у, z; 6 изделие; 7
фокусирующая оптика <;менная); 8 отклоняющее зеркало
I!IblX aproHoBblx лазеров, работающих в режиме модулированной доб
УJ.Oтностн) .
Для обработки матерналов применяются:
СО2 лазер для резки материала большой толщины и сварки тол
стых элементов конструкции с rлубоким проплавлением;
Nd-ИАr-лазер для сверления, удаления тонких пленок и точной
.сварки.
Оба типа лазеров MorYT работать как в непрерывном, так и в им-
пульсн()м режнмах.
Для большииства технолоrических операций лазерный луч необхо
димо фокусировать (рис. 4.4------4.6).
L _ r 2
7 3 .l,< 5 б
t I
х
'2
CO z
. N 2
Не
11
IO
Рис. 4.6. С02 лазер с обрабатывающей rоловкой:
1 сферическое зеркало С большим радиусом кривизны (r 10, 20 и 50 м; 100 %);
2 источиик BblcoKoro напряжения (с реrулированнем тока); 3 двухстенная
охлаждаемая разрядная трубка (тлеющий разряд в прокачиваемой rазовой смесн
нз CO N. He); 4 выходная пластина из rермания (плоскопараллельная); 5
выходной лазерный. луч (диаметр пучка 10 20 мм, малая расходимость, Л
10,6 мкм); 6 отклоняющее зеркало (плоскопараJlJlельное); 7 рабочнй rаз;
8 рабочая оптическая система с одиночной линзой a 50+200 мм) и rазовым
соплом д;lЯ дополнительноrо rазовоrо потока (воздух. 02, N., Ar, Не); 9 изде-
лие; 10 вакуумиая система (управляет расходом rаза и рабочим даВllеиием,
1,3 2,6 кПа); 11 система охлаждения (Н.О, дистиллированная) для разрядной
трубки, зеркала резоиатора, отклоняющеrо зеркала и оптической ronовки обра-
ботки; 12 снабжение rазом (смесь CO. N. He. предварительно смешаниая, иЛl'
точное дозирование из отдельных баллонов)
При выборе оптических элементов нужно учнтывать технолоrичес-
ки обусловленное рабочее расстояние объектива, требуемую плотноc;IЪ
мощности излучения и желаемый диаметр обработки.
При точной обработке применяются линзовые системы с малыми
рабочими расстояниями объектива.. Для СО 2 -лазера с выходной мощ-
ностью свыше 200 Вт необходимы одиночные линзы с фокусными рас-
стояниями 50 200 мм.
Собственно лазер является только незначительной частью YCTaHOB
ки для реализации технолоrическоЙ обработки.
К установке. для лазерной обработки материалов относятся узлы
для крепления изделий;
системы управления для осуществления движения изделия относи
тельНО лазерноrо луча;
системы контроля положення изделий;
системы управления для осуществления технолоrических циклов.
Для выполнения технолоrической обработки матерналов необходи
мы дополнительные принадлежности (поворотная Qптика, делители ла
зерноrо луча, устройства для отклонения лазерноrо луча, переключе
ния луча, модулятор добротности, система для фокусировки лазерноrо
луча).
Из табл. 4.3 видно, что кроме лазера на ожндаемый технолоrичес
кий результат влияют еще друrие факторы; примеры типичных рабо-
чих мест показаны на рис. 4.7 и 4.8.
т а б л и ц а 4.3. Факторы, оказывающие влияние на технолоmческий
результат лазерной обработки материалов
Параметр
Желаемый резупь'
тат обработкч
установкой
Влияющие факторы, обусловленные
издепием
Длина волны
Диаметр пучка
Выходная мощ-
ность
Расходимость
Структура лазер-
Horo луча
ПЛотность мощио-
Сти
Распределение
плотности мощ-
ности
Режим работы:
непрерывный
импульсный
(частота, дли-
тельность им-
пульса)
Стабнльность
ОптическиЙ
путь
Фокусирую-
щая оптика
Фокусное
раСстояние
[азовое соп-
ло
Поле допус-
ка
Точность
перемещения
Скорость
обработки
Характеристики
материала
Теплопроводность
Поrлощение
Пропускание
Отражение
Температура плав-
ления
Температура нспа-
рения
Плотность
Средняя удельная
теплоемкость
Теплота плавле-
ния, теплота ис-
парения
Структура, харак-
тер превраще-
ния, свойства
поверхности,
толщина мате-
риала
Ширина реза-
ния
[дубина бо-
роздки
Плоскостность
Масса удаляе-
Moro матери-
ала
[еометрия
cBapHoro шва
Зона термичес-
Koro влияння
/
8 : 9
s
S AZ
Рис. 4.7. Система для подrонкн сопротивлении с помощью микропроцес-
сора [26]:
/ термнна.n; 2 блок питания лазера; 3 микропроцессор; 4 сервоусилитель
(Step+ Repeat); 5 б,nок управ.nения перек.nючате.nем добротности; 6 оптИка
сервоуси,nите.nя; 7 измерительный мост; 8 ла,зер; 9 модулятор добротности:
/0 перемещаемая оптика; / / контактиое устройство; /2 накопитель; /3
Step+Repeat; S под,nожка; AZ автоматическая подача
По конструктнвному исполнению можно различать (рис. 4.9 4.11):
стационарные компактные установки, которые объединяют наряду
с резонатором также друrие функциональные элементы в одном блоке:
леrкие установки с небольшими размерами резонатора (лазерныЙ
резонатор сам по себе представляет замкнутый блок, все необходимые
дополнительные устройства расположены отдельно и связаны с ЭТИ!\!
блоком подводяшими линиями).
Фокусировка света и подвод rаза в большинстве случаев объеди-
нены в одном блоке в лазерной обрабатывающей rоловк.е. На испол-
нение обрабатывающей rоловки оказывают влияние свойства пучка
и полаrаемые области применения. Обрабатывающая rоловка может
быть соединена двумя различными способами с лазером:
стационарное подсоединение на лазерном резонаторе непосреД5Т-
венно за выходным зеркалом;
обрабатывающая rоловка является отдельным узлом н может
быть установлена в произвольном месте на пути распространения пуч-
ка лазерноrо излучения.
Для лазерной макрообработки деталей с большой поверхностьЮ
применяют следующие вариаиты:
Рис. 4.8. Установка дЛЯ лазерной сварки «Квант-12»:
а вид установки (выходная энерrия 3 Дж; частота повторения импульсов до
O [ц; длительности импульсов 1,5; 2; 2.5; 4 мс; активный элемент Nd ИАr;
лазер [эллипс со стержнеобразной импульсной лампой и Nd-ИАf лазернЫМ
СтерЖнем, водяное охлаждение; внешиие зеркала резоиатора, эксцентрнческие
к оси актиВноrо элемента (Фото ZIS, fалле)]
:..
...;.
: :
:....-;
:.;-:
4
"
;1
,
",......
Рис. 4.9. СО2-J1азер SM400 с отдельной обра-батывающей rоловкой; вы-
ходная мощиость 400 Вт; ТЕМоо; диаметр несфокусированноrо пучка
12 мм; резонатор 5 раз изоrнута ось; длнна активНОЙ среды 7,8 м;
rазовая смесь СО2 Nr---Не (фото Народноrо предприятия завода точ-
ной механики, rалле)
лазер монmруется в виде конструктивноrо блока с ПРИф.1аицован-
ной обрабатывающей rоловкой на направляющей машине и движется
в виде замкнутоЙ системы над изделием (рис.4JО);
лазер прочно монтируется с прифланцованной обрабатывающей
rоловкой; изделие движется под лазерным пучком (для лазеров боль-
шой мощности, рис. 4.1 О);
лазер смонтирован стационарно; обрабатывающая rоловка связа-
на с направляющей системой; лазерный пучок направляется к обраба-
тывающей rоловке с помощью зеркал (для лазероВ большой МОЩНо-
сти, рис. 4.1 1);
лазер и обрабатывающая rоловка подвижны, однако отдельно
расположены на одной направляющей системе.
Для внедрения лазерной техиолоrии решающим является то об-
стоятельство, что приборы должны надежно и стабильно работать
в течение длительноrо промежутка времени, а стоимость этих прибо-
ров должна оставаться в разумных пределах.
Для этоrо необходимо:
повышение стабильности мощности у обычных CO 2 -лазероВ
до ::1::1 %;
оснащение СО 2 -лазера устройствами для реrенерации rаза в це-
лях снижения эксплуатационных расходов;
иметь возможность для непрерывных лазеров также работать
в импульсном режиме, длительности импульсов составляют O,1 10 с
с частотой повторения импульсов до 2,5 rц;
чтобы выходная мощность у импульсных лазеров постоянно коН-
тролировалась и реrулировалась 11 происходило автоматическое от-
ключение лазера при снижении выходноЙ мощности ниже заданноrо
значения;
чтобы форма и длительность импульса варьировались в широких
Рис. 4.10. Связь лазера с направляющей машиной для обработки боль
ших поверхностей (лазерная установка для резкн с помощью СО 2 -ла-
зера типа SM400/K701) (фото ZIS, [алле); стаuионар о установленный
лазер, подвижное отклоняющее зеркало, рабочая поверхность 2 мх2 м
пределах и моrли быстро изменяться от одноrо рабочеrо такта к дpy
rOMY;
чтобы конструкция лазерных установок была приспособлена для
успеlIIноrо промышленноrо применендн;
для быстроrо и надежноrо позиционирования в требуемое положе
ние нзделнй в состав Nd-ИА[- и СО 2 -лазеров включать Не Nе-лазер
ные системы вдоль луча мощноrо лазера.
4.1.4. СВАРКА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Лазерная сварка является метоДОМ сваркн плавлением, т. е. co
еДиНяющиеся детали сплавляются ПОД воздействием лазерноrо излу-
чения, тем самым должны сохраняться все условия, определенные для
Dбычных методов сварки плавлением. Особенностями являются BЫCO
кая плотность мощности, а прн нмпульсной сварке быстрое охлажде
НИе, связанное с коротким временем воздействия. Высокие rрадненТЬ!
теМпературы MorYT привести к недопустимому повышеНию твердости
и образованию трещин.
Лазеры прнменяются ДЛЯ точечной и шовной сварки. Шовная
СВаРКа может происходить непрерывно илн в режиме точечной сварки
внахлестку. '
:!
Рис. 4.1 1. Промышленная установка для лазерной обработки фирмы
Avco' Everett [8] с выходной мощностью лазерноrо излучения 15 кВт:
1 лазер; 2 поворотное отклоняющее зеркало; 3 аэродинамическое окно; 4
отклоняющее зеркало; 5 система формирования пучка для термической обра
. ботки; 6 фокусирующая система со сварочной I'оловкой
При сварке различают два способа:
сварка с плавлением за счет проrрева аксиальной теплопроводно
стью;
сварка с rлубоким проплавлением.
При образовании CBapHoro шва в режиме теплопроводности пре-
образованная на поверхности ЭНерrия лазерноrо излучения переносит-
ся внутрь изделия в процессе теплопроводности. Интенсивность излу
чения и длительность ero воздействия должны быть соrласованы с со-
ответствующим' изделием. Модельное представление для сварки с rлу
боким проплавлением MorYT дать эксперименты по электронно-лучевой
сварке [22].
Образуется паровой капилляр, на заднем фронте KOToporo при OT
носительном движении между лазерным лучом и изделием происходит
конденсация и тем самым образование cBapHoro шва. Таким образом,
возможно обр.азование сварных швов с отношением rлубины к ширине
8: 1 (рис. 4.12). Теплофизические свойства материала определяют TaK
же rеометрию cBapHoro шва.
.. Форма шва с rлубоким проплавлением определяется как CKOpO
стью подачи и типом материала, так и пространственным распределе-
нием интенсивности излучения. (т. е. мощностью, диаметром лазернщр
пучка и ero структурой). Позиционирование фокальноrо пятна относи
тельно материала является определяющим для профиля cBapHoro шва.
Оптимальным считается положение фокуса в изделии примерно на
rлубине, равной Ifз толщины изделия. -
Данные для сварки с СО2 лазером' приведены на рис. 4.13 и 4.14.
'
:
2
I
I
r
"..
1 "...
.;'-,0
1"...
"..1'
/ ,
Рис. 4.12. Схема при сварке с rлубоким проплавлением лучом мощных
.лазеров:
1 лазерный луч; 2 сварочная ванна; 8 пароrазовый канал в внде «замоч
ноlI скважины»; а rлубнна проrтавления; v S скорость плавления; Ь шп
рнна зоны плавления
'f12,5
1O,q
""
'"
'"
7,5
'"
'"
5'.0
t:J '
'"
",,2,5
L::
15',0
v s ==85
о 2 4- б 8 10 12 14 16 18
8ыхоВная мощность лuаера, к Вт
рис. 4.13. Влияние мощности излучения СО 2 -лазера и скорости сварки
Vs на rлубиву расплаВJ;ения в стали X2CrNi 18.8 [27]
Вообще rоворя, лазерная сварка осуществляется без присадОЧlfоrо
материала. Для предотвращения образования трещин, а также для
управляемоrо металлурmческоrо воздействия при сварке можно при
менять присадочные материалы.
Для сварки применяются Nd ИАf- н COz-лазеры. В то время как
Nd ИАf лазер при меняется для малоrабаритных деталей толшиной
100
::t:
::t:
о:;:
10
со)
::::1
t:!
::t:
::::1
:::r
<::::
10 zt 105
Мощность лазера, Вт
106
Рис. 4.14. Диarрамма для определения требуемой минимальной мощно
сти для сварки стыковым швом с помощью СО 2 -лазеров (13)
примерно 1 мм, COz-лазер со своей выходной мощностью в кВт диапа
зоне приrоден для сварки листов толщиной до 20 мм.
Для сварки, основанной на мехаиизме теплопроводности, должны
выполняться следующие условия:
плотность мощностн для сварки оrраничена, в зависимости от Ma
териала она не должна превышать 106 107 Вт/см 2 ;
дейст.вие давления на сварочную' ванну должно быть устранено;
доля испаренноro материала должна быть незначительной;
размеры сварных точек в первую очередь зависят от теПЛОПРОВОk
ности; температура на поверхностн, толщина листа и тип материала,
а также время облучения являются взаимозависящими параметрами;
суммарная энерrия импульса должна быть распределена в течение
большоrо промежутка времени (1 10 мс).
Примеры пар материалов, свариваемых с помощью импульсиых
лазеров: алюминий алюминий; алюминий медЬ; алюминий ни
кель; автоматная сталь вольфрам; биметалл автоматная сталь;
бронза бронза; бронза сталь; СrNi сталь CrNi-сталь; CrNi
сталь медЬ; СrNi сталь никель; CrNi-сталь таитал; рессорно-
пружинная сталь автоматная сталь; золото алюминий; золото <!
rерманий; золото инвар; золото никель; золото кремний;
инконель инконель (Iпсопеl); константан медь; ков ар ковар;
медь константан; медь медь; медь никель; медь сталь; медь
тантал; латунь биметалл; латунь бронза; латунь золото; ла
-тунь медь; молиоден молиоден; нейзильбер (сплав) бронза; ни-
кель FeNi-сплав; никель никель; никель чуrун, содержащий ни-
.кель; никель тантал; никель вольфрам; ниобий ниобнй;
'платина платинородиевый сплав; серебро никель; сталь сереб-
ро палладий CrNi-сталь; сталь сталь; сталь (латунированная)
термобиметалл бронза; тантал молибден; тантал тантал; термо-
биметалл нейзильбер; титан титан; вольфрам CrNi-сталь; воль-
.фрам вольфрам.
Ilри соединении очень маленькнх деталей в электротехнике и в
электронике лазерная сварка дает, например, по сравнению спайкой
-следующие преимущества:
исключение ненужных металлических rраниц;
2,0
"
"'
"'
1::::1
<::>
1,5
<:о:>;
L
<со
'-' 1,0
",=<:
::::
0,5
.::
t-' = 2,5 ММ/С
d 2мм
\;.
\
....
'У"
0,1
1 10 100
lf.a.cтoma поВторения, I<r
cw
Рис. 4.15. rлубина сварочной ванны в зависимостн от частоты повторе-
ния импульсов Nd-ИАr-лазера [12).
v==2,5MM/C
нелеz. С сталь
..,
1,5
t:!
""
':::'
<:::>
} 1,0
<::>
:}
<>5
со
0,5
:::r,
L::
100 200 300
Усре8ненная лааерная мощность, Вт
Рис. 4.16. rлубина сварочной ванны в зависимости от мощности Nd-
ИАr-лаэера [12):
а импульсный режнм .<50 кrц); б непрерывный режим
А
.2)
ж)
0,7
;(
1r
1..,>
l 1
EEf1
3)
m
л)
Рис. 4.17. Разделка кромок и примеры КОНСТРУIЩИЙ дЛЯ условий Jlазер
ной сварки лучом импульсных твердотельных лазеров:
а нахлесточное соедннение с помощью одноточечной сварки; б стыковая
сварка проволоки; в соедннеНИе лнст проволока; 2 соединение торцов про
волок; д соединение труба лнст; е rерметичное .соединенне трубы; ж
стыковая сварка листов; 8 стыковая сварка труб; и шов уrловоrо coeдHHe
ния; " CTЫKOBoe соединение с npомежуточной фOJIьrой; л заварка фланца;
.м вваривание трубы
более высокая механическая прочность;
более высокое сопротивление по отношению к вибрации и ударам;
более высокие допустимые рабочие температуры;
незначительный риск отрицательноro влияния на термочувствитель-
ные элементы при монтаже;
более 'высокая эксплуатационная надежность.
При изrотовлении электронных элементов маленькие детали также
MorYT соединяться с помощью монтажной сварки.
. t = ; ;; ; p t<4:':' ::\
Рис. 4.18. Мембрана из ауреласта (Aurelast), сваренная импульсным
лазером (выходная энерrия лазерноrо излучения 2 Дж, длительность
импульса 4 мс. частота повторения импульсов 10 [ц):
а вырез нз шва торцевоrо соединения 2XO,l мм ауреласта; б продольное се-.
чение CBapHoro шва; в поперечное сечение CBapHoro шва
NiCr
XlOCrNi1f},B
Ni
ФD,1 О,!iNf1
Рис. 4.19. К лазерной сварке
предварительно подrотовлен-
ных оболочек термоэлемента
Рис. 4.20. Сваренное 'лучом импульс-
Horo лазера крестовое соединение из
проволоки диаметром 0,2 мм с про-
волокой диаметром 0,8 мм из воль-
фрама внутри стеклянной колбы
(энерrия 4 Дж, длительность импуль-
са 4 мс)
Рис. 4.21. rлубины проплавления в CrNi-стали, полученные на лазерной
установке «Квант-12»:
,й энерrия лазерноrо излучення 1 Дж; длительность импульса 2,5 мс; фокусное
.расстояние лИнаы f 50 мм; rлубина проплавления 0,8 мм; б I Дж; 2,5 мс;
f IOO мм; rлубниа проплавления 0,3 мм
с помощью лазерноrо излучения можно производить сварку под-
'водящих проводов, вмонтированных в стекло, и деталей в вакууме че-
,рез стекло, а также возможна сварка при ремонтиых работах в ваку-
. умных лампах (например, повторное крепление нитей накала, восста-
. новление .анода и приваривание подводящих проводов к сетке).
. При импульсной сварке с ВЫСОкой частотой повторения импульсов
.с малой энерrией получается ббльшая rлубина проплава, чем при низ-
кой частоте повторения импульсов с большой энерrией, поскольку при
более высокой частоте следования импульсов потери за счет теплопро-
водностн становятся меньше.
Однако при ВЫСокой частоте повторения импульсов ИМеет место
,снижение rлубины расплавления, что можно объяснить малой пиковой
мощностью в отдельных импульсах и тем самым отсутствием испаре-
ния (рис. 4.15).
fлубина проплавления пропорциональна средней МОlЦности лазер-
Horo излучения (рис. 4.16). Блarодаря образованию капилляра в режи-
ме rлубокоrо проплавления при достижении требуемой для этоrо по-
роrовой мощности происходит резкое увеличение rлубины проплав-
ления.
Для защиты сварочной ванны от вредных rазов из воздуха шов
обдувается коаксиально или сбоку защитным rазом (aproH, rелий).
Блаrодаря этому при сварке в режиме rлубокоrо проплавления сдува-
ется также облако плазмы и существенно изменяются условия ero под-
держаниS1. С помощью лазеров MorYT быть получены сварные швы на
одинаковых или различных материалах, при этом получаются в основ-
ном следующие соединения (рис. 4.17): проволока проволока, прово
лока тонкнй лист, тонкий лист тонкий лнст, лист лист; проволо-
ка пленка.
Проволоки MorYT быть соединены с помощью сварки встык, BHa
хлесТКУ, в виде KpecTOBoro соединения ИJIи T CTЫKa. Листы MorYT быть
сварены с помощью стыковоro Шва, шва нахлесточноro соединения ИJIи
шва CTbJKOBoro соединения с 9тбортовкой кромок (рис. 4.18 .25).
Рис. 4.22. Лазерная сварка за-
щитных пластин пыленепрони-
цаемых шарикоподшипников
(толщина защитных пластин
0,2 мм)
Рис. 4.23. Лазерная сварка ли
cToBoro пакета из муниперма
(Мuпiреrm) (СО 2 -пазер, 120
Вт, непрерывное излучение)
..-"':Д!
.':.}
':1
i:
:::::::
1. '/ E
i ,-:;:.
! ": ;::
,-,,1 ;.
":-: :::;: : .
. .
.
}
.
,. . 1 """'"
.: . . . '. .::
: :;. : :: .
. . ':-;'. '
": :. . "::.--
.,
'
-:::с:
";1
.:Jf,i1f
. :. : .
;,..jf:.
" . ".
. Ш i;";&r
.' . ' ::'.
;
:;
]. "" ;. :
;J'. . /'
::
:":r .
:. !-:":
с помощью СО 2 -лазера MorYT быть сварены термопластические ма-
териалы. Лазерная сварка, особенно в точиой механике и электронной
промышленности, имеет следующие преимущества [20]:
отсутствие механическоrо контакта с местом сварки;
соблюдение очень точиых допусков в течение длительноrо времени;,
практически отсутствует тепловое воздействие на деталь;
очень маленькие сварные точки;
с помощью управления энерrией во времени можно сваривать
практически все материапы ДРуr с друrом;
сварка возможна также в недоступнЬ!х местах, например чере3'
стеклянные перекрытия или в rпухих отверстиях;
сварку можно осуществляi'Ь в rазах, вакууме и жидкостях;
Рис. 4.24. Точечная сварка листовоrо материала из СrNi стали толщи
ной 0,5 мм, полученная на лазерной установке «KBaHT 12» (скорость
. подачи свариваемой детали 50 мм/мин, выходная энерrия 1,5 ДJji:):
а частота повторения постановки точек 2 rц; 6 частота повторения ПОСТа
новкн точек Б rц
, .
: .....
..: """
. . -.. . '::..
Рис. 4.25. Непрерывный шов,
получеиный при лазерной CBap
ке (СО 2 -лазер, CrNi листовой
материал, ширина шва 0,25 мм)
непосредственная сварка через изоляцию, не требуется удаления
изоляции, лак или оксидные пленки прн получении контакта не пред-
(:тавляют препятствий;
rеометрия cBapHoro шва хорошо контролируется.
4.1.5. РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ РЕЗКА И СВЕРЛЕНИЕ
С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРОВ
4.1.5.1. Обработка путем снятия поверхностноrо слоя импульсным
.лазерным излучением. При обработке со снятием поверхностноrо слоя
с помощью импульсных лазеров различают два способа (рис. 4.26):
снятие поверхностноrо слоя с помощью модулированной Иij:тенсив
пости лазерноrо излучения;
снятие поверхностноrо слоя с помощью постоянноЙ интеисивности.
При сверлении с помощью модулированной интенсивности излуче
ния через короткие промежутки времени удаляются отдельные элемен-
ты объема. Этот вариант обработки применяется, например, при CBep
лении камней для часов (диаметр отверстия 50 мкм).
Диаметр просверленных лазерным пучком отверстий примерно co
ответствует диаметру лазерноrо пучка. Можно получать отверстия с от-
ношением rлубины к ширине, равным 10: 1, прн очень маленьком диа-
метре отверстия меньше 0,01 мм и толщине пластины меньше 0,3 мм
это отношение достиrает 30 : 1. Длительность импульса и ero проСтран-
ственная протяженность должны соответствовать конкретному случаю
применения.
r
I(r)
t
t
.а)
5)
Рис. 4.26. Схематическое изображение процесса сверления лазером:
а сверленне с постоянной интенсивностью: 1 пар. 2 расплав; 6 свеpJIение
лучом лазера с модулированной интенсивностью излучения
Контролируемые лазериые импульсы позволяют получить очень хо-
рошие отверстия, в то время как некоитролируемые миоrомодовые ла-
зеры приводят к иесимметричиоi!: обработке. На форму отверстия ока-
зывает влияние распределение энерrии в пучке.
Бuлее BbleoKah температура плавления и (или) теМПературопровод-
ность обусловливают меньшую rлубину отверстия и более высокую вос-
производимость. Разброс диаметра отверстий при большой длительно-
сти импульсов (например, 1,75 мс), имеет место в более широком ин-
тервале, чем при короткой длительности импульсов fнапример, 0,6 мс).
Действующая одновременно коаксиально с лазерным лучом струя
сжатоrо воздуха оказывает блаrоприятиое действие на форму отвер-
стия и ero ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ [30]. Диаметр отверстия зависит от энер-
rии в импульсе и от материала (рис. 4.27). С использованием струи
сжатоrо воздуха MorYT быть увеличены диаметры отверстий у материа-
лов с плохой теплопроводностью. У материалов с высокой теплопро-
водностью (например, медь) и металлов, не испытывающих дополни-
тельное rорение под воздействием струи кислорода, диаметр отверстия
едва ли зависит от этих параметров.
Достиrаемые rлубины отверстий в моноимпульсном режиме reHe
рации лазера зависят от температуры плавления, они обратно пропор-
циональны коэффициенту температуропроводности.
В зависимости от энерrии импульса и материала у металлов мож
но получить отверстия диаметром 0,0l 0,5 мм, rлубиной 6 мм.
Возникающие при сверлении эффекты плавления, особенно у MaTe
риалов с плохой теплопроводностью, приводят к образованию отвер-
стий некруrовой формы, если каждое отверстие обрабатывается только
одним импульсом. Принципиально выrоднее проводить сверление от-
верстия с помощью нескольких импульсов и удалять контролируемым
образом небольшие количества материала.
При удалении поверхностноrо слоя и сверлении материал должен
испаряться взрывным образом. Доля расплавленноrо материала по воз-
Можности должна быть меньше ИЛИ совсем мала. Следует стремиться
к Использованию высокой плотности МОЩНОСТИ (107 10B Вт/см 2 ) И
очень коротких времеи в мнкросекундном илн наносекундном диапазо
нах. Преимущества появляются, в частности, при сверлении отверстий
в твердых и хрупких материалах, как, например, алмаз (волока), py
бии (камни для часов), сапфир, твердые сплавы, титан, сталь и кера-
0,4-
СО струей сжатО20 f}озf}уха, 500 кПа
./
,,/
./
0,3
ff
<u
t1
0,2
'::'
'"
'"
0,1
о
,,/
без струц сжатО20 Воз8уха
Ti-.,......
,,/,,/
,.,
./
/'
Та
,,/
......
......
...... Т!
Fe ле2uроВанное
Си
ti=1,7!iMC
1
2 3 'r fi
ЭнеР2ЦЯ импульса, Дж
6
7
Рис. 4.27. Увеличение среднеrо выходноrо диаметра в зависимости от
энерrии импульса со струей и без струи сжатоrо воздуха [33] (tl ДЛИ
тельность импульса)
мика (подложки для электроники). Минимальный диаметр отверстия
достиrает 3 мкм.
Точные фильеры из алмаза для изrотовления проволоки (рис. 4.28)
просверливаются с помощью импульсных Nd-ИАr-лазеров. Для про-
свеРЛИl!ания отверстий диаметром O,OI 2 мм достаточио иметь BbJXOk
ную энерrию лазера 1 Дж, длительность импульса 200 МКС и частоту
повторения импульсов 5 IO [ц [31]. Ниже приведены некоторые ха-
рактерные примеры:
Диаметр orверстия I ТОЛЩlПlа алмаза, Число вспышек , Время обработки,
фильеры. мм мм лазера МИН
0,1 1 600 2
0,4 1 1900 6,3
0,95 1,5 3500 11,7
Сверление находит применение также при изrотовлении отверстий
для охлаждения на лопатках турбин и подrоики вибраторов. Типич-
ным примером является также поверхностное удаление материала в
точно определенном 'месте быстро вращающеrося ротора (частота вра-
щения от 3000 до 30 000 мин 1), точность и постоянство положений
осей обеспечиваются до 0,01 мм. Наряду с лазерами со специальным
оснащением для подобных технолоrических процессов требуется также
.современное управление процессом и надлежащее манипулирование
Точное cf}epneHue
(nаэер)
Выход
(механическое)
Рис. 4.28. Сверлеиие лазером отверстий в алмазных волоках
изделием. Сам лазер для получения ВОСПрОИЗВОДИМЫХ точиых OTBep
стии должен обладать следующими характеристиками [32]:
в широком диапазоне мощности точно управляемая и воспроизво
димая энерrия И форма импульса;
реrулируемое распределение интенсивности излучения в фокальном
пятне для чистоrо удаления материала, в частности, без выбросов;
высокая частота повторения импульсов;
ОТКJlонение лазерноrо луча для быстроrо позиционнрования в тре-
буемое положение и сопровожденне при движущихся деталяХ.
...-Блаrодаря коротким импульсам и определенному относительному
движению между изделием и лазерным пучком можно удалять мате-
риал вдоль линии и осуществлять разрез материала.
4.1.5.2. Резка непрерывнJo'М лазервым излучением. Для резки мате-
риа.lJа с большой ТОЛЩИНОЙ применяется COz-лазер. Для напыленных
слоев и тонких пленок в большинстве случаев выrоднее применять Nd-
ИАf-лазер из-за более малоrо размера фокальноrо пятна.
Технолоrию резания с применением COz-лазера по материалам мож
НО разделить на три rруппы:
металлы процесс резки осуществляется прн использоваиии экзо
термической реакции кислород металл, применяется для резки ста-
ЛИ,титана, ниобия;
материалы, которые разлаrаются под действием лазерноrо луча
(сублимационная резка), применяется для резки бумаrи, дерева, ко-
жи, пластмасс, текстильных изделий;
Лазер
/
\/
I
I
,
I
I 1
I I
I 1
I I
r
2'
а
4-
5
Рис. 4.29. Обрабатывающая rоловка для С0 2 -лазера с подачей струи
rаза:
1 наклонное отражательное зеркало для направления ПУЧj(а падающеrо излуче-
ния на фокусирующую линзу; 2 rрубое перемещение обрабатывающей rоловки
(диапазон реrулирования 50 мм); 3 фокусирующая линза a 100 ММ); 4
точная реrулировка обрабатывающей rоловки (диапазон реrулирования 10 мм);
5 смениое rазовое сопло для формирования rазовоrо потока; 6 присоединение
рабочеrо rаза (воздух, N.. О., Ar); 7 изделие; 8 выдуваемый расплав, оксидь!
и испаренный материаn
материалы, которые расплавляются без разложения или растрески
ваются под воздействием тепловоrо удара, применяется для обра
боткн камней, стекла, керамики.
Для резки используется техника rазовых потоков (рис. 4.29, 4.30),
.при этом на место падения лазериоrо луча коаксиально с ним на обра
Щ1Е;ii: : ;j#i*\,...
- ":. :;-. - ::'::j.::-.
.-.....:.:.:.. ::<::: :-.
/i. j
:-: ..% -
.-;-:-:.:
Ш?
.-:@,/
.... ... ..f :: !;.,Н;я;;;;#др.
.. .".'"""
Рис. 4.3n Лазерная обрабатывающая rоловка для контурной резки дре-
весно слоистоro материала
батываемЫй"образец направляется струя rаза. Сопла.. в частности, reo
метрически выполнены таким образом, чтобы они моrли создавать TaK
же .1Iаминарные потоки со сверхзвуковой скоростью. fазовое сопло
может служить также для диафраrмирования лазерноrо пучка. rолов
ка резательной машины на основе С02 лазера в основном работает
с одиночными линзами (фокусное расстояние f 50-7200 мм).
Задачами дополнительноrо потока rаза являются:
защита фокусирующей лиизы от паров, образующихся при обра
б-отке материала;
удаление паров из зазора, образующеrося при резке;
инициирование и поддержание реакции окисления между железом
и кислородом;
в случае необходимости заЩита зазора, образующеrося при резке,
от атмосферноrо воздействия путем применения защитных rазов;
предотвращение воспламенения лerкосrораемых материалов путем
применения дополнительно химически пассивных rазов;
охлаждеиие кромок реза;
сознательное влиЯНие на профиль шва с помощью смеси rазов при
сварке в режиме rлубокоrо проплавления.
Для неметаллов и резки металлов без кислорода применяется
ииертный или химически пассивный rаз. Для большинства случаев для
неМеталлов достаточно использование воздуха в качестве дополнитель-
но вводимоrо rаза (табл. 4.4).
Для лазерио кислородной резки на HarpeToe место подается кисло
род. Характерными особенностя являются узкие зазоры, образую
Т а б л и ц а 4.4. Скорость разделительной резки неметаллических
изделий с помощью СО2 лазера [SM 400 (340 Вт), дополнительно
вводимый rаз воздух или N 2 , Фокусиое расстояние линзы f IOO мм]
Материал
I I скорость резания,
ТОЛЩина, мм мм/мин
Поливинилхлорид
Поливинилхлорид
ПOJlиэфирное волокно (РЕ)
ABS
Полистирол
РММА (полиметилметакрилат)
РММА (полиметилметакрилат)
Sprelacart
Реrtiпах
GUP
Древесина
Слоистая древесина
Слоистая древесииа
Стекло мат 450 r/M 2
Стекломат 820 r/M 2
Промасленная бумаrа
Тонкая керамика
2
6
4
5
3
8
10
1,2
1,1
5
20
6
12
32 слоя
1
3000
1750
1000
1500
3000
1500
1250
3000
3000
500
1000
3000
1250
зооо
3000
3000
2ОО(}
:r 5000
'"
::t
4000
::t
i ;1000
2000
1000
с:.
О 0,2 0,4- О,б 0,8 1
Лазерная мощность, кВт
а)
о 0,2 0,4- О,б 0,8 1
Лазерная мощность, кВт
5)
Рис. 4.31. Орнентировочные значения скоростн резки С0 2 -лазерамн (ис-
пользуемая для обработки оптическая снстема с ' 65+150 мм) [28]:
а иелеrироваиные качественные и специальные стали (как, например. сталь для
rпубокой вытяжки и рессорио-пружиииая стапь); б пеrированные ивысоколе'
rированные. химнчески стойкие стапи
щиеся прн резке, и иезначнтельный вклад теМа (табл. 4.5, рис. 4.31).
У листа толщиной 1 мм для rлубокой вытяжки rлубина бороздок
на поверхности реза достиrает от 0,015 до 0,05 мм, а прилerающая
СО2 Лазер ' i
{о,з к Вт, ::2: I..
i;10KBT, .,......,....,.,J
заштрцхо
f!анный)
x I llr
r ,
L J
Ллазмd r ,
L J
(500 А, r ,
L J
100 кВт) r
L
r ,
L .J
rl 11 I 11
rазо8ая 1 :-J:.:"
f-.-...,-
резка.
11
mшшmn
............
L....
0,1 1 10 100
ТОЛЩuнd Mamepl1fJ./!cl t мм
непееuро8анная u
/fl1зколееuро{}аннаl1 cmatlt
8ысоколееl1роОанная сталЬ
{!ЛЮМЦНUй I! СП11{1.ОМ
титаН
неметалl1Ь!
меО6
еранцчнаll оОластЬ
1000
Рис. 4.32. Области применеиия различных способов термической разде-
лительной резки [29]
зона тепловоrо влияния составляет от 0,05 до 1 мм. Внешняя форма
и давденне струи rаза, вытекающей из сопла, влияют на достижимую
rлубину реза и качество зазора. Воможны параллельные поверхности
резания с отношением rлубины к ширнне 100: 1. В зависимости от ти
па материала и ero толщнны ширииа зазоров, образующихся прн рез-
Ке, достиrает O,I 0,7 мм.
При методах тепловой резкн металлов лазер заполняет технолоrи-
ческий пробел в резке материала ТОЛlIUlной до 4 мм (рис. 4.32). До
снх пор rлубина резки для неметаллов достиrала примерно 50 мм.
Резка лазериым лучом это не просто замена старой технолоrин
На новую. Лазерную резку следует внедрять в тех случаях, коrда
МОжио использовать преимущества лазера (см. табл. 4.1) и при этом
достиrается улучшение Bcero технолоrическоrо процесса. Это относит-
СЯ к улучшению Качества резки, что позволяет отбросить некоторые
предварительные или последующне технолоrические операции.
Примером является резка ПОJUlметилметакрилата (РММА), rде
Т а б л и ц а 4.5. Лазерная резка метаJlЛОВ (SM 400, дополиительно
ВВОДИМЫЙ rаз 02, давлеиие rаза 0,25 МПа, фокусное расстояние лиизы
f 100 ММ)
Материал
I Скорость pe r Ширина зазора, обра-
Толщина, мм заиия. мм/мин зующerос: м при резке,
Сталь (Zu)
Сталь (Gu)
Сталь оцинкованная
Сталь оцинкованная
Сталь (Gu)
Сталь 38
X8CrNiТiJ8.10
X8CrNiТiJ8.10
X8CrNiТiJ8.1O
X8CrNiТiJ8JO
Рессорная сталь
. Рессорная сталь
тi
1
1
0,8
1
2
3
0,5
1
2
3
0,4
0,6
3
3000
3000
3000
3000
1250
1000
3000
1500
1000
750
3000
3000
3000
0,20
0,20
0,15
0,10
0,10
0,10
0,10
0,10
0,15
0,10
0,20
0,15
0,50
Рис. 4.33. С0 2 -лазер в комбинации с простым поворотным устройством
для лазерНОЙ резки полиметилметакрилата при изrотовлении настоль-
ных ламп
лазерная резка одновременно обеспечивает полироваиную светопрочную
кромку и отпадает дополиительиая полировка (рис. 4.33). Друrой при
мер резка и одновремеиное термическое заделывание кромок реза на
технических тканях (рис. 4.34).
Рис. 4.34. Лазерный рез технической' ткани из полиэфирных волокон,
кромки реза одновременно термически обрабатываются
Большие преимущества дает лазерная резка труб нз кварца ДШf
насосной установки в ламповой промышлеииости. Резка осуществляет
ся <la 1,5 с для труб с наружиым диаметром 4 мм и ТОЛЩиной стенки
0,7 мм без пыли и шума.
4.1.6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕхнолоrии
При взаимодейсmии лазерноrо излучения с вещесmом материаJl
наrревается, расплавляется и ИСШiряется. В сочетанни с маиипулиро
ванием изделием и реrулироваиием и контролем процесс а иаряду со
сваркой, резкой н сверлением в промышленность внедрены нли нахо-
дятся еще в стадии разработки и друrие технолоrии для широкоrо
применения. I<: этим применениям следует отнести лазерную подrонку
сопротивлеиия пленочных резисторов, закалку, rраВировку, надписи,
скрайбирование, переплавку и rлазурование.
4.1.6.1. Лазерная обработка тоиких металлических плеиок. Под тон-
Кими пленкамн здесь следует понимать пленки толщиной d 1 + 2 мкм.
Лазерное излучение примеияется:
для подrонки тонкопленочных элементов, используемых в электро-
нике;
структурироваиия тоикнх пленок;
накопления изображения и информации.
Процесс удаления поверхностноrо слоя определяется параметрами
лазерноrо излучения и свойствами плеики и подложки.
В промышленность виедрен метод подrонки пленочных резисторов
НЗлучением Nd-ИАf-лазера. Подrонка резистора происходит путем уп
раВЛЯемоrо испарения плеики до достижения иоминальноrо значения
СОпротивления резистора.
Лазерная подrонка толстоплеJ!fочных и тонкопленочиых компонен-
тов осуществляется путем сверлеиия ряда перекрываюIЦИХСЯ отверстии,
осуществляемоrо за счет испарения материала резистора, при этом не-
обходимо поддер)Кивать иезначительное тепловое воздействие на края
реза. Выделение энерrии в импульсе, частота их повторения, длитель-
ность и скорость резки должны быть соrласоваиы друr с друrом.
80
х.... 60 нм
.+ 120
о 200нм
60
""
х
40
<u
<::>..
"t:I
20
:::з
()
1 5 Ю
Частота слеiJо8ания UMпYlfbco8, KrU.
Рис. 4.35. Ширина резаиия в зависнмости от частоты повторення нм-
пульсов для пленок из меди различной толщины (фокусное расстояние
фокусирующей оптнки f 25 мм; Nd-ИАf-лазер) [35]
t::r
:0:><
:::.Х
"'-.
:::st:l 80
......... =:3:6 ""'о....
t:>..
"- БОР
........ I
r 4-0 .
........ /.
. f=2SMM, р о,БОВт, v =2,7кrц 20
о f=50 ,P=o,4-S. у= f,S
z:.f=75MM,P=O,25BT, v= 76'кrц
200 160 120 80 'tO О 40 80 120 160 200
Дефокусиро8ка Z, мкм
Рис. 4.36. Влияние дефокусировки Z на ширину резання для трех раз-
личных фокусных расстояиий [35]
Ширину резкн можно нз менять частотой повторения импульсов
(рис. 4.35) н дефdКусировкой лазерноrо луча (рис. 4.36). Процесс под-
rонки осущесmляется автоматически. В зависнмости от требуемой точ-
ности подrонки имеются различные формы канавок (рнс. 4.37 и 4.38).
Точность подrонки достиrает от Ю 2 дО JO з %. При подrоике тонко-
пленочных компонентов inирииа реза в пленках
ро, никель, хромоникелевая сталь) достиrает 5
работки до 75 мм/с. Длительность импульсов
150 до 200 НС.
Наряду с подrоикой толстопленочиыХ и тонко пленочных компонен
тов путем частичиоrо снятия поверхностиоrо слоя обрабатываются TaK
(золото, таитал, сереб-
мкм при скорости об-
лежит в иитервале от
-Соеоuнuтельная
дорожка
Реаистииный
слои
[L] l!l!I
а)
Надрез
б)
о)
Рис. 4.37. Формы иадрезов для подrонки резисторов:
а простой прямой наДiPез; б двойной надрез; в надрез в внде меандра
R r JZy
Я НОМ A
t;f[", у надрез
L/ з
у надрез
:.-
Х
х наарез
Рис. 4.38. Изменение сопротнвления в зависимости от длины реза по
двум направлениям (х цаправление: rрубая подrонка; у-направлеиие:
точиая подrонка)
же резисторы цилиндрической формы, металлические пленки на ферри-
те, крнсталлы из кварца для reHepaTopoB и фильтров.
4.1.6.2. Обработка полупроводииков. В полупроводниковой техноло-
rни лазер предстаВJIЯет интерес для проведения следующих опера
ций [2]:
разделение полупроводниковых дисков и подложек;
надписи иа полупроводниковых пластинах, контроль процесса;
рекристаллизация для залечивання дефектов, вызваниыХ иоиной
имплантацией;
выращивание кристаллических тонких пленок путем рекристалли
заЦии аморфных слоев;
улучшение структуры поликристаJlЛических кремниевых слоев для
интеrрв;льных схем;
электрическая активация прнмесных центров для улучшения элек .
Трических свойств слоев, леrироваииых диффузией, и для изменеиия
ТИПа проводимости;
леrирование и изrотовлеиие омических контактов.
При автоматическом скрайбировании керамических подложек в
I'ибридиых переключательиых схемах мощность лазерноrо излучения
.и скорость скрайбироваlШЯ соrласуются друr с друrом таким образом,
чтобы подложка леrко поддавал ась излому без появления термическо-
.ro повреждения.
Материал
Ориеитировочные зиачения для скрайбирования
импульсным СО2 лазером
I I Скорость скрай rлубина скрай
Толщина, мм I бироваиия, MMfc бироваиия, Мкм
0,635 I
1,0
I
100
60 70
200
250
Керамика
Керамика
ШИрИНа следа доtтиrает примерно' 80 мкм.
Для скрайбирования керамики более широко используются C02
<пазеры, чем друrие типы лазеров. СО2 лазер представляет альтернатн-
ву для скрайбирования алмазом, резке с использованием суспензии,
химнческоrо травления. Для кристаллических пластинок из кремния
скорости скрайбирования MorYT достиrать до 400 MMfc при шириие
следа 30 60 мкм.
При микрообработке Nd-ИАf-лазер имеет следующие преимущест
на: небольшое количество энерrии, отсутствие вакуума,. большая селек
тивность по отношению к материалу, хорошая управляемость и точное
ПОЗИЦИОlШрование лазерноrо луча (размер структуры 3 мкм).
Для маркировки пласmн прнменяется Nd ИАf лазер, а дJJЯ надпи
сей на элементах пренмуществеиио С0 2 -лазер.
Отжиr дефектов леrирования полупроводников лазерным излуче
янем (лазерный отжиr) при процессах расплавления и рекриста.IIЛиза-
дИи для определенных применений дает преимущесmа по сравнению
с обычными термнческимн процессами. Как с импульсными, так и с
лепрерывными лазерами достиrаются высокие рабочие скорости и BЫ
rодные свойства полупроводников.
При непрерывном облучении Nd ИА.r-лазерами или арrоновыми
лазерами получаются rладкие, совершенно бездефектные поверхности,
п{)лная рекристаллизация и полная электрическая активация. Облуче-
ние импульсными лазерами дает бездефекmые поверхиосm и хорошую
рекристаллизацию при иезначительных остаточиых повреждениях, ко-
торые объясняются пространствениой неоднородностью облучения, бо-
.1Iее высокими плотностями энерrии и более высокими r.коростями ох-
лаЖдемия.
Термообработка и лазерный отжиr переключательных схем (отжиr
в mердой и Жидкой фазах) аморфных и поликристаллических пленок
дают следующие преимущества [2]:
отжиr областей с ионной имплантацией происходит с точным про-
странственным управлением в диапазоне микрометров;
устранение дефектов структуры (остаточные разрушения меньше
1 мкм);
профиль леrирования может близко соответствовать нсходному
профилю;
rомоrенизация леrирующнх добавок происходит в пределах нуж-
ной пространственной области.
4.1.6.3. ТермообрабоТf{"a (закалка). Закалка может быть осуществле-
на с помощью импульсноrо или непрерывноrо лазерноrо излучения. Ox
лаждение происходит лишь за счет теплопроводности твердоrо тела.
Время охлаждения по порядку равно времени HarpeBa. Точно опреде
лениое повышение температуры можно получить в очень маленьких
областях.
Для селективной закалки более крупных изделий применяются СО 2 -
лазеры с выходной мощиостью В киловаттном диапазоне. В зависимо
сти от материала и размеров изделия необходима выходная мощность
лазерноrо излучения 1 5 кВт для rлубины закалки больше 0,7 мм.
пример. На автоматической установке, предназначенной для закал
ки ВaJlОВ, осуществляют частичную закалку валов диаметром 6,4
16 мм и длиной l00 610 мм в опорных местах. У валов из материала
С 60 была достиrнута rлубина закалки 0,4 мм. Была достиrнута твер-
дость по РоквеJlЛУ 62 64.
Преимущества лазерной закаnки валов:
очень малая деформация (::1::75 мкм);
не требуется выполнения дополнительных работ;
повышение срока службы до трех раз по сравнеиию с обычным
временем износа.
Закалка осуществляется путем сканирования сфокусированным или
расфокусированным лазерным лучом. Форма пучка излучения МОЖет
быть прямоуroльной или в виде друroй rеометрической фиrуры.
При поверхностиой закалке изделий из уrnеродистой сталя и чyrу-
аа при плотности мощности лазерноrо излучения 106 BTfcM 2 и ширине
следа 1 1O мм достиrнyrа rлубииа закалки 0,5 1 мм. Примеры изде-
лий, подверrающихся лазерной закалке, приведены на рис. 4.39.
Q@ щ
$
1!
Рис. 4.39. Примеры деталей для лазерной Закалки [36]:
а поверхность; б yrolloK; в канавка; 2 rpaHb; д наружный диаметр;
е внутренннй днаметр; :не Кllапан; з распредеllНТельный ваll
Преимущества закалки лазерным излучением [36]: .
возможна частичная закалка в пределах определеннои области по-
верхности, отпадает проблема рассеяния поля, которая имеет место при
Индукционной закалке;
Т а б л и ц а 4.6. Обзор техttолоrически применяемых способов лазерной термообработки [5]
(Т в температура при термообработке, Т s температура плаВJIения или начала плавления,
т v температура испарения)
Диапазон температур при
термообработке
Лрименение
способ
Термофизнческий процесс
Термообработка в твер-
дом arperaTHOM состоя-
иии, Тв<Т s
Термообработка в
жидком arperaTHoM со-
стоянии, Ts """" TB<TV
Поверхност-
ная закалка
Отжиr
Поверхност
ная переплавка
Кратковременный быстрый HarpeB
тонких поверхностных слоев лазерно-
облученных участков материала в об-
ласти аустенита, образования мартеи-
сита вследствие самозакалки, насту-
пающей непосредственно после окон-
чания лазерноrо облучения (за счет
теплопроводности в холодный OCHOB
ной материал) со сверхкритической
скоростью охлаждеиия
Кратковремениый быстрый HarpeB
тонких поверхностиых слоев лазерно-
облучеиных участков материала вы-
ше температуры рекристаллизации,
блаrодаря чему устраняются дефек
ты кристаллической решетки
Кратковременное быстрое расплав
ление тонких поверхностных слоев
лазерно-облучеиных участков матери-
ала, быстрое затвердевание непосреk
ственно после окончания лазерноrо
Изменения твердости в ре-
зультате фазовоrо превраще-
ния Железоyrлеродистых спла-
вов (сталь, чyrун)
Рекристаллизация ионно-им-
плантированных полупровод-
никовых веществ и металлов
или сплавов с наклепом
Получение очень тонких мик-
рокристаллических структур,
расширение областей твердых
растворов, растворение опреде-
ленных фаз, rомоrенизация по-
Поверхност-
ное леrирова
uие
Нанесение
покрытия
облучения '.вследствие теплопровод-
ности в ХО:lOдиый основной матери
ал)
Кратковременное быстрое расплав
ление TOHKoro поверхностиоrо слоя
участков материала с предваритель-
ным нанесением незначительноrо слоя
леrирующих компонентов, включая
ускоренное перемешивание и образо-
вание сплава из OCHoBHoro материа-
ла с леrирующими компонентами,
быстрое затвердевание непосредст-
венно после окончания лазериоrо об
лучения (вследствие теплопроводно-
сти в холодный основной материал)
Кратковременное быстрое рас-
плавление TOHKoro поверхиостноrо
слоя участков материала с предва-
рительным нанесеиием более толстоro
слоя. дополнительных компонентов
без полноrо сплавления OCHOBHoro ма-
териала с добавочными компонента
ми, затем быстрое затвердевание по-
сле окончания лазерноrо облучения
(вследствие теплопроводности в хо-
лодный материал)
верхностиых областей, УПJlотне
иие тонких ПОКРЫТИЙ и сrла
живание шероховатых поверх
ностей металлов или сплавов,
изrотовление аморфных слоев
у определеиных сплавов (<<ме-
таллические стекла»)
Леrирование поверхностиых
областей металлов или сплавов
различными компонентами
Нанесение покрытий из раз
личных материалов на метал-
лы и сплавы при обеспечении
высокой прочности сцепления с
основным материалом
термообработка оrраничивается иаружными слоями, свойства цeH
тральиой части изделия остаются неизменными;
поrлощение тепла изделием небольшое, отсутствует коробление
изделий;
возможна термообработка механически обработанных изделий, при
этом поверхности ие повреждаются;
возможна термообработка изделий сложной формы;
лазериый процесс самозвкаливающийся, охлаждающеrо средства
или ванны не требуется;
термообработке MoryT подверrаться изделия из стали с иизким
содержанием уrлерода;
способ приrоден для всех материалов, обрабатываемых обычным
способом.
4.1.6.4. Улучшеиие характеристик материала переплавкой. Наряду
с закалкой на свойства поверхности металлов целенаправленно можно
оказывать влияние также путем переплавки. Образование деидрита на
поверхности, вЫзваиное лазерным излучением, обусловливает быстрый
рост микротвердости. Блarодаря этому изменяются мехаиические, кор-
розионно химические и триболоrические свойства поверхности. Связь
между временем воздействия и плотностью мощности показана на рис.
4.40, табл. 4.5.
пример. Лазерная переплавка поверхностей из ceporo чуrуна при
водит на rлубине O,I O,2 мм к повышению твердости по Виккерсу до
920 по сравнению с твердостью соседиеrо слоя по Виккерсу 520 и 300
для OCHOBHoro материала, оставшerося без изменения. При переплаВКе
путем добавок из порошков (бор, стеллиты, карбиды) Moryт быть по-
лучеиы тоикие износоустойчивые покрытия. У стали X5CrNi 18.9 бла-
'" 1010'
х
..,
SXI
1DB
:::,
<.>
<:>
":t;
i10 6
..,
<::>
10'"
,
,
10 6 10 Zr 10 2
Время 80зDеi1ст8ия 1: е , с
1D B
Рис. 4.40. Связь между требуемой плотностью мощности, удельным pac
ходом эиерrии и временем взаимодействия между лазерным излучеиием
и материалом:
1 ударная закалка; 2 сверленне; 3 характерная плотность потока знерrнн,
Дж/см'; 4 поверхностный переlLllав; 5 поверхностное нспаренне; 6 сварка
с rлуБОКlIМ ПРОlLllавлением; 7 поверхностное иаплавление; 8 поверхностное
расплавление; 9 закалка
rодаря лerированию в расплавлениом состоянии с помощью. ПОРоШко
образноrо бора получен слой толщиной примерно 0,1 мм с крайне вы .
сокой твердостью по Виккерсу (1400).
Если повысить скорость охлаждения с 102 ДО 106 К/с, то на по
верхности металлов образуются аморфные структуры. Этот процесс:
называется также остекловываиием материала (лазерное остекловыва ,
иие). Области остекловывания простираются на rлубину примерно'
20 мкм.
4.1.6.5. fравировка и иадписи. Для обозначения корпусов из пласт
массы, пластинок из кремния, цифровых часов, нержавеющей стали,
поршневых колец, электростимуляторов сердца, инструментов lIереклю
чателей, конденсаторов, драrоценностей, схем, деталей машин и caMO
летов оправдали себя лазерные системы для выполнения надписей.
Nd-ИАf лазер в сочетании с микропроцессорами и манипулированием
изделием позволяет наносить маркировку на полях 50х50 мм с разме-
ром надписей O,25 4 мм и скоростью 6 знаков в секунду, при этом
материал испаряется или расплавляется. Шрифтовые знаки прорисовы
ваются непрерывной линией, в виде точечноrо растра или с помощью
отображения маски. Изrотовление rравированноrо обрезиненноrо вали-
ка с помощью лазера является внедренной технолоrией.
В стекольной промышленности лазерная rравировка с пОмощью
СО 2 -.'Iазеров является очень рациональным методом для выполнения
декоративных работ (рис. 4.41). Блаrодаря покрытию непоrлошающим
.... j( ..1'
' 1
. ./''' .
'." Р' .,
:i;}" . :.J'
:.::::: : : : :}:::::=::}::::::::::::- .
::::::?
.. ' -i ;:'
<ОЭ;"
'!'"
""", "",
рис. 4.41. Изrотовление узора на стекле, фарфоре и деревянных тарел
ках путем облучения СО2 лазером [37]
Метамическим шаблоном путем построчноrо сканирования достиrается
праК'l1Iчески теневая картина на стекле за счет частичноrо испарения.
Аналоrичным образом можно получать изображения на фарфоре,
rипсе и дереве.
4.1.6.6. Перспективы развития. Мноrие технолоrии лазериой обра-
ботки материалов, как, например, сварка, резка, сверление и закалка,
rPазрабатывались для использования в промышленных условиях. С ис-
следованием новых типов лазеров повышением мощности Nd ИАf-ла-
зера и С02 лазера, а также с усовершенствованием лазерНЫХ вспомо
rательных элементов в традиционных областях открываются новые
возможности. К ним следует отнести сварку в режиме rлубокоrо про
плавления и резку все более толстых материалов, а также резку без
дополнит.ельно вводимоrо rаза за счет быстроrо испарения. Следует
ожидать, что в дальнейшем будут расширяться возможности за счет
использования друrих длин волн и более высокой выходной мощности.
Возможны более эффективные связи с роботизированными системами
и включение лазеров в производственные системы. В некоторых обла
стях, например. при подrонке в микроэлектроиике, лазер является неза
менимым инструментом. Кроме Toro, лазер в будущем должен конку-
рировать с обычной технолоrией производственных процессов и друrи
ми лучевыми методами (электронно лучевой метод и метод плазмен-
ной струи).
Стимулируется внедрение лазеров во все новые области. Возра-
стающий интерес к эксимерным лазерам СВЯ2ан с возможностью полу
чения коротких импульсов для обработки материалов (фотолитоrра
фия).
Следует ожидать, что в будущем лазерное И3JIучение будет ис
пользоваться также при осаждеиии из rазовой фазы (например, для
достижения определенных поверхиостных свойств и изrотовления но-
вых материалов синтез твердых материалов).
Блаrоприятные возможности для обработки материалов и возмож-
ность цифровоrо управления всеми существенными параметрами про
цесса делают лазер термическим ииструментом, который хорошо ПОk
ходит для автоматическоrо rибкоrо производства и производства с не-
большим числом обслуживающеrо персонала.
4.2. МЕтролоrия
4.2.1. ПРОВЕШИВАНИЕ ЛИНИИ И УПРАВЛЕНИЕ [39 53]
Применение высокомеханизироваиных способов производства при
разработке месторождения, в строительстве, судостроении, при разра-
ботке открытым способом, в машиностроении и дрyrих отраслях про-
мышленности привело к повышению требований к способам измерения,
контроля и управления и системам приборов в части точности, cкopo
сти измерения, интеrрации в производственном процессе, быстрой обра-
ботки результатов измерения в целях получения информации для KOp
ректирования и управления при автоматизации, большоrо объема
работ по проведению измерений и затрат на обработку результатов из-
мерений, перехода от простой рerистрации к непосредственному воздей
ствию на процесс.
Мноrие до сих пор распространенные способы измерения и KOHT
роли (зрительная труба, нивелир, теодолит и Т. д.) не удовлетворяют
этим требованиям. Это относится прежде Bcero к таким способам про-
изводства, которые связаны с быстрым проrрессом в строительстве или
с большими и частыми перемещениями рабочих машин. Особые свой-
ства луча лазера как «безмассовой» опорной линии или плоскости,
а также высокая интенсивность света, иаправленность и возможность
модуляции делаl<Yr ero эффективным прежде всею для провешивания
лииий и управлеиия, реализуемых в одном направлеиии или плоскости,
которые можно подразделить на четыре класса, rде лазерно излуче
ние используется в качестве направляюrцеrо луча или опор нои плоско
сти В инжеиерио-rеодезической технолоrии и контроле, направляющей
линии или плоскости для монтажиых и юстировочных процессов, иа
правляющerо луча или плоскости для управления динамическими про
цессами, опорной линии или плоскоети для обнаружения деформаций.
Лазерный луч образует активиую оптическую опорную ось или
плоскость, которая может быть определена визуально с помощью визи
руемой марки или фотоэлектрическоrо приемника.
Для задач провешивания линий и управления в настоящее время
используется Не Nе-лазер блаrодаря ero высокому технико-технолоrи
ческому уровню развития, причем разработка новых лазерных прибо
ров, как, например, лазерноrо указателя направления (лазерный ви
зир), лазерноrо нивелира, лазерноrо надир зенит-проектора, лазерноrOJ
теодолита и лазерноrо проектора с оптическим преобразователем на-
правления (ОПН) открыла новые области применения.
Наиболее широко развито применение лазерной техники в строи-
тельстве. МноrочислеIiные фирмы предлаrают лазеры в качестве указа-
телей направлеиия для строительных и монтажных работ (прокладка
труб, строительство каналов и тоннелей, строительство жилых зданий)
и для автоматическоrо управления строительными машинами (бульдо
зеры, автоrудронаторы и бетоноотделочные машины).
4 2.1.1 Конструкция лазерных приборов (строительиый лазер).
Свойства излучения Не-Nе-лазера малая расходимость, MOHoxpOMa
тичность (красный свет), модулируемость и высокая плотность излу-
чеиия Дают возможность получения направляющих лучей, которые
используются на расстоянии до 100 мм и более для целей измерения,
'!'rситслыю-монтажных работ (рис. 4.42).
Условия применения лазерных приборов в промышленности, в част
ности в строительстве, ставят высокие требования к механической CTa
бильности и надежности, стабильности и направления лазерноrо излуче-
ния, сроку службы источника из.IIУЧеиия, дальности- действия и точно-
сти, комфорту обслуживания и удобству ухода, размерам и массе, элек
трической безопасности.
основные технические характеристики лазерноrо указателя
направления
Мощность излучения, мВт .
Срок службы лазерной трубки, ч
Диаметр луча без систем расширения
Расходимость луча, мрад . ..
Увеличение оптической системы
Напряжение питания прибора .
пучка, мм
1 2
ПО меньшей мере
10000
",,1
0,5
15 Х и 30"
12 B-j220 В, сеть
:::!::1О%
20 30
Потребляемая мощность, Вт. . ..
При бор обеспечивает нормальную работу при тем-
пературе, ос От 20 до +45
Степень защиты . IP 54
Масса, кr . 1 2
Механическая конструкция: надежиая, пылезащищенная, водонепрони
цаемая, ударопрочная, компактная, иезначительиые размеры
ИЗ основНОй коиструкции rазовоro лазера для лазерноrо указателя
направления вытекает необходимость дополнительных оптических и ме-
ханических элементов.
Устройство формироваиия пучка. О п т и ч е с к а я с и с т е м а
р а с ш и р е н и я п у ч к а. Выходящий из лазерноrо резонатора rayccoB
лучок, применяемый для задач провешивания линий и управления
Не-Nе лазера, имеет, вообще rоВоря, диаметр 2 wo 1 мм uи расходи
мость е о > 0,5 мрад. Поэтому без дополнительной оптическои формиру
Рис. 4.42. Лазер для задаиия направления типа LFl Народноrо пред-
приятия Carl Zeiss, Иена, [ДР; технические характеристики: мощность
0,8 мВт; диаметр пучка без оптики 0,9 мм, с увеличением 15 Х 13 мм,
с увеличением ЗО Х 26 мм; расходимость пучка 0,5 мрад; дальность дей-
ствия с визирной маркой днем 500 м, ночью 1 км; принадлежности: ви-
зирные марки, цилиндрические линзы:
1 труба-искатель; 2 цилиндрический уровень 30"; 3 лазер; 4 коллиматор;
5 реl'улнровка по высоте 5 см; 6 основанне
ющей системы нельзя получить пучок, который распространялся бы на
расстояниях нескольких сот метров почти параллельно и имел бы до-
статочно большую плотность излучения для определения положения
пучка с помощью приемных устройств (визируемые марки, масштабная
линейка, дальномерная рейка) или фотоэлектрических датчиков. Для
уменьшения расходимости лазерноrо излучения применяются преиму-
щественно телескопические системы с 15- и 30-кратным увеличением.
Телескоп увеличивает радиус пучка Wo до значения Two и уменьшает
уrол расходимости до значения 80fT (рис. 4.43).
Точность координирования опорноrо пучка в основном зависит от
плотности лазерноrо излучения в месте наблюдения или в точке изме-
рения. При использовании визируемых марок (визуальный способ опре-
делениЯ местоположения) достиrаемая дальность действия и точиость
зависят, кроме Toro, от фОНОБоrо излучения (солнечный свет, освеще-
иие). Для повышеиия плотности излучения (уменьшение поперечноro
сечения пучка) I1рименяется фокусирующая оптическая система, в KOTO
рой фокусирующая линз перемещается с помощью реrулнруемоrо при
вода из телескопическои установки. В зависимости от перемещения
Рис. 4.43. Зависимость радиуса пучка
w от измеренноrо расстояния z для
телескопа с различныМ увеличени
eMr
рис. 4.44. Принцип действия фокуси
рующей системы расширения пучка
(r зо) в зависимости от перемеще
ния /1 фокусирующей "1ИНЗЫ
V,i"1M
100
80
60
40
20
О :---
20
40
60
80
100
30
r=JO
r=20
r:::::.15
r=10
:Е:
'"
-; 20
"'-1
:.-
'g' 10
"'-
5
11:
'"
'"
"'[
w o =0;5MM
i! =0,Б3МI<М
1 2 3 5 10 30 50
Измеряемое расстояние z, м
..,,"" I
..,,""
.." д==1,омм
.."
.."........,, 1:.==0,5
..,,"" 11 О
........"""'-................. L1 0,1
'-:---
.......:---
'-'-.....
:---
.....:---
:---..... ,1 == 1,0 мм
:---.....
:---:---
, '";'-'
50 100 150 200 250
Измеряемое расстояние, м
фокусирующей лиизы можно сфокусировать лазерный пучок на расстоя-
ниях от нескольких метров до нескольких сотен метров в пятно диа
метром несколько миллиметров (рис. 4.44).
Оптические системы для отклонения и деления
п у ч к а. В ряде строительно-моитажных техиолоrий процессов в CTpo
ительстве, машиностроении и судостроении применяются оптические
Отклоняющие системы и делители пучка для:
Т а б л и ц а 4.7. Принцип действия отклоняющих элементов и делителей CBeTOBOI'O пучка
Отклоняющие оптические элементы
ПрннцНпlдействия, применение
Зеркало /3 2a
/
Р ./ а
././ fЗ 2d
1pexrpaHHoe зеркало (уrолковый отражатель)
Ретроотражение падающеrо направляющеrо луча к лазеру:
вспомоrательное устройство для ориентирования друrих оп-
тических элементов, например пентапризмы;
монтаж и юстировка частей машин и rрупп машин в маши-
ностроении и при изrотовлении приспособлений
Падающий направляющий луч (плоскость) после двукратноrо
зеркальноrо отражения направляется параллельно смещенным к
лазеру:
ориентирование лазера на точку визирования с yrолковым OT
ражателем; лазер точно ориентирован, если реrистрируется
максимум в отраженном сиrнале;
отражатель для электрооптическоrо измерения расстояния,
неподвижныЙ или смещающийся (Е измерение без прерыва-
иия)
Пентапрнзма
Отклонение падающеrо направляющеrо луча на фиксированный
уrол независимо от уrлз падения луча
Норма.1ЬНЫЙ случай 100 rOH:
отклонение rоризонтальноrо луча на вертикальный луч н Ha
оборот;
отклонение в пределах опорной плоскости, напрнмер продоль-
ная ось сооружения отклоняется в качестве поперечной осн
Плоскопараллельная пластина
n '
v dtап а
n
у", Л;/ d.tl1П lX.
Выходящий направляющнй луч после двукратноrо прело мления
распространяется параллельно падающему лучу:
параллельное смещение v зависит от толщины d стеклянной
плаcrины, уrла падення а и показателя преломления n стекла;
измерения с высокой точностью малых перемещений и разно-
стей положений в машиностроении и при строительстве элект-
роустановок;
измерения д формацин детаJjец Ц сооружециii
Продолжение табл. 4.7
Отклоняющие оптиqеские элементы
Принцип действия, применеНИе
Пара вращающихся оптических клиньев
/e /'
,JЗf >< cЯ1Jj
O OO б 2е
Падающий направляющий луч при одиНаковом или противопо
ложном вращении клиньев (8 уrол клнна) отклоняется на
уrол б
Ма симц,лl;>ное отК.tlонение достиrает l\ 28:
ОТКЛQнение лазерноrо луЧа на малый уrол относнтельно опор-
ной оси;
задание изменений направленця и наКJlона при проходке тун-
нелей, в .мелиорации и т. д.
Делитель CBeToBoro пучка
т,
Т 2
Направляющий луч падает на полупрозрачную отражательиую
поверхность и разделяется на два частичных пучка Тl и Т2, кото-
рые распространяются перпендикулярно друr друrу
Распределение интенсивностей: T 1 : T2 50 %/50 % (обычный
случай) :
одновременное получение ортоrональных направляющих пуч-
ков'
ком'бинация опорных линий в rоризонтальной и вертикальноЙ
плоскостях;
ортоrональная проекция опорных осей при разбивке в жилищ-
ном строительстве и судО"строенни
получения параллельных и (или) ортоrональных опорных линий
(например, продольная и поперечная оси сооружения) с возможно
меньшим числом лазерных приборов;
создання боковыХ КОНТРОЛЬИЫХ точек для проверки лазера, исполь
зуемоrо в стрс;,ительстве, на изменение положения, если отсутствует не-
посредственны и KOHTpOJlb первоначальноrо направления;
установки лазера, используемоrо в строительстве, по удаленным
точкам визирования, которые труднодостижимы вследствие большоrо
расстояння нли требуют радиосвязи (например, внзируемые точки на
противоположном береrу реки или озера или в воде);
создани,я неподвижной системы осей для повторящихся монтажиых
операций (например, моитаж судиа нз предварительно изrотовленных
секЦИЙ иа стапеле или в монтажном цехе);
установка лазера, используемоrо в строительстве, BH оптимальноrо
местоположения из за отсутствия места для манипуляций со светом,
опасности из-за транспортных работ, вибрации или наклоиа местности
в виде дополнительных элементов на Лазере, используемом н строитель-
стве, или отдельно в виде самостоятельной конструкции или в различ
ных комбииациях.
В табл. 4.7 представлены отклоняющие системы (рис. 4.45) и дели
тели пучка, применяемые для проведения направляющих линий и управ-
Рис. 4.45. Оптическое устройст
во для отклонения CBeToBoro
пучка на 900 (Стронтельная
академиЯ, f ДР):
1 защитные стекла; 2 цилинд
Рический уровень; 3 цапфа; 4
основанне
Рис. 4.46, Комбинацни уrолковых от-
ражателей
ления, иа рис. 4.46 показано несколько комбинаций из TpexrpaHHbIx OT
ражателей.
Ц и л и н Д р и ч е с к и е л и н з ы. Опорные плоскости для задания
напраВЛЯЮIЦей линии и управления (например, позиционирование CMe
щенных по ВЫСОте конструкций, сопровождение строительных машин,
нивелироваиие) образуются с ПОМОlЦЬЮ цилиндрических лииз (рис.
4.47). В цилиндрической линзе лазериый луч фокусируется в ОДНОЙ
"""\ v
IJ п+
J 1c fz I< z :.\
Рнс. 4.47. Принцнп действия цилиндрической линзы D+...Dzjf%
плоскости (фокальной плоскости), тоrда как в друroй плоскости, Про
ХОДЯIЦей перпендикулярно первой, ои остается неотклоненнЫМ. Поэто-
му после прохождения луча чер з такую линзу он получается растяну-
тым в фокальной плоскости и преобразуется в световой сектор. В за-
висимости от поворота фокальной плоскости цилиндрической линзы
относительно иаправления распространения лазерноrо излvчения сектор
лазерноrо излучения может быть установлен в rоризонтальной, верти
кальиой плоскостях или наклонно под произвольиым уrлом.
Использовав соответствуюIЦУЮ комбинацию из делнтеля пучка, OT
клоняющих призм И цилиндрических линз с помо!ЦЬю проектора можио
получить «крест ИЗ лазерных иитей». Секторные поверхности, получен
ные с ПОМОlЦЬЮ проектора, используются в качестве опориых плоскостей
(система опорных координат) для моитажных и ЮСТИРОВОЧНЫХ работ,
для ориентирования проходческнх arperaToB и строительных машин,
а таК1Ке для определения отклонения ПОЛО1Кения в иаправлении х и у
относительно заданной опорной линии.
Устаиовочные приспособления. К установочным приспособлениям
и узлам для ориентнрования луча (высота, наклон, опориая линия)
в зависимости от различной технолоrии строительно-монтажных работ,
задач измерения и управления и применяемых лазерных приборов
предъявляются различиые требования:
высокая устойчивость и механическая прочность (стационарные бе
тОНные опоры или стальиые конструкции);
простота исполнеиия, незиачительные транспортные затраты, быст-
рое перемещенне, простой монта1К н демонтаж (штативы, консоли,
установочные плиты);
универсальное использование (универсальные штативы с реrули-
ровкой по высоте, консоли и распорки с рerулировкой длииы);
соответствие требованиям техиолоrии строительных работ (специ
альным приспособлеииям);
точное rоризонтальное и вертикальное ориентирование с уrлом Ha
клона ::1::150 с точным перемещением;
возможность rоризонтальноrо вращения на 360"';
ТОчное и плавное перемеIЦение по высоте лазера в интервале от О
до 50 см;
надежное фиксирование установленноrо положения;
Узлы для стабилизации положения. Универсальная примеиимость
лазерных при боров и достижимая точность измерения в основном
пределяютсЯ стабильностью направления и наклона установленной оси
луча. У первых лазерных ПI иборов, которые применялись для задач
про веШИВ ани я опорных линии, задание и контр?ль опорных линий ocy
ществлялись с помощью измерительных уровнеи н раиее определенных
визируемых точек. Установлениое при данных условиях положенне
опорной линии должио время от времени контролироваться, поскольку
внешние воздействия (вибрации, колебания температуры, наклоны, вли-
яние ветра и т. д.) приводят К нежелательиым изменеииям положения,
в частности, установленной опорной линии, наклона. «Оседание» или
«смещение» лазерноrо луча моrло быть определено и откорректировано
лишь после контроля измерительноrо уровня иа лазерном приборе или
контрольных щнтах. Поэтому были неизбежны нарушения в ходе стро-
ительно монтажных работ, связанные с недостаточным контролем и кор-
ректированием положения опорной линии, иеконтролируемые изменения
положения приводили к ошибкам в строительстве. Поэтому для авто-
матическоrо контроля и установки rоризонтальиоrо выровнениоrо ла-
зерноrо опорноrо пучка примеияются самоустанавливающиеся системы,
которые предназначены для автоматической компенсации изменения
положения опорноrо лазерноrо луча. У внедренных в строительной
практике лазерных приборов примеияются раЗЛИ'ЦIые самоустанавли-
вающиеся системы: механические компенсаторы, оптические компенса-
торы и электронные компенсаторы.
В оптических компенсаторах используется преломление света
в жидкос'!'FI:ОЙ линзе в сочетании с двумя отклоняющими зеркалами для
корректировки уrла наклона, при этом жидкостная призма действует
как отклоняющая призма. При точиом rоризонтальном положении
Jlaзерноrо прибора лазерный луч проходит жидкостную призму (спе-
циальная жидкость с показателем прело мления n 1;5) без изменения
направления. Если луч лазера изменяет свое направлеиие на уrол а., то
тоrда жидкостная призма действует как оптический клин и отклоняет
луч на уrол а./2. Отражение на втором зеркале вызывает отклонение
на уrол a., блаrодаря чему сиова достиrается исходное положение
(rоризонт).
Недостаток: требуемая точность установки и связанная с этим чув-
-ствнтельная оптико-механнческая конструкция жидкостных и маятни
ковых компенсаторов предъявляет высокие требования к устойчивому
и надежному механическому исполнению этих самоустанавливающихся
систем.
Электронные компенсаторы имеют «электронный уровень», в KOTO
ром положение пузыря в цилиндре считывается электрооптическими
датчиками. Если пузырь уровня отклоняется от центральноrо положе-
иия равновесия, то с помощью датчиков формируется управляющий
сиrнал к электромеханическому исполнительному приводу, который
изменяет положение лазерноrо при бора до тех пор, пока электронный
уровень не окажется снова в rоризонтальном положеиии. (Преимуще-
ство: большой диапазон автоматической установки в rоризонтальное
Положение ::1::8°.) Для достижения заданноrо направления лазерные
при боры устанавливаются rрубо (с помощью круrлоrо уровия малой
точности). Электронный уровень позволяет реализовать конструкцию
самоустанавливающихся систем, которые при реrулируемых уrлах на-
ЕЛона ::1::20 % автоматически компеисируют измеиения положения ла-
зерноrо опориоrо луча. Пример сзиоустаиавливающеrося лазера при
веден на рис. 4.48.
4.2.1.2. Лазерные нивелиры. Лазерные нивелиры прнменяются для
измерения превышений, высотиоrо положения конструкций, нивелиро
вания поверхности и для указания и позиционирования элемеитов кон-
струкции. Они создают rоризонтальную или наклонную под определен
иым уrлом опорную лииию или плоскость.
7
Рис. 4.48. Самоустанавливающийся лазер SL 5 фирмы AGL (техничес
кие характеристики: выходиая мощность 1 2 мВт; днаметр пучка
10 мм на расстоянии 150 м; диапазон установки ::1::14°; диапазон накло-
на 5++20 %; точность установки ::1::0,002 %):
1 Jlаsерный JlУЧ; 2 ручка; 8 свет иа оси; 4 освещенный уровень; 5 юсти-
ровочиый винт; 6 вспомоrатепьный элемент; 7 освещенная цифровая ннднка-
ция; 8 подключение к источннку питания, к устройству управпения и днстан-
ционноrо обслуживання; 9 штатив
Исходящий от лазериоrо нивелира опорный луч (при применении
цилнндрических линз опорная плоскость) служит в качестве базиса
для высотиоrо монтажа, юстировки, позиционирования или указания
заданной высоты. При лазерном нивелнровании различают приборы
без автоматической установки в rоризонталъное положение линии визи.
рования, с автоматическим нивелированием и с установкой наклона
лииии визирования и автоматической компенсацией независимо от уста-
ИОВленноrо наклона.
Лазерные иивелиры без автоматической юстировки в rОРИЗ0нталь,
ное положение устанавливаются с помощью жидкостных уровией (ци-
линдрических уровней) с высоким уrловым разрешением. При этом ось
лазерноrо пучка точно отъюстирована параллельио оси цилиндрическо-
ro уровия, т. е. при установке пузырька уровня в нулевое положение
лазериый луч проходит в rОРИЗ0нтальном направлении. Пример TaKOrG
иивелира показан на рис. 4.49.
Рис. 4.49, Лазерный иивелир типа LFGl Народноrо предприятия Cari
Zeiss, Иена, [ДР (технические характеристики: выходиая мощность
0,8 мВт; срок службы 10 000 ч; система расширения пучка 15 х или 30'";
диапазон наклона =1::10 %; точность установки =1::0,005 %; лимб 3600;
цена деления 10; точность 0,10; диапазон рабочих температур 25+
+-+45 ОС; принадлежиости: цилиидрические линзы, устроиство верти-
кальноrо перемещения, визирные цели):
1 системы расширения пучка; 2 электронный блок; 3 труба искатель; 4
цилннДриqеский уровень; 5 лазерная трубка; 6 винт для измерення наклона;
7 лимб; в подъемный виит
Оптико-механические конструкции лазерноrо нивелира с автомати-
ческой установкой в rоризонтальное положение очень различны. Можно
выделить две rруппы:
нивелиры с лазерной иасадкой или лазерным окуляром;
автоматические лазериые нивелиры.
При нивелировании с лазерной насадкой или лазерным окуляром
-классические rеодезические нивелиры образуют осиовную конструкцню.
Блаrодаря встроенному в лазерный окуляр (рис. 4.50) делителю
пучка излучаемый лазером свет направляется в световоде (волоконная
.опmка) в зрительную трубу нивелира. В результате Э1'Оrо лазерный
'свет проецируется в направлении оптической линци визирования в про
странство. Лазериый окуляр превращает невидимую линию визирова-
!Рис. 4.50. Устройство лазерноrо окуляра ОШ-2 (фирма Wild Heer-
brugg) :
1 пластина с крестом нитей; 2 линзы; 3 делитель пучка; 4 луч виsиро-
:ваиня; 5 оптический фильтр; 6 IIJIоскопараллельиая пластииа; 7 nаsерный
луч; 8 оптический кабель; 9 ось визирования и ось лаsериоrо пучка
ния В активный направляющий луч. С помощью автоматически установ-
.ленноro rоризонтальноrо лазерноrо луча можно указывать иа больших
расстояниях высоты и измерить профили, при этом лазерный при бор
закреплен на иожке штатива. На рис. 4.51 показан автоматический ла
зерный иивелир с установкой наклона.
4.2.1.3. Лазерные теодолиты. При работах по трассировке, точной
пространственной установке конструкций, созданию направляющих ли-
ний для измерений внутри сооружения, при земляных работах и по,цзем-
ных ropHblx работах, при ориентировании строительиых машин и маrи
стральных дороr эффективио примеияются лазериые теодолиты. Теодо-
литы позволяют осуществлять точную установку направляющеrо луча
в вертикальном и rоризонтальном направлеииях.
Как и лазерные нивелиры, теодолиты можно разделить на две
rруппы:
1) теодолиты с лазерной насадкой или лазерным окуляром: Лазер
ный луч превращаer воображаемую линию визирования классическоrо.
rеодезическоrо теодолнта в активный направляющий луч, который МО7
10
Рис. 4.51. Автоматический лазериый иивелир 1055 XL Dialgrade фирмы
Sресtrз Рhуsics:
1 инднкацня направлення; 2 круrnый уровень (контроль самоустановки) ; 3
контроnьная пампа paHHero предупреждения; 4 ручка с возможностью крепле-
ння на установочных испособленнях; 5 зрнтеnьиая труба ( ); 6 установка
наклоиа (диапазон IO++ЗО %); 7 Фнксатор установки наклона; В установка
направления (днапазон :1:30); 9 показаиня наклона (отдельная цифровая HHДH
Кацня дJIЯ положнтельной н отрнцательиой установок); 10 подключеНИе 1{ ис
точнику тока
жет быть установлен в любом желаемом направлении в пространстве;
2) лазерные теодолиты (рис. 4.52). Областями примеиения лазер-
Horo теодолита являются:
управление буровыми туинелепроходческими машииами, щитовыми
проходческими машинами и фрезами для проходки туннелей;
установка фундаментов для машин, систем трубопроводов, подкра
Новых путей, направлений монтажа в судостроении и самолетостроении;
аркировкз измеряемых иедоступиых точек;
трианrуляция и полиrонометрия;
измереиия деформаций и разбивок.
4.2.1.4. Лазерные проекторы с оптическим npеобразователем направ
Jlения и лазерные наднр зенит проекторы. Миоrие техиолоrии производ-
iCTBa строительио-монтажиых работ в строительстве, судостроении,
Рис. 4.52. Лазерный теодолит LG 68 фирмы Siеffiепs:
'!техннческие характеристики: мощиость 1 мВт (излучение модулнруется с чаСТОjj
той 1;7,5 кrц); диаметр пучка 9 или 16 мм; стабильность иаправлеиия :1:3.10
.рад/К: днапазон наклона :1:300 (трубая и точная установка); диапазон поворота
3600 (трубаJl н точиая установка); нзмеритель наклона :1:10 %; точность :!:О,Оl %J:
1 крепежный винт лазера; 2 съемиая ручка; 3 крепежный винт пазера;
крепежный вннт' измерителя наклоиа; 5 фокуснровка зрительной трубы; 6
барабаи наклона; 7 уровень измерителя наклона; 8 пупа для отсчета; 9
.поперечный уровень; 10 поворот (точныl!); 11 поворот (трубы!!); 12 три
додъемных вннта; 13 уровень при трубе; 14 отсчет высоты с ноннусом
машиностроении и в дрyrих отраслях промышленности требуют прове-
.дения измерений от опорных или референтных плоскостей для:
BbIcoTHoro монтажа элементов конструкций перекрытия и сборных
элементов стеновой конструкции в жилищном строительстве;
определения про филя поверхности для строительства :И прокладки
.дороr;
монтажа пространственных секций в судостроении;
сопровождения и управления строительными машинами при рабо.-
тах по планированию и профилированию;
центрирования и монтажа фундаментов для машин и элементов
конструкции;
нивелироваиия фундамеитов и пола;
управления автоrудронаторами и дорожными бетоноукладчиками;
. . одновременноrо исполнения строительных работ в различных мес.-
тах строительной площадки (например, планировочные работы, HaHece
ние иа план элементов опалубки для фундамента и монолитных бетон-
ных конструкций, монтаж и мноrие друrие работы).
Для получения rоризонтальных, вертикальных или иаклонных под
заданным уrлом опорных. плоскостей применяются в основном проекто
.ры с оптическим преобразователем направления (ОПН) (рис. 4.53).
Лазерный проектор с ОПН в принципе представляет собой комби
dвцию лазерноrо указателя направления илн лазериоrо нивелир' с Bpa
Рис. 4.53. Лазерный проектор с оптическим преобразователем направ-
ления типа QL 200R с ручным приемником фирмы Quante lasertechnik:
1 иидикация автоматики отключения, контроль напряжеиия; 2 индикация BЫ
КJ!ючения автоматики при неrоризонтальном положении прибора; 3 выключеиие
автоматики; 4 позиционирование; 5 реrулятор числа оборотов влево/вправо;
6 вращающаяся rоловка; 7 оптическая индикация положения (LСD лента);
В акустическая индикация положения; 9 переключатель точиости определения
места. Автоматика иивелира по трем осям для вертикальиоrо/rоризоитальиоro
примеиения, д"апазон самоустановки для всех осей :!:5 0 , плавиая устаиовка числа
оборотов от О до 720 мин l
щающимся узлом. ВраIцающийся узел состоит из расположенной на
шарикоподшипниках пентапризмы и электромеханическоrо привода.
Б.паrодаря вращению пентапризмы отклоненный на 900 лазерный пучок
движется таким образом, что образуется опорная плоскость лазерноrо
луча.
Современные лазерные проекторы с ОПН блаrодаря осуществлен-
ным в иастоящее время большим фуикциональным возможиостям
и разнообразным применениям являются настоящими универсальиыми
системами, с помощью которых иоrут быть образованы как опорные
и.поскости, так и опорные линии отвеса с высокой точностью и ста-
бильностью. Эти лазеры имеют следующие особенности:
автоматику дЛя нивелирования по двум или трем осям для ro-
ризонтальноrо и вертикальноrо применения (диапазон самонивелирова-
ния до 80);
цифровой ввод и индикация зиачений уrлов наклона, микропроцес-
сорная установка и контроль уrла наклона;
плавную реrулировку числа оборотов влево-вправо (O 700 мин l);
автоматнческое отключение или автоматически миrающее излучение при
изменении положения вплоть до окончания процесса самонивелиро-
вания;
возможность отключения автоматики, предназначенной для нивели-
рования;
дистанционное управление;
дальность действия в сочетании с соответствующими датчиками со-
ставляет 250 м.
Существуют два базисных варианта коиструкции:
лазерный визир и развертывающее устройство объедииены в одном
приборе;
развертывающее устройство образует самостоятельиую конструк-
цию, которая устанавливается на лазерном приборе или монтируется
отдельио.
Лазерные проекторы с ОПН в соответствии с предусмотренными
техиоJiоrическими областями применения поставляются в различных
исполнениях (рис. 4.54 4.56).
Л а з е р н а я с и с т е м а. Техиически совершенен и имеет универ-
саnьную применимость лазериый проектор с ОПН 945 Laser Leve1 (рис.
4.56), имеющий электронную настройку уrла по двум осям в интерва-
ле ::f::6° при rоризонтальной или вертикальной установке, установку уrла
наклона лазерной плоскости (опорноrо луча) в пределах ::f::l0 % с по-
rрешиостью ::f::O,OI % и цифровой индикацией, систему ранней сиrнали-
зации при выходе за пределы самонастройки (миrает снrнальная коит-
рольная лампа и лазерный свет), установку частоты вращения от О до
10 [ц, закрепление вращающейся призмы для создания опорноrо луча
и устройство дистанциоиноrо управлеиия.
4.2.1.5. Приемники для определения координат лазерноrо излучения.
Для измереиия положения лазерноrо пучка, позиционирования элемен-
тов конструкции, а также для задания линии створа и автоматическоrо
управления машинами используются различные фотоприемники. Зада-
ваемая соответствующим лазериым прибором опорная линия или плос-
кость в зависимости от потребностей строительства и требований
(дальность действия, точность), условий окружающей среды (дневной
свет, влияние рефракции и турбулентности атмосферы, температуры,
ветра и т. д.) определяется или измеряется с помощью визуально на-
блюдаемыХ марок (субъективный метод фиксации положения) или фо-
тоэлектрических датчикОВ (объективный метод измерения).
Рис. 4.54. Лазериый проектор с ОПН типа RLМ 02 50 с электронным
приемником (Строительиая академия [ДР) (технические характеристи-
К,;: Aaj,bliOCTD действия 150 м; точность измерения ::1::2 мм/50 м; лазер
при меняется в комбинации с автоматикой нивелира; диапазон самоуста-
новки ::1::20 по двум осям; диапазон установки наклона ::1::10 %. Обычное
ПО.1Jожение rоризонтальное, приемник используется с различными Kpe
пежными и реrулирующими приспособлеииями):
1 лазер; 2 вращающийся оптико-механический узел; 3 основание с подъем
HЬJMH винтами; 4 ручиой приемник с измерительиой rоловкой и отдельным бло
ком индикации
Приемники для задач провешивания линий и управления
I
I
Визуальные прием
ники (субъективныЙ
метод измерения)
Визируемая марка
при наблюдении в от-
раженном свете
_ Визируемая марка
при наблюдении в
проходящем свете
Мерная рейка
Визирные зна.ки и
марки
I
Фотоэлектрические приемники
(объективный метод измерения)
I
Ручные приемники
Детектор пу ка
Детектор плоскости
KBaдpaHT дeTeKTO
ры
Измерительная рей-
ка с электронным уст-
ройством для автома
тическоrо поиска
I
Приемники для уп
равления машинами
ДBYX , Tpex и че
тырехканальиые при-
емники с оптической
индикацией положе-
ния II блок управлt?
ния для автоматичес
Koro направления ор-
raHa машины
Выбор пр-иемника зависит от ЕЫХОДНОЙ мощности лазера, стабиль
ности направления распростраиения лазерноrо излучения, расходимости
лазерноrо излучеиия, иаличия расширения лазерноrо пучка с помощью
цилиидрической линзы или развертывающеro устройства, влияния реф
ракции, турбулентности и ослабления в атмосфере распростравяющеrо-
ся лазерноrо излучения, видимости пучка на визируемой марке (KOHT
раст) или предельной чувствительности фотоприемноrо устройства, CKO
рости изменения и динамики работы строитеЛЬНЫХ машин.
Наиболее простыми и одновременно дешевыми приемниками явля
ются оптически визируемые марки (для наблюдения в отраженном
1
2
1
{j
o
J
5"
2
3
4
J
Рис. 4.55. Электронный приемник для лазерноro проектора с ОПН
Geoplane 300 фирмы AGA:
; фотодиоды для индикациИ лазериоrо излучения; 2 указатель высоты; 3
винт для фиксирования половин детектора; 4 измерительный прибор; 5 кои-
такты для соединения обеих половии детектора; 6 блок приемника
Рис. 4.56. Лазериая система Laser Level 945U фирмы Spectra physics:
1 круrлый уровень для рабочеrо вертикаnьноrо положения; 2 установка и
контроль yrловой скорости; 8 круrnый уровень для rориsоитаnьиоrо рабочеrо
положения; 4 кнопка перекnючатеnя для автоматической самоустаиовки; 5
иидикацня автоматической самоустаиовки; 6 вращатеnьиая ronoBKa; 7 цифро-
вая индикация накnона и установки
и проходящем свете) для визуальиой фиксации местоположения лазер,
Horo пучка или плоскости (рис. 4.57). Также возможно непосредствен,
ное отобраJКение и контроль лазерноrо излучения (cBeToBoro пятна) на
устанавливаемом элементе конструкции.
Для определения и корректирования отклонения места расположе-
ния, а также положения предмета, элемента конструкции или устрой
рис. 4.57. Варианты контрольных марок
ства по отношению к направлению лазерноrо луча измеряется ПОЛОJКе
ние cBeToBoro пятна по отиошению к системе коордииат на визируемом
экране.
Визуально наблюдаемые экраны в основном применяются при СТРО-
ительно-монтажных работах, которые выполняются вдоль заданной
опорной линии (прокладка труб, строительство туннелей и каналов,
маркирование измеряемых точек на стенах, потолках и друrих элемен-
тах конструкции, топоrрафические работы) или при которых мешающие
воздействия из-за солнечноrо света (пересветка) MorYT быть предотвра-
щены (в закрытом и темном помещениях).
Фотоприемные устройства, которые детектируют положеl;[ие лазер-
Horo пучка с помощью фотоэлектрических датчиков (фотоэлементы,
фототранзисторы, фотосопротивлеиия), а затем указывают после усиле-
ния сиrнала оптическими, акустическими и приборными средствами, не-
обходимы для повышения точности измерения и монтажа, автоматиза-
Ции процессов измерения, автоматическоrо управления машинами
и процессами, исключения субъективных ошибок при визуальной фикса-
ции положеНИF лазерноrо пучка и реrистрации лазерных световых
Т а б л и ц а 4.8. Области примеиения провешивания линии и управления
База измерения!
управления*
Лазерные првборы Полезные эффекты
Направ- Плос
.пение кость
СТрОительиые Рабочий ПрОцесс '" СОкращеиие . '"
Объекты с.сз. v <> ., '" рабочеrо о'"
;;; ""...
",'" "'о о "1: О '" временИ "'''' '"
><: "1:... "" о '" ., '" '" '" '" '"
;>,gj "'><: ., '" о '" '" ., "
"'", t::r ... '" '" "'., о :.
",,"" 8. ""1:: "" '" '" '" '" ",... u '"
... ... .,'" :;;'"
O :о '" '" '" '" EfO "'... о:
",';' о: " о ><: u
",,'" ""... ""'" "" '" '" '" > 10% > 25% 2. "0
"'''' .,,,, '" 16... '" ... '" ... Бt
"' "'о: "''''' "" "" "" "" " О'"
"'''' "'., "'о "'''' о ., о '" о'" 00 "'"
... '" ... L. '" L. '" "'><: "'... "'''''
I
1 Разработка ПОk
земным спосо-
бом/земляные
работы
1.1 Подземиое coopy Контроль колонны х 1 Х Х
жение трубо- труб, управление
пр оводов MeTO режущей rоловкой
дом продавли
вания
1.2 Проходка тунне-
лей
1.2.1 Щитовая проход Управление проход- Х 1 Х Х
ка ческим щитом BPY
чную/автоматичес
кое
1.2.2 Ножевая проход- Контроль проходки х х \: х
ка ножом, коитроль
раМ крепи
1.2.3 Проходка буре- Позициоиирование Х Х Х Х
нием, взрыва- скважннноrо шаб-
нием лона, контроль про-
филя воронки, обра-
1.2.4 зованной взрывом
Машины дЛя про- Автоматическое уп- х
ходки туннеля равление на пря-
мых и криволиней-
1.2.5 НЫХ участках
Возведение крепи Укладка путей Х Х Х Х Х Х
1.3 Укладка труб в Х Х Х
открытые тран-
шеи
1.3.1 Вез напорный тру- Механическая выем- Х Х Х Х Х
бопровод ка rpYHTa (вруч-
ную), укладка rpa-
вийноrо слоя и ниж-
нero слоя бетона
1.3.2 Напорный трубо- Механическая выемка Х Х Х Х Х
провод (rаз, во- rpYHTa, частНчно
да, нефть) автоматическое уп-
1.4 Сборный канал равление 2
Механическая BыeM Х Х Х х. х
ка rpYHTa, монтаж
из rOToBbJX секций,
укладка трубопро-
водов, rоризонталь-
ное управление бе-
тоноукладчиками
со скользящими
формами
Строительные
объекты
1.5
Планировка по
верхности (rpy
бое и точное по-
лотно)
1.6
Дамбы и плотины
2
Строительство до-
por и трасс
Планировка по
верхности, coo
ружеиие проез-
жей части
2.1
РабочИй процесс
Автоматическое уп-
равление по высоте
бульдозером, caMO
ходным rрейдером,
самоходным колес-
ным скрепером
Сооружение откоса
по профилю, aBTO
матический конт-
роль деформаций
См. п. 1.5
Автоматическое про
странственное уп-
равление бетоно
Лазерные приборы
..
,.,
..=
"'''
....
><:",
>,,,,
..о.
:<18
8,=
0)'"
"'..
..О)
....
х
о.
.,0.
"1:0
""О
:00.
0:';=
0...
0)",
"'''
"'О)
..'"
I
8. 1 0
":r:
""!:: ""
O
0.'-' О.
о) о)
g. а;
.... ....
х
х
х
База измерения!
управления.
х
Напра
Бление
о)
О
о:
'"
..
'"
..
о:
.,
о.
О
1--.
2
.,
О
.,
'"
..
..
><:
.,
..
о.
о)
'"
Плос-
КОСТЬ
..
.. ..
о:
'" '"
.. о:
'" '"
.. ..
о: '"
><:
'"
'" ..
о. о.
О о)
1--. '"
Продолжение табл. 4.8
Полезные эффекты
сокращ€иие .'" ..
рабочеrо О'" о.
О,!:) .. о)
времеии '-'", '" ..
0)" ><: '"
"0) О :о;
=.. '-' ..
.,., :О'" '"
:10 "'..
> 10% > 25% z. '-' Ё!i
0)0
0).,
><:'-' ..".
О'" 00
'-'><: "'.. "''''
х х х х
х
х
х
х
х
х
х
I отделочными ма- I I I
шинами и автоrуд
ронаторами I
3 Мостостроение
3.1 Основания Позиционирование Х Х Х 1 1 Х Х
кессона и сваебой-
иых работ в воде
3.2 Строительство из Выравнивание опа Х Х Х 1 1 1 1
монолитноrо бе- лубки
тона
3.3 Сборный железо Моитаж предвари- Х Х 1 1 Х Х Х
бетонный мост тельно изrотов
ленных секций, по
зиционирование и
подача на плаву
предварительно из-
roтовлеиных частей,
моста, автомати- Х
ческое нзмерение
иаrрузки и вибра-
ций, автоматизи Х Х
рованные долrо
временные на блю-
дення деформаций -. ..
\ \ \ 1
п родолжеlluе табл. 4.8
.
База измерения!
упрамении.
Лазериые приборы ПОлеЗНr.Jе эффекты
Направ- Плос-
ленне кость
Строительные РабочИй процесс .. 0."" сокращеиие ,"
объекты ';'; ;. ь раБОчеro О'"
о> о> .. ",,"
"'о> ot О .. '" о>
"'''1 О о> .. времени ..,,,, '" !;;
О ::i :1: '"
:>::", "':>:: "" о> О '" .. 0>"1 :>::
>,.. I::::c .. :1: :1: 8 :>!
"'о> "1 '" "1 '" ",о>
-=0 -=1:: -= '" '" ",.. '"
.. о;: .. о;: 0>'" :а",
:а"" O :а '" '" 11: .. :18- "'.. :1:
"'''' ",1:: ! g :>:: о :>:: ..,
'" .., :. '" :. ;> 10% > 25% .... 0>0
... :. ... :. ... "".., 0>", 0:..
"'о;: a "''''' "" "" "" "" g 0;::>,
"'о> ttS . f о> о о> ,g
0;:.. 0;:", ..О;: '" <.. '"
4 Строительство жилых, обществеиных
промышленных и сельскохозяйст-
венных зданий
4.1 Сооружение фун- Управление машина- Х Х Х 1 1 1 Х Х Х
дамента ми для возведения
набивных свай и
стен в rpYHTe, уста-
новка опалубки для
фундамента ста-
KaHHoro типа, лен-
точноrо и плитноrо
фундамеита
Укладка морозоза-
щнтных слоев (rpa-
вий)
4.2 Монтаж каркаса
здаиия
4.2.1 Строительство из Вертикальное возве- Х 1 Х Х
4
монолитноrо дение опалубки,
бетона управление сколь
зящими опалубка
ми для стабилиза-
.2.2 ции I
Панельное строи- Монтаж зданий из Х 1
тельство стеновых панелей и
.2.3 I<apKaCHoe плит перекрытия Х
строи Монтаж опор, риrе Х 1 Х
тельство лей, плит перекры-
тия, вертикальное Х 1 Х Х Х
положение высоких
опор, монтаж эле- Х Х 1 1 1 Х Х Х
.3 ментов фасада Х
Отделочные рабо Монтаж акустичес- Х 1 Х Х
хы ких и отделочных
подвешиваемых
элементов, yCTa Х 1 Х Х Х Х
новка конструкций
пола ( бесшовный
пол, бетои. предва-
рительно изrотов
.4 ленные элементы) 2
Монтаж пасса- Монтаж направля- Х Х Х
жирских и rpy- ющей кабины и эс
зовых лифтов калаторов
5 Специальные сооружения I 'Х
5.1 Промышленные Управление скользя- Х 1 Х
дымовые трубы щей опалубкой
вручную и aBTOMa
тизированное
4
4
4
База измеренияl
упрамения.
Лазерные приборь\ Полезные эффекты
Направ- Плос-
леlше кость
Строительные Рабочий процесс '" I сокращение ."
объекты '00 0."" ::: " рабочеrо 8.
"00 '" '" '",' .;,
"'", '" "1: о .. '" времени .,<>
:a о о '" ::1 '" .. ...
"" '" 00 о .. ",О; :.: ..
».. ==", t::::c ... '" ::1 О; 00 I ",'" о :s
",,"- ""О О; .. '" =='" <>
""!:: "" .. О; ... О; ",00 :О'" '"
jjja :n ...
j20 :а == .. == .. Ef8. "'... ..
",,== "" :с :.: :.: <>
""... !,7<> "" "' 00 > 10% > 25% ..... "'о g"
"'''' "'"' t в. ... "' ... !2'<> Бi
а:;! "'== "''''' !,7 "" "" о"
"'., :H о о '" о" ,g ;0:00
"... 0;", "О; ... '" ... '" <>:.: "'''''
5.2 Антенная мачта Монтаж предвари- Х Х 1 1 Х Х Х
тельно изrотовлен-
ных секций, конт-
роль процесса подъ-
ема и вертикальио-
ro результирующе-
ro положения
fиперболическая Управление сколь- Х 24 24 Х Х Х
охладительная зящей опалубкой
башня по высоте соrласно
переменной rOOMeT-
5.3 рии
Системы подкра- I Монтаж и ревизия Х I 1 Х
новых путей подкрановых путей I
6
I fидротехнические I
сооружения
продолжение табл. 4.8
I I I I I I
I I I I I I
6.1 Сооружение пло. См. п. 1.6 Х Х 1 1 Х Х Х Х
тин, валов
6.2 Забивка свай Точное позициони Х 1 Х Х Х
рование предвари-
тельно изrотовлеи-
ных секций
6.3 Водохранилище Автоматический KOHT Х Х Х Х Х
роль деформаций
6.4 Фарватеры Автоматическое уп- Х 2 Х Х Х
равление плавучи
ми землечерпаль-
ными снарядами
для экскавации бо-
KOBoro профиля
6.5 Подводный кабель Прокладка или разыс- Х 2
кивание кабелей
7 Судостроение/судоходство
7. Судостроение Монтаж предвари- Х Х 1 Х Х
тельно изrотов.
ленных секций, фи- Х Х Х
ксирование и конт-
роль деформации
килевой Jlииии
7.2 Ориентирование Лазерный маяк, из- Х Х
судиа мерение rлубииы Х 1 Х Х
ЛОТОМ в узких фар-
ватерах
7.3 Захоронение об- Обозначение облом- Х 2 2 Х Х
ломков ков
База ИзМеренияl
упрамения.
Лазериые приборы ПолеЗНБIе эффекты
Направ- ПлОс
ленНе КОСТЬ
Строительные Рабо'lий процесс '" сокращение ,,,,
объекты . '" :::
"'= """" '" '" рабочеrо 8. .;,
"'''' "'о '" '"
.,,,, !2 о g '" ., t<: времени ".а ., ...
:о
:<:", "" о .а '" "' :<: .,
»., 7 t:::r: "', '" = '" ::1 g :I!
01:0"" -=!:: -= '" .а '" Ё... t<:
&! 01:0"" O :о '" ... '" :iI.a '"
&!r;: = ., .....
а: о :<: " ",
.a ""... Ро" '" '" = '" ... > 10% >25% .,... "0
"':о ., '" :о ... '" ... """ "'= ='"
"'''' "'= "''''' "'... '" '" g "'''' о"
"'''' "'''' :H а:= о о ,8 :<:'"
"'... "'''' "'''' <.. ... <.. '" CI)
8 Мелиорация
8.1 Открытая систе- Автоматическое уп Х 1 Х Х Х
ма для орошения равление по высоте
или осушения канавокопателями
или фрезерными
канавокопателями
8.2 Дренажные систе Автоматическое уп- Х 1 Х Х Х
мы равление дренаж
.ными системами,
прокладка дренаж
ной системы преи
мущественно без
выемки rpYНTa
9 [орные разработки/разработки oт
крытым способом
9.1 Буровзрывная I Позиционироваиие Х 1 Х Х
проходка буровоrо шаблона
Продолжение табл. 4.8
"
9.2 Проходческие Ma Автоматическое уп- Х Х
шииы равление по на-
правлению и BЫCO
те
9.3 Шахты Ориентирование Шахт Х 2 Х
по вертикали, воз
ведение крепи по Х 2 Х Х Х Х
профилю. устаиов- Х Х 1 Х
ка/ведение подъ-
емно-транспортных
машин
,
9.4 Режущие машины Автоматическое уп- Х Х Х Х
для вскрышных равление по высоте
работ и плани
ровки
9.5 Ленточные KOH Автоматическое уп Х Х Х Х
вейерные уста- равление машиной
новки на rусеиичном xo
ду для передвиже-
ния ленточно-кон
вейерной установ-
ки
Продолжение табл. 4.8
, ...............
I База измереиия!
управления.
Лазеряые приборы Полезиые эффекты
Направ- Плос-
.пеиие кость
Строите.пьные Рабочий прсщеtС , !а Р.р. сокращение 1, '" I
объекты "'= ::: (;, '" '" рабочеrо о'" .;,
a o '" <{ о '" р." '"
о о '" '" = '" времеии ,-,'-' '" ..
..
.,1;; р. '" .. о .. ., gj :.: .,
»., =", а::::с .. 1; о: 1; = 8 :!i
01:00 0I:0t:: 01:0 ., .. ., .. '"
.. .. 1; :а..
51 510 :а = = ., .... '"
== = g :.: О :.: > 25% g 13.,
р. """IP.CJ "" = ., '" > 10% .,..
"'.. a a .. '" .. = .. ""'-' I;gi =1;
a "" "" "" О"
J;: .,'" О '" о 00 :.:'"
1;.. 1;1; ... .. ... '" "'.. "'''''
9.6 Сползание отвала Автоматический дол- Х 1 Х
rовременный конт-
роль
9.7 Рекультивация Автоматическое уп- Х 1 Х Х Х
равление по высоте
планировочным н
машинами
10 Строительство же- Автоматическое уп- Х 1 1 Х Х
лезных дороr равление машина-
ми для нивелиров-
ки пути, шпалопод-
бивочиыми И рих 1 \ \ \ \
товочными маши
иами, строительст
во контактных сетей
11 Строительство Ma Монтаж и контроль Х 1 I х х
шии и arperaToB установок, напри-
мер, вращающихся
цементных печей
12 Строительство
электроустано
вок
12.1 Турбоrенераторы Монтаж Х 1 Х Х Х
и контроль
длинных турбоаrре
raTOB
12.2 Воздушные линии Монтаж и вертикаль- Х 1 Х Х Х
ная установка опор I
ДЛЯ сильноточиых
воздушных ЛИНИй
.
. с указанием числа применяемых осей отсчета при измерении.
При м е ч а IJ н е. ОЛИ ОПТ1iЧеский преобразователь направления.
плоскостей, образованных лазерным излучением с помощью цилиндри-
ческой линзы или вращающимся лазерным пучком.
ФОТ0электрическая 'реrистрация лазерных опорных пучков или пло-
скостей в задачах провешивания линий и управления возможна с по-
мощью следующих фотоприемников:
дифференциальных фотоприемников для опорных пучков;
фотоприемников с четырьмя элементами (квадрант-приемников)
для опорных пучков;
дифференциальных прием ников для световых опорных плоскостей
(рис. 4.58);
)ЙЙШ1шш !шшr
: :?:::::::: :::; :::Ч [ }: \.'-....'..'.....
illi . ..". ..:.: ; ; Ij j j ::::::.. .:;.;...,
. c\:!:111:!lI::::.I:::il:I:I:::I:i: :i:!::::::!:. ..
-:".
.,
. :-"1Р-:.. 0"0 . :
l ' .........:. .... . ::....:::... : ,
. . (" ......
,/.' ';;"I:' ,....>. ..0/-.-........
....... .......,1.1:;!{:, ............
Рис, 4.58. Электронный ручной приемник с круroвой характеристикой
приема (Строительная академия, f ДР) :
J элемеиты приемника с круrовой характеристикой приема; 2 блок обработ-
ки и блок питания; 3 индикаторное устройство; 4 маховик. для завничивания
IOстировочных raeK для установки элементов конструкции перекрытия по высоте
в жилищи ом строителЬСтве (принудительный монтаж)
мноrоканальных фотоприемников импульсов для лазерных свето-
вых плоскостей (вращение пучка лазерноro излучения);
электромеханических поисковых фотоприемников для опорных пуч-
ков или плоскостей.
4.2.1.6. Области применения. В табл. 4.8 приведены вОзможные при-
меиения лазера прн провеlllивании линий и управлении в строительстве
и судостроении, в ropHoM деле, мелиорации, машиностроении и соору-
жении линий электропередачи.
П о Д з е м н о е с о о р у ж е н и е т р у б о про в о Д а м -е' т о Д о м
продавливания (рис. 4.59). Подземное продавливание труб пред-
ставляет способ создания подземнЫХ полостей без извлечения rpYHTa
путем ero вытеснения или подачи проходческих труб или рам, которые
служат для проводки коммуникационных каналов или сами представля-
ют трубопроводы подземноrо rородскоrо хозяйства.
11
б
Р/
Рис. 4.59. Подземное продавливание труб с лазерным упраВJlением:
1 управляюща!l rоловка; 2 разрыхленный rpYHT; 3 железобетонные трубы;
4 "роставка;:, направляющая; 6 прессующая станция; 7 контропора; 8
стояк; 9 лазер; 10 лазерное нзлучение; 11 контрольное УСТрОЙСТво
в исходной выемке после rеодезической размет]{и устанавливают
контр опору, rидравлическую прессующую станцию, направление движе-
ния труб, а также лазерный rеодезический прибор (ЛfП). ЛfП ориен-
тируется по отметкам направления и высоты. После установки блока
автоматики на лазерном приборе выходящий лазерный пучок создает
направленне проходки или указывает параллельное ей направление.
Определенные путем непосредственноrо сравнения отклонения действи-
тельноrо положеиия от заданноrо учитываются и постепенно исключа-
ются с помощью соответствующих мер (односторонняя расчистка, одно-
сторонняя остаиОвка подрезателей на режущем наконечнике или
с помощью установки уrла наклона rоловки) перед следующей под-
прессовкой. Блаrодаря этому обеспечивается точнОсть проходки, рав-
ная 1,5 %.
Пр ох од ка туннеля (рис. 4.60 и 4.61). При проходке туннеля
лазерный указатель направления для обеспечения постоянной свободы
измереиия, для защиты от воздействия рабочих и транспортных движе-
ний и из соображений техники безопасности устанавливается преиму-
щественно около стены туннеля на одинаковой высоте с осью туннеля
или, если высота туннеля на просвет больше 2 м, в верхней части тун-
неля прямо над ero осью. Лазер располаrается по возможности вне
зоны непосредственноrо проведения работ. IДелесообразно использовать
устойчивую выемку в креплении стартовой шахты или контрупора, рас-
Положение сзади на уже проведенной выработке (на бетонном столбе,
иа контрфорсе, боковой консоли), высокое положеиие в верхней части
ТУНнеля (установка на коньковой консоли).
Нанесение местоположения лазера на план и контрольных точек
створа осуществляется по-прежнему с помощью маркшейдерских работ.
()риентирование линии створа происходит в зависимости от постановки
задач посредством непосредственноrо отображения лазерной линии
створа на нетронутом естественном rpyнтe и камне или креплении rpy-
ди забоя, установленных на пути луча щитов, дальномерных реек
и шаблонов в качестве контрольных меток на rорной породе, крепи или
проходческих машинах, щита с коордииатиым крестом или растром
(прочно моитируется на проходческой машине), электронных фотопри-
емных устройств для сравнения заданноrо и действитс>льноrо положе-
9
"/
7
t
8
Рис. 4.60. Проходка ножевым инструментом с лазерным ориентирова-
нием:
1 пазер с коппиматором и оптико-мехаинческнм устройством ДJ!я развертки пу-
ча в ппоскость; 2 установочная насадка; 3 трубчатая опора с установочной
ппатоlt дпя пазера; 4 шпунтовЫЙ ряд; 5 рамы крепи с элементами обшивки;
6 проходческие рамЫ; 7 вертнкальная лучевая плоскость; 8 rорнзонтальная
пучевая ппоскость; 9 контропьные марки; 10 защитная ппанка
5
!
б'
I
Рис, ,4.61. Щитовая проходка туннелей с лазерным ориентированием:
1 экран пРя набпюдении в отраженном свете нпн электрооптический приемник;
2 пупьт управпення; 3 КОмIШекс щнтовой проходки; 4 оболочка; 5 конт-
ропьная марка; б пазер
ний луча и подачи сиrнала на управляющие механизмы, которые проч-
ио смонтированы на проходческнх машинах.
Перестановка лазера, задающеrо линию створа, необходима, если
обнаруживается новое надежное место после достижения промежуточ-
ной шахты шш проходки ответвления или превышается дальность дей-
ствия лазерной линии створа.
Отклоияющая оптика (90-rрадусная пентапризма и пара вращаю
щихся клиньев) применяется, коrда встречаются ответвления или для
ведения опорной линии на искривленных участках туннеля, если Лfr1
должен оставаться на месте, нли изменение местоположения невозмож-
но из-за появляющейся опасности для лазера или неустойчивости поло-
жениЯ.
Дальность действия луча ЛfП с Выходной мощностью 1 мВт прп
оптимальном расширении пучка с помощью телескопа составляет roo
1200 м_ Путем выбора надежноrо местоположения при проходке разве-
дочной штольни в [арцах стабнльность положения лазерноrо пучка
сохранялась с точностью ::!::25 мм свыше 3 Мес.
Про к л а: Д к а т р у б оп Р о в о д- о в в r р у н т е (рис. 4.62). OT '
вод дождевой воды, производственно-бытовых сточных вод ПРОИЗIIO-
дится трубопроводами без напора, проложенными с уклоном. Для ми-
нимизации затрат на строительство (узкое ровное рытье траншеи и по-
вторное 'Jаполненне) трубопроводы проектируются по возможности
с малым уклоном (1 %). Такой уклон требует для соблюдения н обес-
печения функционировання трубопровода очень высокой точиости прн
прокладке труб.
J
2
3
4-
5
8
t t t
[ei] [Е [ J
Рис. 4.62, Применение измернтельной лазерной техники при прокладке
rrрубопроводов:
1 отрывка траншеи; 2 ручное планирование, rравийная засыпка; 3 опалуб-
ка; 4 прокладка трубопровода; 5 лазер; 6 свая; 7 экраны для наблюде-
ния луча
.Лазер.ныЙ пучок при этом задает проектируемую ось труБЬ1 или
смещенную по высоте параллельную оси трубы опорную лннию. Изо-
бражеl-!ие на экране контрОльной маркн, установленной на пути луча,
лазерноrо ,.цучка нспользуется в качестве ориентира для определения
высоты и Линии створа. Лазерная измернтельная техника применяется
в следующих отдельных операциях:
1) при .механическоЙ выемке rpYHTa. По возможности блнже к pa
бочему орriшу землеройной машины (ковшу) МОНТl!руется слеrка Ha
клс;шенныц щит (20Х20 см) при наблюдении в прошедшем свете на
cropOHe маiшщиста. Перед выемкой rpYHTa устанавливается рабочий
инструм нт, I? положение планировки, и изображение лазерноrо пучка
на щите сравнивается с заданной меткой;
2) при планированни rpYHTa траншеи вручную. Укладка морозоза-
ЩИТflоrо .СJIОЯ из мелкоrо щебня, песка и rравия. На пути луча удержи
вает я или устанавливается веха со щитом при наблюдении н OTpa)КeH
ном или проходящем свете, иивелирная реЙка нли брус с метками. По-
сле сравнения заданноrо и действительноrо поло)Кений луча продол)Ка.
ется планировка;
3) . ЦРI1. прокладке боковой опалубки для выравнивающеrо слоя.
Боковая' оиалубка выполняется по шаблону с помощью щита с меткой,
устацовленноЙ на пути onopHoro луча;
4) при прокладке труб. В зависимости от номинальноrо внутренне-
ro диаметра труб (100 2000 мм) и установки лазера применяются раз-
нообра3Нl?I исполнения контрольных марок при наблюдении в прохо-
дящем свете. Трубу направляют таким образом, чтобы нулевые отметки
на контрольноЙ марке и изображение лазерноrо пучка перекрывались.
М о н т а ж н ы е н с т р о и т е л ь н ы е р а б о т ы в с о о р у )К е-
н и я х п а н е л ь н о й и к а р к а с н о й к о н с т р у к Ц и и (рис. 4.63).
Лазеры применяются прежде Bcero на нзмернтельных работах и для
контроля на строящемся объекте. Эти работы должны выполняться во
время монтажа, они оказывают существенное влияние на непрерывность
промышленноrо веДения строительства, а также на rеометрическое каче
ство сооружения или строительных закладок зданий.
5 8
5
4
Рис. 4.63. Определение и контроль высоты в котловане/плоскости осно-
вання с помощью лазера с разверткой луча в плоскост :
1 контро.nь ПОДОШВЫ кот.nована и ручной допо,nните,nьной п.nанировк ; 2 за:
сыпка с.nон песка и rравин (незамерзающий с.nой); 8 измерение и сбо ка опа
.nубок' 4 выравнивание rоризоита,nьных швов иа высоте фундамента; конт-
ро.nь iI допо,nните,nьные работы на бетоиной поверхности; 6 установка к нтакт:
ных э.nементов д.nя опорноrо монтажа; 7 .nазер с разверткой .пуча в п.nо ость.
8 э.nектронная измерите,nьная рейка
Разнообразные процессы нзмереиия и контроля при очень различ
ных технолоrиях строительно-монтажных работ по изrотовлению фунда
мента, монтажа стеи, перекрытий, каркаса и фасада, а также вспомоrа-
тельных механизмов требуют применения разнообразной системы при
боров.
Лазерная измернтельная техннка, оказывющаяя активное влияние
на технолоrию выполнения строительных работ на базе лазерной систе-
мы с вращающимся лазерным пучком обеспечивает упрощение работы
по проведению измерений и сокращение трудоемкости, несмотря на по
вышение объема измерений н контроля, переход к измерительиой сис
теме, обслуживаемоЙ одним человеком, и к возможности выполнения
в нескольких местах строительных работ, неизменную или более BЫCO
кую точность монтажа, уменьшенне затрат на доработку и установку
в проектное положение, улучшение строительно физическнх свойств
(теплоизоляции, звукоизоляции).
Требования к сканирующей лазерной системе:
возможность создания rоризонтальной опорной линии и ориентиро
вании пучка лазера вертикально вверх;
возможность создання rоризонтальной и вертикальной световых
плоскостей;
автоматическая стабилизация onopHoro лазерноrо луча ИЛИ..щюрной
плоскости в ннтервале :1::50 с точностью установки :1::2 мм/50 м;
питание от батареи 12 В или от сети 220 В (50 [ц);
выходная мощность лазерноrо нзлучения 1 мВт;
возможность фотоэлектрическоrо определения положения с элект
ронной дальномерной рейкой илн электронным монтажным шаблоном
с сектером приема 1200, областью принимаемой высоты больше 20 см
и точностью индикации ::!::1 мм/50 м;
рабочая дальность действия должна составлять 50 м.
П О Д К Р а н о в ы е п у т и. Значительное повышение точности из-
мерения и скорости работы при определении положения рельсов под
статической и динамической наrрузкой в систеМе подкрановых путей
достиrается путем применения автоматической лазерной измерительной
снстемы для подкрановых путей, разработанной Строительной академи-
ей [ДР (рнс. 4.64). Необходимое до сих пор освидетельствшiанне He
сущей конструкцни подкрановых путей со всеми возможными эпаснос-
тями и затруднениямн, а также обширными и трудоемкнми мерами по
технике безопасности, следовательно, может быть сведено до мини
мума.
J{ля получения измеряемой линни в конечной точке рельсов уста-
навливается лазерный указатель направления с выходной мощностЬю
1 1,5 мВт и автоматическиМ нивелированием.
Измерительная лаборатория монтируется на рельсы и сразу же [о-
това к работе. С помощью радио и телеуправления измерительная ла
бора тория перемещается в одном цнкле измерения (прямой и обратный
ход) от одной точкн, определяемой измерением, к друrой до ,кО,lfеЧНО.й
точки рельса и определяется при данных условиях положение .ла,Зf;Рио-
ro пучка, происходит обработка, передача сиrнала и накоплеНИе.' .При-
емник реrистрирует лазерное излучение и автоматически опр:еделяет
отклонение высоты и боковое отклонение рельса относительно змер е-
Мой линии. Находящаяся в измерительной лаборатории телеметричес-
кая установка передает измеряемые значения на прнемную. станцию,
расположенную в произвольном Месте. Переданные данные реrистриру
ются н обрабатываются дальше:
. цифровые показания измеряемых значений для непосредственнои
оптической обработкн и реrистрации данных на бланке;
электронное накопление для распечаток с помошью печатающеrо
устройства и для дальнейшей числовой обработки.
Техническне характеристики:
"
.
..
Рис, 4.64, Автоматическая измерительная система подкрановых путей
Nivemat 2003 I( (Строительная академия, [ДР):
1 .пазерное устройство; 2 источник питания; 8 передвижная .паборатория;
4 поисковое приемное устройство; 5 приемная и передающая антеина д.nя
дистаиционноrо управ.nения и те.nеметрической передачи данных; 6 цифровая
индикация резу,nьтатов измерений
рабочая дальность действия 100 м;
поrрешность измерения (стандартное отклонение) ::!::0,3 мм/I00 м;
.. скорость перемещения O.3 O,5 м/с;
. приспособление к различным ширинам roловок рельса.
. Стронтельные работы методом непрерывноrо
б е т о н н р о в а н и я с при м е н е н и е м с к о ль з я щей о п а л у б-
к н. Высокие сооружения нз железобетона (промышленные ДplМoBыe
трубы высотой 300 м, элеваторы, rрадирни, административные здания
и стабилизирующий бетон внутренней зоны жилых и общественных зда-
ннй) в основном сооружаются методом непрерывноrо бетонировання:
с применением подвижной опалубки. Применение скользящей опалубки
обеспечивает при минимуме затрат на материалы и времени (однора-
зовый монтаж и демонтаж) непрерывный ход строительства и тем са-
мым высокую несущую способность конструкции, а также очень корот-
кую продолжнтельность строительства.
Для точноrо вертикальноrо ведения скользяrцей опалубки необхо-
Димо непрерывно осуществлять контроль линии отвеса. Особая труд-
ность при таких работах заключается в том, что производящнй измере-
ния персонал дол}Кен находиться в непосредственно опасной зоне под
скользящей опалубкой.
В лазерной измерительной техннке прнменяются лазерные зенит-
проекторы, число которых в основном зависит от сложности rоризон-
тальНОЙ проекции сооружения и создания внутренней системы осей на
корпусе скользящей опалубки.
Простейший случай применения скользящей опалубкн дает прнмер
изrотовления промышленных дымовых труб. Лазерный зенит-проектор
устанавлнвается в центральной точке дымовой трубы и защищается от
падающих предметов н материала с помощью прочноrо защитноrо кожу-
ха. На корпусе скользящей опалубки в центральной точке монтпруется
растровый экран для наблюдения в проходящем свете. Изображение
лазерноrо вертикальноrо пятна показывает иаправления и величину от-
клонення корпуса опалубки от вертикальной лииии.
у соору}Кений с прямоуrольной rоризонтальной проекцней требует-
ся по меньшей мере две точки задания лазерной вертикали, поскольку
кроме положения вертикали также должен про.исходить контроль rори
зонтали корпуса опалубки на деформацию. Соединительная лниия
между изображениями вертикальных лазерных пучков на скользящей
опалубке образует базисную линню для нзмерения длины.
Более сложным случаем прнменения является сооружение rнпер
болическнх больших башенных охладителей. Оболочка башенноrо охла
дителя представляет rиперболоид выСОТОй 100 м и диаметром 80 м на
высоте фундамента. Корпус опалубки состоит из более чем 60 секций,
которые должны устанавливаться с наклоном и частично вдаваться
друr в друrа для Toro, чтобы осуществить соответствующее управление
наклоном, завнсящим от высоты, и радиальным расстоянием линии обо-
лочки (rиперболы) относнтельно середнны башенноrо охладителя. Для
обеспечения выСОКОй точности необходимо контролировать по меньшей
мере 24 секции в абсолютном положеиии, а друrие относительно этих
в несколькнх циклах за рабочую смену.
УСiiешно примененное решенне снстемы показано на рнс. 4.65.
В центральной точке башенноrо охладителя смонтирован самоуста-
навлнвающийся лазерный зеннт-проектор с выходной мощностью 3 мВт.
Насаженная пентапризма отклоняет вертикальный пучок на rоризон-
тальную плоскость, а этот лазерный луч направляется с помощью ша
rOBoro нскателя последовательно иа 24 заданных места измереннй (со-
rласно схеМе с помощью кольцевой линни) на корпусе опалубки. В этих
местах нзмерения установлены на реrулируемых по высоте жестких
опорах отклоняющие элементы, которые направлены к центральной
точке. Появляющийся rоризонтальный лазерный луч отклоняется с по-
мощью отклоняющих оптическнх элементов под определенным уrлом
вверх таким образом, что он представляет касательную вдоль линии
оболочки. На скользящей опалубке над этнми нзмеряемымн точками
точно смонтированы ннвелирные рейки на одинаковом расстоянин OT
носительно внутрениerо края опалубкн. Действнтельное положение изо
бражения лазерноrо пучка на мерной рейке сравнивается с COOTBeTCT
вующнм предварнтельно вычнсленным и табулированным заданным
значением. С привлечением вычнсленных контрольных значений предше-
ствующеrо измерительноrо цикла определяют тенденцию отклонений
положения н определяют таким образом соответствующне меры для
дальнейшеrо управления корпусом скользящей опалубки.
Существенные преимущества:
поступленне измеряемых значеннй в распоряжение непосредственно
после измерения; ВОЗМО}КНО оперативное управление опалубкой;
точное ведение хода строительства (в среднем отклонение 2 3 см
по отношению 10 15 см до снх пор); уменьшеиие работ на подrонку
и дополнительные работы:
,
.. ........
\
...."1
............ "",""" 1
\
\
\
\
\
5 10
Рис. 4.65. Лазерная измерительная система для сооруження rраднрни
методом непрерывноrо бетонирования с применением подвнжной опа-
Jlубки:
1 измерительные рейки; 2 корпус подвижной опалубки; 3 таиrенциальныl!
лазерный луч кольцо В; 4 таиrеициапьИI;[Й лазерный луч кольцо А; 5
отклоняющие оптические элементы на опорах (кольцо А); 6 rоризонтальный
.лазерный .луч: 7 защитное помещение: 8 лазериый зенит-проектор с шаrовы.-
переКnlOчателем; 9 отклоияющий оптический элемент иа опоре (для пер ем еще-
ння луча иа КOIIьцо В): lO MeCTO измерення
отпадает необходимость нахождения обслуживающеrо персонала
в опасной зоне под скользящей опалубкой;
устраняются помехи из-за дождя илн тумана.
М о н т а ж а н т е н н о й м а ч т ы (рис. 4.66). Климатическне ус-
ловия в rорной местности позволяют нспользовать для стронтельства
высоких сооружений период в течение примерно пяти месяцев в rод.
Эта продолжительность строительства требует быстроrо, высокопроиз-
ВОДительноrо способа монтажа и измерения.
Цилиндрическая антенная мачта длиной свыше 100 м монтируется
из предварительно изrотовленных секций длиной 8 м. К:' высотному
монтажу отщv!ьных ' кцнй и верmкальному положению предъявляются
Qчень высокие требования по точности. Обеспечение этой точности пред
поЛаrает активный способ нзмерения с лазерным прибором, что позво-
.пяет влиять на монтаж. Используемый при монтаже лазер устанавлива-
ется непосредственно по направлению оси, так что изображенне пучка
lНa экране получается точно в середине в Виде отметкн. Точная наводка
.()порноro пучка на друrую точку происходит с помощью пары враща-
Рнс. 4.66. Монтаж антенной мачты с помощью лазерноrо зеннт-проекто-
p (определенне оси и маркировка иа секцин трубы):
1 отверстие для установки осевой визирной марки; 2 эксцеитричесКlf распо-
ложенная точка на оси; 3 пара оmическнх клиньев и плоскопараллельная пла-
стина: 4 лазер; 5 отбивка шнуром оси
ющихся клиньев, поставленных перед лазером. Таким образом можно
точно маркировать ПOl1Iожение оси на промежуточной конструкции на
трубе н фиксировать ПOl1Iожение визируемых экранов. Так реалнзованы
важные предварнтельные работы для точноrо монтажа труб в течение
KopOТKoro временн.
После монтажа rоловной секцин лазер устанавливается на ней по
оси и ориенmруется по визируемому экрану. Следующая секция трубы
устанавливается с помощью двух зафиксированных на ней внзируемых
экранов по опорному пучку. Еслн оптимизируют также толщину свар-
иоrо шва, то выполняют сварку прихватками. При выполнении прихват-
ки одновременио наблюдают за изображением пучка на экранах, чтобы
заметить возможное изменение положения. Блаrодаря точному обнару-
Жению нзменений положення может быть своевременно прервана свар-
ка прихватками и введено необходимое корректнрованне.
у п р а в л е н и е n л а н и р о в о ч н ы м и м а ш и н а м и (рис.
4.67). Для планировки поверхностей (в жилом районе, на ПрОМышлен-
ных сооружениях, при строительстве дороr, в сельском хозяйстве и т. д.)
применяются бу.nьдозеры, rрейдеры и самоходные колесные скреперы.
Требованию очень большой точности к уровню илн ПЛОСКОСТИОС11l ила-
нировочных работ при по возможности малых затратах на измереиия
и при отсутствии оrраиичення на маневр и подвижность машин удов-
летворяет лазериая система нзмерения н управлеиия с rоризоитальной
или наклонеиной 8 соответствии с проектом лазериой опорной поверх-
з
4-
s
I7РОВ/{т 2 ,,/0
z -
Рис, 4.67. Управление плаиировочной машиной с помощью направляю-
щей лазерноЙ плоскости:
1 лазер с разверткой луча в плоскость; 2 штатив с устройством перемеще-
ния по высоте; 3 фотоэлектрический приемник с круrавой характеристика/!
приема; 4 телескопическое перемещеине по высоте; 5 блок нндикации и уп-
рав.пения
IЮСТЬЮ. Эта опорная поверхность образуется с помощью сканирующеrо
по направлению луча лазера, устанавливаемоrо над репером, высота
и положение KOToporo известны, и ориентнруемоrо в направлении про-
ДОЛЬНоЙ н поперечной осей поверхностн. После определения высот опор-
ной и задаННОЙ поверхностей на определенной высоте устанавливается
фотоэлектрический детектор, смонтированный на подвижном рабочем
opraHe (отвал, режущее устройство) планировочной машины. Фотопри
емник должен иметь, как правило, круrовую характеристику приема.
Управление исполнительными механизмами машины осуществляет-
ся с помощью вычислительноrо блока фотоприемноrо устройства.
Сушественные преимущества этой системы:
уменьшенне затрат на измерения за счет уменьшения разбивки;
повышенИе производительности машин блаrодаря сокращению пла-
нировочных проходов;
уменьшение потребности в материале для укладки слоя песка и rpa-
вия за счет более высокой точности использования eCTeCTBeHHoro
rpYHTa;
возможность работы в любое время суток и независимость от со-
стояння поrоды;
одновременное управление нескольКИМН машинами при обработке
очень больших поверхностей.
Применяются скаиирующие лазеры с выходной мощностью 1 мВт
(питание прибора от батареи 12 В, самоустаиавливающийся режим
в диапазоне =c8 фотоприемннк с круrовой характеристикой приема
с интервалом o высоте 20 50 см). Полезная рабочая дальность дейст-
ВИЯ составляет 200 м по радиусу с точностью + 3 cMflOO м. Ана-
лоrиЧНЫМ образом осуществляется управление траншеекопателями
и дренажными Машинами.
УпраВЛlение rусеничнЫми тракторами (рис. 4.68).
При разработках буроrо уrля открытым способом во все возрастающем
Рнс. 4.68. Трактор на rусеинчном ходу с приемннком:
1! оптичесКое индикаторное табло: 2 электрооптическнiI приемник иапраэлении
объеме для транопортирования лежащих над yrлем разрыхлениых экс-
каватором rpYHToBblX масс применяются поверхностные ленточные кон-
вейеры. Для повышения эффективности ленточнЫе конвейеры переме-
щаются без демонтажа механнческой или электрической части, а TaK
же транспортируемоrо материала с помощью тракторов, которые снаб
жены устройствами для передвижения ленточноrо конвейера. ДлЯ'
обеспечения безупречноrо хода ленточноrо конвейера передвижение
должно происходить так точно, чтобы лента отклонялась на более чем
на 5 % ширины ленты. Положение по высоте в основном соrласуется
с земляным rpYHToM.
Ленточный конвейер подтяrивается (в соответствии с величиной
расстояния вдоль HOBoro направления перемещения) к точкам схода,
заданным в начальной и конечной точках ленточноrо конвейера. Для
rрубоrо и точноro ориентирования rусени,:ный трактор с конвейером
устанавливается в точке схода на стартовои позиции. На крыше трак-
тора смонтирован фотоэлектрический датчик (пять каналов) с шириной
Приема примерно 50 см. Над областью датчика «правильно» располо-
Жено TpexrpaHHoe зеркало. В точке схода на протнвоположном конце
ленточноrо конвейера устаиавливается лазерный указатель направле-
ния на салазках штатива (рис. 4.69).
При использовании лазерноrо указателя направления с выходной
мощностью 3 мВт И цнлиндрическими линзами с фокусными расстоянн
ями 2000 4000 мм ВОЗМОЖНы перемещення ленточных конвейеров дли-
ной до 2 км С !очностью ::!::5 см, которая, по существу, не зависит от
'Внешних условии поrоды. При этом rусеничные тракторы передвиrаются
,.со скоростью 2 4 кмfч.
Существенные преимущества:
Рис. 4.69. Установка лазерноrо прибора на салазках со штативом:
.1 перемещение по высоте; 2 .nазер с цuлнндрическоlI .nинsоll; 3 .nаsерная
вертика,nьная n.nоскость; 4 са.nазки
незначительные затраты на измерения и ускорение обратноrо пе-
.ремещення, этим самым достиrается бо ее высокая эффективность лен-
точноrо конвейера;
обратное перемещение можно выполнять также nочью;
повышение точности и направления прнводит к уменьшению изно-
. са краев н повышению срока службы ленточноrо конвейера.
у п р а в л е н н е Д и о у r л у б н т е л ь н ы м с н а р я Д о м (рис.
4.70). В районе MopcKoro дна и побережья для создания фарватера,
'а также для постоянноrо восстановлеиия заданных rлубин, требуемых
для мореплавания, применяются мноrоковшовые землечерпательные
снаряды. Направления схода для оси фарватера, оrраничения дна кот-
лована и откосов до сих пор разбивались и маркировались на суше
с помощью световых маяков или шестов, а на озере с' помощью буев
с анкерным крeriленнем на rpYHTe. Однако такая разбивка направления
схода связана с тем недостатком, что на суше из-за застроек, откосов
и KpYToro береrа маркнрование линии схода часто было невозможным,
а бун, несмотря на короткое анкерное крепление, можно было устано-
вить с точностью ::!::2 м из-за влияния ветра, течения, а также колеба-
ния уровня воды.
Пеленrование с землечерпательноrо снаряда затруднено, неточно
и отчасти неосуществимо Из-за часто возникающих около дна и вблизи
поверхнос.ти воды слоев пара и тумана. ти иедостатки в зиачитеЛЬНGЙ
степеии исключаются при иaJользоваlШИ лазерной измерительной тех-
иики.
Для боковоrо оrраничения фарватера по обоим направленяям лн
иии створа устанавливается по одному лазерному визиру после преА-
шеСТllующеrо rеодезическоrо определения положения. Место СТОЯНИЯ
"J
Берее
1
"
I
I
J..
Рис, 4.70. Лазерное управление мноrоковшовым землечерпатедьиым сна-
рядом:
1 лазерный прибор с цилиндрической .IIННЗ0Й; 2 вертикальная .1Iучевая П.1Iос'
КO TЪ; 8 ВИЗНрное приспособ.певие и устройство д.1IП ваб;nюдевия
ВДОЛЬ линии створа может быть выбрано почтн произвольно, например
даЖе на свае, установленной в воде. Еслн требуются большие дально-
сти действия (больше 5 км), то следует выбирать соответствующую вы-
соту местоположення.
Из-за различноrо уровня rлаз наблюдателя и Bыcoты расположе-
ния фотоэлектрнческоrо датчнка над уровнем моря должна быть сфор-
мирована вертикальиая опорная плоСКОсть с ПОМОЩЬю цилиндрической
линзы, закрепленной на лазерном визире.
На дноyrлубнтельном снаряде устанавливается метка, по которой
персонал осуществляет наблюдение за прохождением снаряда ибок пу-
тем различения крайнеrо луча в внде «предупреждения», а вспышка.
центральной области является сиrНалом для переКЛIOчеНllЯ управления.
Дальность использования для лазера с выходной мощностью лазер-.
Horo излучения 1 мВт И цилиндрической лннзой с фокусным расстояни-
ем t==2000+4000 мм (кроме rycToro тумана) достиrает 5 км, при выход-
ной мощности 3 мВт С цилиндрическими линзамн 16 км. Точность
проведения дноyrлубительных работ по боковым смещениям составля-,
ет 0,2 м.
4.2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ [54 69]
в техннке нзмерения лннейнЫХ размеров лазеры прнмениются бла-.
rодзря достиrаемой высокой монохроматичности (болышой длине
коrерентности), хорошей стабильности направления, хорошей фокуси-
руемостн (в частности, для сканирующеrо аВтоматическоrо метода нв-'
Мерення), высокой стабильности частоты илн длины ВОЛНЫ И высокой'
мощностн излучения на единицу поверхности и единицу телесноrо уrла.
В табл. 4.9 проведено сравнение некоторых важных для измерений
длины свойств спектральных ламп и лазеров.
т а б л и ц а 4.9. Важные свойства излучения
Излучение
Длина
KorepeHT
НОСТИ
I МОЩНОСТЬ излу
чения иа единицу
поверхностИ
и едииицу
телесноro yr па,
Вт/(мм 2 .ср)
Относительиая
воспроизводи-
мость ДЛИНЫ
ВОлнЫ
Спектральные лампы
86Kr, л 605,7 нм
!l 8 Kr, л 546 НМ
114Cd. л 644 НМ
Лазер He Ne, л 633 НМ
0,75
0,45
0,28
108
3.1O 7
15.1O 7
29 .1O 7
1O ],
4.Ю D
5.10 8
7.10 8
1O 7 1O J.],
Измерение длины с помощью лазеров происходит с помощью лазер-
.ных интерферометров, при использовании модулированноrо излучения,
с помощью нзмерення времени распространения, при использовании
дифракции и метода сканирования изображения.
Основой для всех измерений длины с максимальной точностью яв
.ляется определение метра, которое позволяет использовать прецизион-
вый стабилизированный по частоте лазер Для определения единицы
длины. ..,
4.2.2.1. Определение метра и ero реализация. В октябре 1983 r.
принято новое определение ОСНОВНОЙ единнцы длины Метра; метр
это длина пути, проходимоrо светом в вакууме за 1/299792458 долю'
,секунды [54]. Это определенне основывается на устаиовленном значе-
иии для скорости света, которая по соrлашению не имеет поrрешности
;и достиrает значения c 299 792 458 м/с. В определеННе не входят спе
цифические и технические характеристики. Поэтому в будущем нет
оснований ero изменять, а научно-технический проrресс будет сказы-
:ваться лишь на способах, с помощью которых реализуется метр.
Хотя лазер в определении метра не упоминается, оно стало воз
}.южиым лишь на основе метролоrических результатов, полученных
с помощью лазера, и иаиболее точно реализация метра может быть
>осуществлена с помощью лазерноro излучения.
Блаrодаря низкой поrрешности представления секунды 1 О IЗ
'в 1972 r. впервые удалось сделать непосредственную привязку частот
лазерных линий ИК-диапазона с поrрешностью нзмерения 3. 10 lo.
Позднее были измерены частоты лазерных линий в видимой области
спектра. Для этоrо исходя из Сs-частоты должны быть получены с по-
мощью нескольких смесительных .каскадов ряд частот вплоть до часто-
-ты лазер.ноrо излучения. Нанболее точно измерена частота в ВИДИМОЙ
-областн спектра fi 473 тrц (Лi 633 НМ) с относительным стандарт-
ным отклонением 1,6.10 lo.
Известная замыкаемая непосредственно на Сs-эталон частоты час-
тота f1 умножается за счет нелинейности характеристики диода н CMe
шивается с неизвестной частотой f2. Из нзмерениой на анализаторе
спектра разности частот Af н Kpamoro mfl определяется f2. В случае,
если L",f лежит вне спектральноrо диапазон(\ анализатора спектра, то
осуществляют смешивание с известной частотой nfз. так что может
быть измерена (рис. 4.71)
L",f === f2 mfl nfз.
Частоты должны MHoroKpaTHo мноrоступенчато смешиваться, вме-
сто клистронов [енераторов в СВЧ-диапазоне в оптической области
нспользуется лазер. Из известных коэффициентов умножения в каждом
каскаде и определенных разностей частот получается, наконец, частота
лазера в оптическом диапазоне.
Т 1
reHepamop 1,
например
Кl1истрон
Рис. 4.71. Принцип замыкания частоты на 133CS эталон частоты:
1 анаJJизатор спектра; 2 клистрон; 3 счетчик; 4 цезиевый эталон частоты
Приведенные в табл. 4.10 частоты лазерных линий основаны на
таких непосредственных привязках частоты, Т.е. на'нзмереннях часто-
ты, основанных на точном определении отношений комбинаций длин
воли. Материально-технические затраты на получение подобноrо ряда
частот очень велики, так что они не всеrда MorYT быть получены. По-
этому для практическоrо применения необходимо иметь источники из-
лучения в оптической области спектра, которые 'по своей стабильности
и воспроизводимости приrодны для точноrо измерения частоты. Стаби-
лизация лазерноrо излучения с помощью насыщающихся линий поrло-
щения предоставляет для этоrо достаточную rарантию.
ДЛя реализации единицы длины Международное бюро по мерам
и весам (BIPM) рекомендовало три способа.
1. Путем измерения времени распространеиия t световых импуль-
сов и скорости света с получается длииа L ct соrласно определению
метра. Ошибка в определеиии времени при подобных измереннях в на-
стоящее время составляет по меньшей мере 20 пс, что соответствует
распространеиию света на отрезке 6 мм. Лишь для отрезков в несколько
километров и во внеземной областн этот способ представляет особый
интерес.
2. Измерение частоты f и использование соотиошения Л сП. Этот
способ может быть реализован только иа некоторых метролоrнческих
rосударствениых станциях и нз-за ВЫСОЮIХ технических затрат orpaHH
чивается только отдельными случаями.
Та 9 л н ц а 4.10. Лазерные излучения, рекомеН,II.ованиые
Международным бюро мер и весов, которые стабилизироваиы
по насыщающимся линиям ПОl'лощении
Поrло-
щающая Линия Лазер Частота, мrц Длнна БОЛНЫ, фм Поrреш
молекулаl кость,
переход 31'1
СН", F(2) He Ne 88376181,608 3392231397,0 1 ,3.1O 1
Vз, F (7) 2
;1, 71j!
17 1, о На краси 520206808,51 576294760,27 6.1O 1
Р (62) теле или
J. 712 He Ne
1I 5, i He-Ne 473612214,8 632991398,1 1.1 9
R (127)
1 Ч2
9 2, о He-Ne 489880355,1 611970769,8 1 , 1 .1O 9
R (47)
1 7 12
43 O, аз Ar+ 582490603,6 514673466,2 1,3.Ю 1)
Р (13)
&
"
3. На основе прецизионных привязаниых частот Консультативным
комнтетом (ССОМ) Международноrо комитета по мерам и весам
(CIPM) рекомендуются применять значеиия частот и длии волн подхо-
дящих лазеров. Важнейшие линии рекомендуемых источников лазерно-
ro излучения приведены в табл. 4.10. Кроме Toro, MorYT быть использо
ваны также ранее рекомеидованные длины волн известных спектраль
иых ламп.
4.2.2.2. Национальные единицы длины. Для определения националь
ных эталонов единицы длины во мноrих странах используются стабили
зироваННЫе по частоте лазеры, с помощью которых Moryт быть воспро-
изведены линии, указанные в табл. 4.1 О.
Так, например, ио ВНИИ ФТРИ, СССР, Национальиом бюро CTaH
дартов, США, Национальной физической лаборатории, Великобритания,
и Научно-исследовательском физико-техннческом институте, ФРr, име-
ются все необходимые дЛя ЭТОrо типы лазеров с характеристикамн, KO
торые являются лучшими для международноrо сообщества. Соответст-
венно этому мноrие их результаты измерения учитывались при опреде-
лении международных средних значений для лазерных частот и длин
волн нз табл. 4.10, а также соответствующих соседних линий. В ведом-
стве по стандартизации, измерениям и испытаниям товаров в f ДР дЛЯ
этой цели существует Не-Nеfl2-лазер, стабилизированный насыщающиМ-
ся поrлощением в йоде.
Поскольку Не-Nе/l2-лазеры в отдельных странах по своим xapaкTe
ристикам очеиь похожи, на рнс. 4.72 в качестве типичноrо прнмера по-
казан лазер фирмы ASM\V. Кроме лннии сверхтонкой структуры i
(табл 4.1 О) MorYT быть однозначно воспроизведены и тем самым ис
пользоваиы для сравнения частот дрyrие шесть соседних линий. На рис
4.73 приведеи rрафик третьей rармоники подобноrо линеичатоro спект
Рнс, 4.72. Не- Nе/I2-лазер фирМЫ ASMW
I( ) V
'
\
I
Частота
лазерНО20
излучения
j L h
gfed
Рис. 4.73. Третья rармоиика сиrиала от линий поrлощения от d ДО
как функцня частоты
ра, на котором прохождеиия через нуль между большими экстремаль-
lIЫМИ значениями соответствуют срмним частотам лииий.
Важнейшие характеристикн этоro лазера таковы:
относительная поrрешность стабилизации за времеиа интеrрирова-
пия 1 с составляет примерио 1.10 !! (рис. 4.74);
относительное отклонение частоты от международноrо среднеrо
значения составляет примерно 1.10 !!;
средние относительные отклонения частоты между одинаковыми
линиями отдельных лазеров меньше 1.10 11 [55].
He-NefI 2 -лазер с длИНой волны 0,63 мкм часто применяемый тип
лазера, потому что ero ВИДИмое излучение удобио при использованни
В юстировочных работах, и ои уже подробно исследован. Лазеры, pa
'"
'::::.1O 11
\\)
10 12
..... ,
.....
.....
.....
.....
Ю 13
0,001 0,01 0,1
1
10 100 1000 Т, С
Рис. 4.74. Стабильность частоты лазерноrо излучения лазеров L4 н L5
фирмы ASMW, выражениая в виде дисперсин распределения вероятно
стей Аллаиа как функция времени интеrрирования
ботающие иа этой длиие волны (но с методами стабилизации частоты,
обеспечивающими более низкую точность, чем у Не Nе/I2 лазера), часто
используются для интерферометрических измерений длины. Частота
этоrо лазера может быть очень точно и быстро определена с помощью
метода rетеродииирования путем нзмерения разностной частоты по OT
ношению к частотам Не Nе/l2-лазера (рис. 4.75). Измеренные разност
ные частоты лежат в диапазоне от несколыrnх меrаreрц до иескольких
rиrаreрц. Если они превышают зиачения этоrо днапазона, то прнвязку
осуществляют с помощью определения разностей длин волн или их
отношений с помощью интерферометров Майкельсона или Фабри-Перо,
ошибка измерения в которых составляет примерно от IO lO дО IO 8.
4.2.2.3. Промышлениые лазерные интерферометры. Лазеры с Tex
иическими усовершенствоваииями во все воз,растающей мере ИСПОльзо
вались в интерферометрии. Интерферометрическое измерение длины раз
вивалось блarодаря прнменению лазеров при разнообразиых методах
измерения. Развнтие поддерживалось изrотовленнымн промышлениыми
лазерными ннтерферометрами. Случаи применения простираются от
интерферометров с разностью оптических путей нитерферирующих пуч
ков от километра для сейсмическнх испытаний до определения литоrра
фических структур в микроином диапазоне для иитеrральиых схем.
При н ц н п Д е й с т в и я (рис. 4.76). Расширенный параллельный
световой пучок диаметром 6 IO мм попадает на делитель пучка 1.
Здесь происходит или деление амплитуды CBeTOBoro пучка, или разделе
ние двух составляющих с ортоrональиыми состояниями поляризации
о частотами fs и fh. Частичный световой пучок fs проходит контроль
ное расстояние, а пучок fh измеряемое расстояние, причем при пере-
мещении отражателя 2 вследствие эффекта Доплера получают сдвиr
частоты ::!:8f. При иаложении частичных пучков, отраженных от три
пель-призм, в делителе пучка 1 возникает интерференционная картина.
Трипель призма перемещается на ПУТИ,измерительноro луча иа из-
меряемое расстояние (луч, показаниый ШТрИХОВОЙ линией), и подсчи-
тываются появляющиеся при этом интерференщюнные полосы (в боль-
шинстве случаев в виде 1/2, 1/4 или 1/8 длины волны) и ИХ дробные
части. ЭВМ, соединенная с интерферометром, выдает результат в Же-
I Лазер 1
I
I
I
1 I
I I
I Лазер 2
9
9 Отклоняющее зеркало
50% ная Qеl7l1тельная пластина аля смешения пучкоВ
П Стеклянная П/1астинка аля юстироВки луча
J
Рис. 4.75. cxeM измерительноrо стенда для измерения разностной ча-
стоты фирмы ASMW:
1 !:,;еТ':;1Ж: 2 о циллоrраф; 8 анализатор спектра: 4 преобразоватепь; 5
РВТ 4000; 6 пе атающее устройство для реrистрацнн резупьтатов измерений;
7 быстродейству щее устройство вывода даиных на перфорацню; 8 печа
тающее устройство; 9 фотопрнемннк с предварительным усИлителем
1»
1
Рис. 4.76. Принцип действия лазерноrо интерферометра:
1 светоделитепь; 2 отражатель; 8 полярнзатор, устаиовленный под yr.l0M
450 относительно иаправлений колебаиий f 8 Н f h: f 8: fh вертикальио и rорнзои-
тально поляризованное излучение
лаемой единице измереиня с учетом влияющих параметров темпера
туры воздуха, влажностн и давленИЯ, а также температуры матернала.
В табл. 4.11 приведены лазерные интерферометры с нх важнейши-
ми. характеристиками.
Т а б л и ц а 4.1 1. Промышлеииые лазерные интерферометры
щ I Макси-
Максимально
Тип допустимое
Диапазон МЭJIьиаи Максимальное диафрaI'ми- Принадлежности.
иитерфе- ИзroТОвитель измерения. м скорость раарешенИе рование луча измерение. разрешение
рометра измерения, ИJ1И уменьше-
мм/с ние мощности
I излучения. %
LlMS Предприятие O. IO; темпера ту- 200 'Л/8 (0.08 мкм) 50 Автоматическая коррек-
Metra Blans- ра воздуха и ция воздействнй внеш
ko, ЧССР материала 14 ней среды, измеритель
30 ОС; давленне наклона (разрешенне
воздуха 95 1 мкм/м), измерение
101 кПа малых уrлов (р
шение 0,2") , измере-
ние прямолинейиостн
(разрешение 1 мкм)
I I I
LMS 100 Народное преk 0 40; температу- 416 'Л/8 или 'Л/16 40 Устройство для измере-
приятие Carl ра воздуха и (0,04 мкм) с иия несоосности, yr-
Zeiss Иена, матернала 18 дополнитель- ловое отклонение н
[ДР 28 ос иым устрой- отклонение по направ-
СТВОМ: 'Л/641 лению 0,1'/
(0,01 мкм) I
5526А Фирма H,Wl,tll 0 61; температу- 300 '),,/4 < (0,1 мкм) 95 Автоматическая коррек
. Packard, ра воздуха и с дополни- ция воздействий внеш
Metri1as
М l00Е
LI 2000
США
Фирма Soro,
Франция
Предnрнятие
Iskra Ceo,
Юroславия
матернала 13
40 ос; давлеиие
воздуха 7 4,5
105 кПа
о зо; темпера
тура воздуха и
материала 1O
40 ос; давлеиие
воздуха 66,5
106,4 кПа
0 20
LIL 3000 Фирма Oriel, 0 3
США
300
Нет
данных
>400
тельным уст-
ройством
0,01 мкм
ней среды, измерение
уrлов и плоскости
0,1", измереиие откло
иений от прямолиией-
НОСТи 0,4 мкм/м, про-
rpaMMa анализа
0,3 мкм с до- Нет данных
полнитель-
иым устрой-
ством 0,03
мкм
'А/8 (0,1 мкм) 95
'Л/8 (0,08 мкм) ,
с дополии
тельным yCT
ройством
'Л/16 (0,04
мкм)
Автоматнческая KoppeK
ция воздействнй внеш-
ней среды, измерение
уrлов и плоскости 1",
с дополнительным уст-
ройством 0,1"
Рефрактометр: aBТOMa
тическая коррекцуя
внешних воздействий
75
Автоматнческая коррек-
ция внешних воздейст-
вий
При м е и е н и я. Лазерные интерферометры применяются для:
1} измереиия прямолинейных перемещений по трем перпендикуляр-
ным координатиым осям, например в литоrрафическнх приборах для
определения расстояний между проводящими дорожками на платах,
для определеиия положения в трехкоординатных измерительных Ma
шинах;
2) выверки больших стаиин стаиков (длииой до 30 м);
3) контроля прямолинейиоrо хода машин, а также плоскостности
столов машины, иапример исследование производитеЛЬНОС11l машнн или
оценка износа машин, в частиости станков с ЧПУ дЛЯ обеспечения Ka
чества продукции;
4) определения поступательных и вращательиых колебаний машин
в большом диапазоие амплитуд н частот, а также .неуравновешенности
двиrателей, например на двиrателях rИРQСКОПОВ с высокой частотой
вращения для навиrационных целей [56].
4.2.2.4. Лазериые интерферометры с высоким разрешением. С при
менением лазера в интерферометрических измерениях уже достиrиуты
разрешения (10 3 10 5) Л. Определеиие очень малых долей интерфе
ренционной полосы можно объяснить тремя обстоятельствами [57, 58].
1. Частота и тем l:aMbJM длина волны лазера 2 (рис. 4.77) изменя-
1
2
Рис. 4.77. Схема интерферометра с высоким разрешением:
1 стаБИJlИэироваиный по частоте 1.!ааер; 2 иестабилнзированиый 1.!азер; 3
зеркало с пьезокерамикой; 4 reHepaTop; 5. 6 приемнвки; 7 синхронный де-
тектор
ются таким образом, что разность хода в интерферометре cooтвeTCТВY
ет целому числу иитерференционных полос. Модуляция fG от reHepaTo
ра 4, наложеНная с помощью зеркала 3 на интерференционный сиrнал,
исчезает на приемнике 5 прн точном установлении цеЛоrо числа интер-
ференционных полос. Частота лазера 2 определяется из разностной
частоты, полученной с использованием стабилизнрованноrо по частоте
лазера 1. Оптическая разность хода в интерферометре получается из
частотЫ лазера 2 и числа целых интерференционных полос. ДОClrиrну
тое разрешение )(}--5 л.
2. Оптическая разность хода определяется из четырех соседних зна-
чениЙ интенсивностеи, которые отличаются на одинаковые дробные
части полосы. Достиrнутое разрешение )(r з л.
3. Для измерения используется длина волны и фаза сиrнала бие-
НИЙ (fs fh) двухчастотноrо лазера (рис. 4.78). Фаза возникающеrо при
:-----
1 ,
I
................
Рис. 4'78. Схема интерферометра, в котором используется частота БИе
ний fh f s:
1 поляризатор; . Q приемиики; 4 усилитель; 5 Фазовый дискриминатор
этом интерференционноrо сиrнала определяется с помощью фаЗОВQrо
дискриминатора 5, что особенно точно можно осуществить в окрестно-
сти перехода через нуль интерференционноrо сиrнала. Достиrнутое раз-
решение (JО----з 10 i) л.
Применения:
прецизионные сравнения длин волн в видимом диапазоне, rде He
посредственная привязка частот для коротковолновоro излучения еще
не выполиена;
определение формы и качества плоских, сферических, асферическнх
и цилиндрических поверхностей (например, при изrотовлении линз, зер
кал и призм); промышлениые приборы для подобноrо применения име-
ют уже разрешение л/50 [591, разрешение лабораторных приборов до-
стиrает л/600 [60];
измерение одиородности н напряжений оптических материалов
(например, контроль лазерных стержней), измерение плоскостности
у дисков памяти;
контроль шариков для шарикоподшипников, rоловок запнси и BOC
Произведения, форм для литья под давлением, линз из пластмассы
и т .д.
4.2.2.5. Модуляция лазерноrо излучения. Для модуляции лазерно.
ro излучения существуют два способа. .
1. Интенсивиость cBeToBoro пучка, которыи проходит измеряемое
расстояние, модулируется частотами еВЧ-диапазона. Фаза на модулн
Рующей частоте волны света, отраженноrо от цели, сравнивается с фа
зой испущенноrо излучения, и отсюда определяется доля модулирую-
щей длины волны, соответствующая длине пути CBeТOBOro пучка. ЧИСЛО
целых модулирующих длин волн, выпадающих на длину пути cBeТOBoro
пучка, получается при применении нескольких модуляций, мало отли-
'чающихся по длине волны. Этот способ сильно зависит от атмосферных
воздействий. -
2. Применяется двухчастотный лазер с частотами fh и fs (рис. 4.78).
На приемиике 2 возникает сиrнал биений f,, fs с постоянной фазой, а на
приемнике 3 с фазой, зависящей от удаления от цели. С помощью
,фззовоrо дискриминатора измеряется разность фаз между сиrналами,
ПfJступающими на приемники 2 и 3. Кратные длины волны биений, со.
'ответствующие измеряемому расстоянию, определяются путем измене-
1ШЯ длины биений.
Достиrаемая поrрешность измерения: для расстояний от нескольких
метров до oAНoro километра O,I 1 мм [63].
Применения:
rеодезическое измерение расстояний при визуальной связн между
конечными точками измеряемоrо отрезка; расстояния от нескольких
метров до нескольких километров;
нзмерение изменений высоты поверхностей, например, воды, масла
ИТ.д. [58].
4.2.2.6. Измерение времени распространения световых сиrналов.
Короткий световой импульс направляется вдоль измеряемоrо участка,
отражается от конечной точки, и измеряется время до ero прихода
в начальную точку. Зная скорость света и измеренное время распрост-
ранения, можно вычислить длину измеряемоrо промежутка.
С помощью лазеров можно значительно леrче формировать по
сравнению с обычиыми источниками света короткие импульсы с ВЫсо-
кой плотностью энерrии, так что для подобных методов измерения
применяются исключительно лазеры. Поскольку максимальная поrреш-
ность этоrо способа (несмотря на дрyrие возмущающие воздействия)
в настоящее время составляет примерно 6 мм (см. подраздел 4.2.2.1),
этот метод зарекомендовал себя хорошо лишь при измерении относи-
'тельно больших расстояний.
Кроме ошибки при измерении времени поrpешность этоrо метода
решающим образом зависит от крутизны фронта излучаемых cBeToBых
'Импульсов.
Применения:
для rеодезических измерений расстояний в иитервале от нескольких
метров до нескольких километров; относительнаи поrреlllНОСТЬ измере-
ния 10 3 [61];
определение траекторий спутников для расстояний примерно 100
300 км; относительная поrрешность измерения JO 7 [62];
измерение расстояния Земля Луна; установленные на Луне отра-
жатели (рис. 4.79) позволяют осуществить прием световых сиrналов на
Земле; поrрешность измерения 0,15 м [63].
4.2.2.7. Дифракция. При освещенин щелевых конфиryраций (рнс.
4.80, a в) лазериым нзлучением возникают леrко обнаруживаемые
дифракционные структуры [64]. Сужение щели приводит к расширению
днфракционных полос, а расширение щели к их сужению. Изменение
дифракционной картины можно очень точно зареrистрировать,' напри-
мер, как на рис. 4.80, 2, путем реrистрации с помощью линейноrо ПЗС-
фQтоприемника.
Отношение изменения ширины ;полосы к вызвавшему ero измене-
иию ширины щели достиrает примерно 400 n, причем n обозначает ис-
пользуемый порядок дифракции. Типичная область применения для ще.
лей составляет 0.I 5 мм.
Достиrаемая поrрешность измерения или разрешение:
для промышленных измерительных устройств 0,1 мкм [65];
для лабораторных приборов несколько нанометров [64].
Рис. 4.79. Измерение расстояния Земля Луна с помощью лазерноrо
отражателя, установленноrо астронавтами КА «Апполон ll» на поверх
ности Луны (фото НАСА, США)
При м е н е н и я:
нзмерение диаметра и сферичности шариков с высокими требова-
ниями к точности;
определение диаметров и шероховатости волос;
контр'оль за изменениямн диаметра прОВОЛlжи, толщины oKoHHoro
стекла и синтетических волокон;
измерение ВОЛОЧИЛЬных камней (диаметр отверстия, длина и уrол
конуса) .
4.2.2.8. ФотоэлектрическИй метод. Фотоэлектрические методы при-
меняются во все возрастающей мере в технолоrическом процессе для
аВтоматическоrо контроля и измерения rеометрических величин, а так-
Же для обнаружения дефекта в изделиях.
Измеряемый объект проводят через лазерный луч, или, наоборот,
по нему сканируют лазернЫМ лучом. Для определения rеометрических
размеров объекта служат rраницы тени, времена затенения или различ-
НЫе условия отражения, напрнмер уrол отражения.
.
8) }1Т
!
J 1
4
2
в) 3
Рис. 4.80. Возможные конфнrурации щелей для применения явления ди
фракции:
а опорное ребро против ребра объекта; б опорное ребро против сферы; в
-опорное ребро против поверхности; е смещенные относительно ДРУI' ДРУI'а ди-
фракционные края (2а ширииа щели); д схема дифракциоиноI'О измеритель-
HOI'O прнбора; 1 лазер; 2 щель; 3 дифракционная картина; 4 приемиик
(П3с..... лииейка)
Рис. 4.81. Применение фотоэлектрическоrо метода с использованием
rpаииц тени:
.а определение I'раиицы и ПОЗИЦнонирование измеряемоI'O материала; б опре-
деление днаметра н провнсання материала в внде каната; в контроль расстоя
ния между контактам.и свечи заЖИI'анИЯ
При м ен'ени я:
определение rраницы и позиционирование измеряемоrо вещества
(рис. 4.81, а);
определение диаметра и провисания материала в виде каната (рис.
4.-81,6);
контроль расстояния между контактами свечи зажиrания (рис.
4.81, в); относительная поrрешность в этих случаях применения дости-
raeT примерно 10 3;
определение совпадения и диаметра втулок колес автомашины,
контроль перфораторов, контроль параJIJlельности rорловин распылите-
лей; принцип измерен-ия:
измерение объекта по за енению пучков А, В и С (рис. 4.82) [66];
достиrн-утая точность измерения составляет 1 o 1 мкм;
Рис. 4.82. Определение reOMeT-
рин объекта с помощью свето-
вых пучков:
А, В и С световые пучки; О
объект
u'!нереl:Ие диаметра rорячих (900 ОС) стальных труб во время тех-
нолоrическоrо цикла [67], измерение диаметров проволочных канатов,
измерения при шлифовании круrлых сталей, определение толщин изо-
ляции провода в процессе изrотовления, а также измерения длин тепло-
выделяющих элементов aToMHoro реактора и др. [68]; 'принцип измере-
l1азер
"J{.\." .f' ,.,":"
х
в}
Рис. 4.83. Схема применения метода трианrуляции:
.А и в точкИ поверхиостей объекта с расстояиием ]с между иими; А' и В'
их изображение на приемиике Е
ния: измерение времени затенения лазерноrо пучка измеряемым объек-
том; достиrвемая точность измерения до 0,25 MI<;M;
определение толщины деталей или разносте уровней (например,
жидких металлов); принцип измерения: метод ТРИ8нrуляции (рис.
4.83);
световая точка А иа поверхности измеряемоrо объекта отобража-
ется на приемник Е в световую точку А', а точка В на приемник Е
на расстоянии х' от точки А; при фиксированном расположении источ
ника света и приемника можно найти расстояние х из ero отображения
х'; достиrаемая точность измерения 10 1 мкм [4.69].
4.2.3. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ [70 77]
4.2.3.1. Измерение уrловых скоростей. Уrловые скорости MorYT быть
измерены с помощью кольцевоrо лазера, если этот лазер прочно соеди-
нен с вращающейся системой, а Ось вращения пересекает поверхность
кольцевоrо лазера под уrлом, отлИчаюшимся от нуля, при этом исполь-
зуется то обстоятельство, что время прохождения электромаrнитиой
волны во вращающемся кольцевом резонаторе повышается или уМеньша-
ется в зависимости от Toro, совпадает направление прохождения элект-
ромаrнитной волны с направлеНИем вращения кольцевоrо резонатора
или противоположно ему. Этот эффект, впервые обнаруженный Сань-
яком, в 1926 r. был использован Майкельсоном и fале [70] для изме
рения скорости вращения 3ем.'1И с помощью кольцевоrо интерферомет-
ра с большой ПРОТЯЖt'нностью (периметр составлял примерно 2 км).
В кольцевом лазере изменение времени обращения, которое прак
тически соответствует изменению длины резоиатора, приводит К сдви
ry резонансной частоты, так что между противоположно распростра
няющимися волнами лазерноrо I1злучения возникает сдвиr частот. Рас-
щепление частоты определяется выражением
I1v (4А/lл) па, (4.2)
[де 1 длина резонатора кольцеВОrо лазера; А площадь кольцевоrо
лазера; n нормаль к поверхности; g вектор yrловой скорости; л
Длина волны лазерноrо излучения.
Расщепление частоты реrистрируется простым способом путем иа-
ложения обоих отдельно выведенных пучков на полупрозрачном зерка-
ле (рис. 4.84).
С кольцевым резонатором преимущественно применяются rазовые
лазеры в видимом спектральном диапазоне (Не-Nе-лазер). Эти лазеры
без специальных мер позволяют обеспечить одномодовый режим работы
при достаточно большой плошади (периметр 30 40 см).
Обнаружение очень малых уrловых скоростей затрудняется тем
обстоятельством, что встречные волны лазерноro излучения взаимно
синхронизируются при малом расщеплении частоты (примерно 1 кrц)
[71 ].
. Существенное повышение чувствительности может быть достиrну-
то, если имеется постоянное расщепление частоты и реrистрируется из-
менение этоrо расщепления, обусловленное вращением. Работающие со.
соrласно этому принципу кольцевые лазеры позволяют обнаружить
yrловые скорости порядка 0,01 rрадjч (максимальное значение
0,001 rрад/ч). С такой чувствительностью кольцевой лазер имеет наи.
большее значение как оптический rироскоп (лазерный rироскоп). Преи-
мущество лазерноrо rироскопа по отношеиию к обычному rироскqпу.
состоит в незначительной восприимчивости к помехам при вибрациях
(нет движущихся частей). Отсюда вытекает также ero применеиие
в качестве навиrаЦИОIIНОrО инструмента в авиации и космонавтике.
Комплект оптическоrо rироскопа, как правило, состоит из трех
кольцевых лазеров, [{Оторые ориентировались в ортоrональных плоскос-
тях. Обработка с помощью ЭВМ трех измеренных значений позволяет
определить пространственную ориентацию уrловой скорости.
2
6
3
, "4- S
, I
J'
Рис. 4.84. Измерение уrловых скоростей с помощью кольцевоrо лазера:
I лазер; 2 зерI<ало резонатора; 3 отклоняющее зеркало; 4 полупрозрачное
зеркало; 5 .приемник; 6 блок электронной обработки
4.2.3.2. Измерение поступательных скоростей. Наиболее часто при-
меняемый метод (табл. 4.12) основан на использовании доплеровскоrо
сдвиrа частоты видимоrо излучения при отражении или рассеянии на
движуще ся объекте. 'Сдвиr частоты реrистрируется r>YTeM оптическоrо
смешения ражениоrо или рассеянноrо излучения с опорным пучком
,этоrо же лаз а. Возникающая при этом частОта биений в пренебреже-
нии квадратиче им доплеровским эффектом (и«с) определяется
соотношением
I1и (1/2'Л) V (k s k o ),
(4.3)
(рассеян-
rде v вектор скорости; ks ВОЛНОВОй вектор отраженноrо
Horo) излучения; ko волновой вектор падающеrо излучения.
На измеряемом объекте целесообразно использовать отражатели
для лазерноrо излучения в схеме Майкельсона.
Преимущество: скорость движущеrося объекта можно измерить
с любоrо расстояния; MorYT быть измерены не только скорости MaKpo
скопических объектов, но также и распределение скоростей в текущем
rазе или жидкости, если они имеют достаточную концентрацию расееи
вающих центров.
Недостаток: возможности установкл отражателя сильно оrрани-
чены. Для измерения поэтому часто используется рассеянный свет
[72, 73].
Принцип действия измерительноrо устройства
(р и с. 4.85). Лазерное излучение с помощью линзы фокусируется 8
маленькую область протекающеrо вещества. Исходящий из фокуса
рассеянный свет собирается линзой, отклоняется rлухим зеркалом 3 R
смешивается на полупрозрачном зеркале 4 с излучением, которое не-
посредственно проходит через исследуемую область. Фотоэлектрическии
Т а б л и ц'з 4.12. Примеры выполненных измерениЙ" скорости
Тип прибора
Лараметр
Лримеиение
l f;:1
(рис. (75] , . Диапазон' измерения I Пресс для прессова-
0,2 7700 мм/с, из- ния изделпи из
мерение до 20 м алюминия, иаrре-
тая до KpacHoro
каления сталь, бу-
Mara, резина и др.,
пыль и пламя не
оказывают влияния
на измеренне
Посадочиые скоро-
сти самолетов
,
. >,,}:.<, 2
"'
" .
, "k
-...' 3;: :
.......
k' V
s /
/ / ' ................
2.... ::;// .... 2.
J ,5
. .
Не Nе-лазер
4.86)
С0 2 -лазер He pe. [76]
pbJBHoro деист-
вия (рис. 4.86)
Не- Nе-лазер
Не-Nе-лззер
4.85)
(рис, (72]
[74]
Диапазон измерения
130 400 км/ч,
дальность действия
до 500 м
Диапазон измерения
до 1300 м/с
Скорости малых ча-
стиц диаметром
примерно 1 мкм
(истечение реактив-
ной струи)
Профиль течения в
трубе, количества
протекающей жиk
кости, измерения
турбулентности
Диапазон измерения
от 0,1 м/с, диаметр
измеряемоrо объе-
ма 10 мкм
Рис, 4.85, Измерение скорости методом рассеянноrо света:
, n'азер;. 2 nинзы: 8 отмоняющее зеркаnо; 4 поnупрозрачиое зеркаnо; 5
приемник; 6 бnок эnектронноi! обработки
приемник 5 принимает частоту биений, которая определяется с помо-
щью частотомера или анализатора спектрн. Поскольку измеряемый
объем может быть мал, протяженностью примерно 10 мКм (диамет
фокальноrо пятна), -с помощью этоrо устройства можно измерить, на-
пример. также профиль течения с высокой точностью.
Друrим часто используемым устройством (рис. 4.86) [74] (см.
также [75, 76]) является интерферометр Майкельсона, в котором одно
1 4- 5 6
6 r.IY 4' 7
+I К{)
2 + Ю 3
Рис. 4.86. Измерение скорости с помощью интерферометра Майкельсона:
1 ла?ер; 2 блок электронной обработки; 3 приемник; 4 отклоняющее зер'
кало; 5 полупрозрачное зеркало; 6 телескопическая снстема
из зеркал заменено рассеивающей поверхностью Дflижущеrо объекта.
С помтдью TaKoro устройства преимущественно MorYT быть измерены
ёкорости на больших расстояниях (при использоваиии Не-Nе лазера
средней мощности примерно до 20 м).
Применение: измерения на раскаленном прокате и в струе реак-
тивных двиrателей.
Чувствительность измерения равна примерно 10 5 м/с и оrраниче-
на возмущениями, которые действуют различным образом на оба ин-
терферирующих 'пуч!са (вибрации, колебания плотности воздуха
и т. д.). Верхняя rраница измеряемоrо диапазона определяется по-
стоянной времени измерительilOrо устройства.
Наряду с измерениями скорости ВОЗможны также измерения тур-
булентности у протекающеrо вещества.
Здесь используется то обстоятельство, что при появлении различ-
ных скоростей (в измеряемом объеме) рассеянный свет испытывает
спектральное уширение.
Применение: измерение расхода или длин материала (например,
на прокатном устройстве); возможно измерение скоростеп потока пу-
тем определения коэффициентов увлечения Френеля с помощью коль-
цевоrо .лазера (рис. 4.87).
Составляющая скорости и . в направлении распространения света
вызыаетT увеличение или уменьшение скорости света в протекающей
среде на величину
6.C :i:(I n )V Z '
rде n показатель преломления протекающеrо вещества; + направ-
ление распространения света совпадает с направлением компонен-
ты cr..
(4.4)
Этот эффект приводит, как и во вращающемся кольцевом лазере,
к расщеплению резонансных частот для двух направлений обхода све-
та в кольцевом лазере на величину
s (n 2 1)
"'-V kv, (4.5)
11,1
rде 1 длина резонатора кольцевоrо лазера; s оптическая длина
пути в протекающей среде.
.Обнаружение этоrо расщепления частоты и обработки сиrнала
биений происходит так же, как и при измерении уrловых скоростей
при использовании кольцевоrо лазера,
2
I \
6
Рис. 4.87. Измерение скоростей потока с помощью кольцевоrо лазера:
1 лазер; 2 зерка.ла резонатора; 3 отклоняющее зеРКaJIО'; 4 полупрозрачное
зеркало; 5 приемннк; 6 блок э 'ектроиной обрабо'l"КН
Расщеплеиие частоты зависит от показателя преломлеиия проте-
кающей среды.
Это означает, что для жидкостей измерения MorYT быть выполне-
ны, например, значительно точнее, чем для протекающих rазов.
Предельная ЧУВСТ8ительность составляет lo e м/с для жидкостей
и IО З м/с для rазов.
4.3. ОПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ
p8 1 071
4.3.1. ВВЕДЕНИЕ
Прv.менение света для передачи сообщения известно давно. Преж-
де вcefo в первой половине этоrо столетия были успешно применены
иифракрасные устройства для передачи ин-формаllИИ в специальных
системах, {)днако вследствие некоrерентности излучения и тем самым
сильно оrраничеНIIОЙ дальности действия (недостаточная направлен-
ность cBeToBoro пучка) н модуляционной способности подобные систе-
мы передачи не получили широкоrо распространения. Лишь с разра
боткоЙ лазера в распоряжении спецналистов оказался источник ';.':вета
с отличными коrерентными СВОЙСТВ8МИ (большая длина KorepeHTHo
сти), излучение KOToporo при большой частоте v (не более 1015 [ц)
и тем самым большой возможной полосе модуляции и малой шириие
линии подходит для оптической передачи информацни.
Развитие в этой области в ПОСJlедНие rоды происходило интеНСИI;l-
но и прнвело к тому, '!ТО В настоящее время уже существует большое
число э){спериментальных линий с лазером в качестве источника све-
та, а в недалеком будущем необходимо считаться с широким ком-
мерческим [jрименением трансляционных систем этоrо рода. Оптиче
с\<ис системы передачи информации работают с несущими частотами
10'3 1015 [ц, соотвеТСТВУЮЩI1МИ длинам волн л 33+0,33 мкм. При
меняемая длина волны из этоrо диапазона для передачи информации
зависит от;
постановки задачн по передаче информации (требуемая полоса ча-
стот модуляцни, расстояние, передающая среда);
источника света, имеющеrося в распоряжении (6 основном полу-
проводниковые инжекционные лазеры и светодиоды, в отдельных слу-
чаях миниатюрные твердотельные лазеры, С02 лазеры);
модуляционной способности;
системы передачи [через вакуум (космическое пространство), воз-
дух, специальные rазы, стекловолокио] ;'-
возможности демодуляции.
Принципиально система для оптической передачи информации со-
стоит из шести компонентов [106] (рис. 4.88).
Рис. 4.88. Схема системы для оп
тической передачи информации:
1 ИСТОЧНИк света; 2 модулятор све-
та; 3 лнния передачи; 4 Фотопри-
емник; 5...... сиrнал
При использовании полупроводниковЫх лазеров в качестве источ-
ников света внешний модулятор может быть исключен (непосредствен-
ная модуляция лазера с помошью возбуждаюшеrо тока в этом случае
имеет преимущество).
ЗадачеЙ оптической передачи информации является передача (мо-
дулированноrо) излучеиия 01' перед.атчика к приемнИI<У, и тем самым
решающее знач€ние при обретает среда распространения сиrнала. Свой-
ства среды в основном определяют конструкцию и размеры всей си-
стемы передачи, включая выбор источника света и приемника.
4.3.2. ПЕРЕДАЮЩИЕ СРЕДЫ
Следует различать передачу ииформации в следующих средах:
земной атмосфере, линзовых световодах, оптических "Волноводах.
Вакуум в качестве передаюшей среды (например, связь в косми-
ческом пространстве между спутниками или по вакуумированным тру-
бам) не представляет особенностей и даЛее не рассматривается.
4.3.2.1. Передача информации в земиой атмосфере. Из за rеометри"
ч сt<:их потерь, обусловленных расходимостью излучеиия, при оптиче
ской передаче сиrнала в вакууме принимаемая мощиость на рас-
стоянш.! R на длине волиы 'л равна:
РЕ /P s == As А Е /('),,2 R2), (4.6)
тде Р. н РЕ излучаемая и прннимасмая мощность; А. н А Е апер.-
туры передающей. и нриемной СIIСТ\:М.
СоотвеТСТВУЮЩliе потери (дифракция) называются потерями CBO
бодноrо пространства. К этим потерям следует добавить потери при
распространении излучеиия через атмосферу за счет поrлощения, рас-
сеяния, рефракции (измеиение формы и иаправления распространения
световых пучков).
При распространении cBeToBoro пучка в передающей среде про
исходит уменьшение интенсивности 10 CBeTOBorO пучка. На расстояНиИ
R имеем [107]
1 Io e IJR. (4.7)
rДе 6 коэффициент затухания*:
6 Б 1 + 6i, + 63. (4.8)
III характеризует мvлекуляриое поrлошение, в оптичеСКой спектраль
Ной области в основном определяется парами воды, диоксидом yrле-
рода и Озоном (рис. 4.89) [107]. Спеl{тральная область между 0,4 и
.Ht O ; 002 С02 Н 2 О й3 С02 tr,20
I: ,I
о 2 * б {j 10 121ft 16 18 20 22 J\, мкм
Рис. 4.89. Молекуляриое поrлощение в оптическОЙ области спектра
1,2 мкм почти свободна от поrлощения, 61:::::;; 1 -+ 10 дБ/км. Аналоrич
ная ситуация имеет место для некоторых спектральных областей в
ИК-диапазоне, например, между 10 и 12 мкм. В этом случае rоворят
об оптических окнах прозрачности.
62 характеризует потери, обусловленные рассеянием на молекулах,
частицах дыма и пыли, испареииях, тумане, дожде и CHere. Если рассеи-
вающие частицы малы по отношению к длине волны (молекулы, мель-
чайшие капли воды), то речь идет о рэлеевском рассеянии. Тоrда для
коэффициента рассеяния Рэлея имеем
6 R 'Л 4. (4.9)
Если рассеивающие частицы примерно равны или даже больше,
чем длина волны, то происходит рассеяние Ми, для KOToporo коэф-
* Затухание в дБ/км: х дБ/км обозначает, что интенсивность
на расстоянии 1 км уменьшается в 10 Х / 1О раз.
фициент рассеяния равен:
б м 'A n,
(4.10)
rде О<n<4, причем точное значение п зависит от величины, формы, а
также диэлектрических постоянных рассеивающих частиц. Длину вОЛ-
ны сле ует выбирать в зависимости от ожидаемых условий в атмос-
фере и требуемой дальности связи.
lIа характеризует рассеяние на флуктуациях показателя прелом-
леиия. Флуктуации показателя преломлеиия вЫЗЬjваются турбулент-
иыми потоками в воздухе (перемешивание теплоrо и холодноrо воз-
духа), которые приводят к колебаниям температуры и влажнОСТИ и
тем самым к изменениям показателя преломления. Наряду с рассеяни-
ем (включая отклонение) cBeTOBoro пучка имеют место флуктуации
амплитуды, фазы, поляризации и уrла падения (относительно прием-
ника).
ба обусловливает сильно флуктуирующие во времени потери при
передаче сиrнала, LITO может привести к оrраниченному во времени
срыву передачн. Соответствующие потери можно уменьшить путем оп-
ределенноrо выбора оптической системы, в частности с помощью рас-
ширения cBeToBoro пучка.
Для определения суммариых потерь на затухание для выбранной
линии передачи необходимы обширные измерения в течение больших
промежутков времени при самых разнообразных атмосферных усло-
виях при использоваиии источников ствета различных длин волн (табл.
4.13, рис. 4.90) [78, 79]. Из даиных таблицы ясно видио преимущество
10
В.
'6
5
"
3,
.
о I
'о о,,:" 1"" -r-' .
. Дальность 6uаuмости I
'о . . х 3атухан.uе на .А= '0,92 мкм
\ I I I .
'о + I--- +--
.. .
О \
Дальность 6uоuмостu
'о
I----- f--- \.
5
'о \.
х
х ""-
х
х .
I----- .
х .......
...... ...........
х
......
5 ' . . ' f .
0,2
:Е
.
\02
ci
.;; 1
:::.
1
>,
t'8
1::1
1':> 6
5
4-
3
'O,5
:::.
Е:;
<>
:i
2
<>
'"
'"
.Q
<::.
1::1
'r <::::(
2
1,
99,9
10
99,5 99 9897 95 90 8'0 7'0 БО 50 '10 ЗО
Частота аанuженuя аатуханuя, %
Рис. 4.90. Частота заниження затухания света длЯ определенноrо изме-
ряемоrо участка (2,5 км) в атмосфере [45]
Т а б л и ц а 4.1-3. Затухаиие излучеиия в атмосфере иа длине волны
0,6328 и 10,6 мкм
ПрИЧJJН8 0.6328 10,6
Молекуляриое поrлощеиие О,5 1O 0,5
Ми-рассеяние, испарения 1 2 O,5 1
Туман: 3 5 1 2
слабый
средний 8 1O 2 3
сильный ?20 >5
Дождь:
слабый 2 4 1 2
средний 8 1'0 2 4
сильный >20 >6
CHer:
слабый 5 7 1 3
средний 12 15 3 5
сильный >30 ?8
Затухание, дБ/км, на ДЛИНе волны, мим
примеиеиия излучения с длиной волны л 10,6 мкм. Об аналоrичных
измерениях для л 0.6328 мкм, л О,92 мкм и л 10,6 мкм см. [80,
81].
Оптическая передача информации в земной атмосфере рассматри-
вается только для Относительно коротких расстояний, при этом долж-
ны допускаться определенные кратковременные сбои при передаче ин-
формации: надежность линии передачи не более 99 %.
4.3.2.2. ЛИнзовые световоды. Возможность исключения мешающеrо
влияния атмосферы на распространение лазерноrо пучка состоит в
том, чтобы провести свет в определенной атмосфере (rаз с малым поr-
лощением) внутри трубы, при этом иеобходимы линзовые и зеркаль-
ные системы для подфокусировки и отклонеиия излучения.
В качестве лннз применяются стеклянные или даже rазовые линзы.
При-мер. Линзовый световод длиной 1 км соrласно fоубау [82] .
Было использовано 10 линз диаметром 25 мм с фокусным расстояни-
ем 50 м, расстояние между линзами составляло 100 м, диаметр труб
50 мм. Затухание достиrло 1 дБjкм.
Преимушество: малые потери на поrлошение и рассеяние.
Недостаток: необходима весьма точная юстировка мноrих опти-
ческих элементов, что трудно достиrнуть при колебаниях температуры
и вибрациях для больших промежутков времеии; кроме Toro, проклаk
ка линзовых световодов с большими длинами требует больших затрат.
4.3.2.3. Оптические волноводы. Оптический волновод это стек-
ловолокно, состоящее из сердцевины и оболочки, причем сердцевина
имеет более высокий показатель преломления (пк) по сравнению с по-
казателем преJlОмления оболочки (пм), т. е. пМ<nl{. Вследствие поЛо
80ro BHYTpeHHero отражения свет распространяется в пределах cepk
цевины волокна, при этом необходимо использовать стекла с малым
затуханием ц дисперсией (устранение искажений).
. Типичньiе диаметры световода; сердцевина 50 200 мкм, оболочка
1 00 250 мкм.
.В зависиМОСТИ от структуры световода рассматривают различные
механизмы распространения (рис. 4.91) [83, 84].
1. Мноrомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя
преломлеиия. Полное внутреннее отражеиие имеет место, если излуче
ние падает на rраницу под уrлом меньшим, чем 2атах (уrол ввода
светоВЫХ лучей в волновод). Имеем
siп а шах V n n == NA. (4.11)
Числовая апертура NA тем самым является мерой максимально
вводимой световой мощности. При обычных знаLlеииях NA O,2--;--O,3
50 200 МКМ &
( 3t> > 1
а 100 250 МКМ I I
П 2 Л1
;JO 65мкм'
r
( п
,/
100 125 мкм /J.n
о'
3 5MKM
- r
6 й м.м 6п
Рис. 4.91. Некоторые типы световодов:
а ступенчатый профиль показателя преломления; б r-раднентный профнль по
казатеJlЯ преломления; в одномодовыli световод
коэффициеит связи достиrает 20 30 % (рис. 4.92). Различия во вре-
меии распространения между лучами, которые распространяются с
разJiичными уrлами а в световоде, прнводят к оrраничению ширииы
ПОлосы (дисперсия мод). Для числа М мод в световоде имеем
( 1tdNA ) 2
M O,5 '
rде d диаметр сердцевины; д длина волны света; NA числовая
апертура.
( 4.12)
2. Одномодовые световоды со ступенчатым профилем показателя
преломления. Диаметр сердn:еВИНIJI 5 10 мкм обусловливает распро-
странение тольКо одной моды, при 9ТОМ теоретически ширина полосы
передuчи В>100 ffц. Изrотовление крайне малоrо диаметра сердце-
вины требует очень большой точности, при этом возникает преблема
ввода излучения в оптичесКое волокно.
1,0
." 0,8
E:
0,5
ц) :3'0,4-
«::,,,,
<I;):t 0,2
,....,
./" ,....,
./ "
О 0,1 0,2 0,3 0,4- 0,5 0,6
ЧиспоВая апертура "А
Рис, 4.92. Введенная мощность в зависимости от числовой апертуры NA
3. Мноrомодовые свеТО130ДЫ с rрадиентным профилем показателя
преломления. Показатель пре.J10мления в области сердцевины непре-
рывно уменьшается от середины к краю, обычно это изменение пока-
зателя преломления происходит по закону
n(r)==no Vl 2 ( )2,
(4.13)
[де no n(O); а радиус световода; !'!. (no na)jno.
Излучение за счет преломления волнообразио распространяется
около оси оптическоrо волокна. Поскольку все лучи имеют примерно
одинаковые времена распростраиения, то rрадиентные волокна имеют
очень большую ширину пропускания.
Существенными требованиями к оптическому световоду являются
необходимость слабоrо затухания и большой ширины полосы пjJOПУС-
каиия.
Затухание в оптических волокнах обусловлено поrлощеиием и рас-
сеянием, в частности, на примесях. Дополнительные потери возникают
из-за неоднородностей в ПОllеречном сечеиии волокна и из-за ero кри-
визны. Само затухание зависит от применяемоrо стекла для сердце-
вины и оболочки, от различных примесей. а также от длины волны
(рис. 4.93). Для изrотовления оптическоrо стекловолокна с малым за-
туханием решающее значение имеет степень чистоты используемоrо
стекла, в частности доля ионов ОН должна поддерживаться малой.
В настоящее время удается ПОJIУЧIlТЬ малое затухание не более
1 дБjкм для л 1 -+- 1,3 мкм и 1,46 1,65 мкм.
В одномодовых световодах в зависимости от длины волиы для
серийных образцов достиrаются значения O,3 ,5 дБjкм. Лучшие зна-
чения около 0,2 дБjкм:.
В видимом спектральном диапазоне длин волн и для л>1,8 мкм
у 9ТИХ световодов сильно возрастает затухание.
Световые лучи, распространяющиеся под различными уrлами к оси
стекловолокна (моды), проходят различные длины путей, что приво-
дит К различныМ временам распространtния. Разброс во временах
распространеиия приводит за счет межмодовой дисперсии к оrраниче
нию ширины полосы пропускания. Для конечной ширины спектра /):Л
ИСТОЧНИКОD света дисперсия материала световода приводит также к
дополнительному оrраничению ширины полосы передачи (рис. 4.94).
I элементы переiJатЧllка и прllеМНllка на оаае 6пАlАs
50 II спектральная ооласть С исчеаающеи iJисперсией
lIl пектральная область с минимальной ОllспеРСllей
::о:
'"
10
q:
.;- 5
::t:
1::1
"
1.0
'" '
с» 0,5
800 1000
GaAS
GaAIAs
..] 1'"
1200 14-00
Длина Волны, нм
InGaAsP /InP
)Е
1
1500
0,1
"')
Рис. 4.93. Спектральная характеристика затухания кварцевоrо волокна,
слабо леrированноrо Ge
1,0
"i'
:J:
:!:
..:::.. 0,8
LCI
o:r
.;; О, Б
O,
0,2
1':>
о
1,0
2 4-. Б
Длина lJолны, МI<М
:Е
""
u
Е::
О r;
::;
20'q
1,8
Рис. 4.94. ЗатухаИllе и дисперсия одномодовоrо стандартноrо светово-
да [52]
ЭТа дисперсия почти исчезает на длине волны Л 1,3 мкм, На длине
Волны Л 1,55 мкм дисперсия достиrает примерно 15 18 псj(км.нм).
Вследствие высокой несущей частоты cBeToBoro пучка можно ис-
пользовать для модуляции практически очень высокие частоты" Ис-
пользуемую для передачи нНформзции полосу частот называют ши-
риной полосы частот сиrнала, оиа может достиrать несколько rиrа
rсрц. Тем самым возможна одновременная передача очеиь большоrо
объема информации (телефонные разrоворы, радиовещательные и теле-
визионные сиrналы).
Для достижения хороших характеристик передачи оптическоrо
волновода существенными являются:
малые изменения rеометрических размеров, как, например, cepk
цевины и оболочки, а также хорошая IleHTpoBKa сердцевины;
малые изменения профиля показателя преломления.
Проблема механической прочносrи в настоящее время, по сущест-
ву, не рассматривается. Для применения в оптических системах пе-
редачи информации световоды должны быт выполиены в виде опти-
ческих кабелей. Относительно чувствительные стекловолокна должны
быть защищены, в частности, в кабеJlе от механических напряжений,
которые MorYT возникать, например, при прокладке оптическоrо кабс-
ля. Существует большое число конструкциЙ кабеля. Некоторые типы
конструкций оптических ({абелеЙ показаны на рис. 4.95 [105]. Жилы
1 2
1 J
Рис. 4.95. Конструкция оптических кабелей:
I заполнение; 2 несущиli элемент; 8 оптическое волокно; 4 защитная
оболочка
оптическоrо кабеля в большинстве случаев укладываются по винтовой
линии BOKpyr uентральноrо несущеrо стержня из стали или высокопроч-
Horo пластика. Наряду с такой конструкцией изrотавливаются также
кабели ленточной структуры (передача на короткие расстояния):
С о е Д и н е н и я о п т и ч е с к и х с в е т о в о Д о в. Вследствие до-
Стижимых малых затуханий' в оптических световодах можно делать
длиниые линии передачи (у мноrомодовых световодов больше 30 км,
а у одномодовых световодов больше 100 км) между ретрансляционны-
ми станциями (см. разд. 4.3.6). Однако совремеиная технолоrия нзrо-
товлеиия световодОв обеспечивает изrотовление оптических кабелей
длиной примерно 2 км, так что необходимо производить соединени.е
оптических волокон.
Соедииение двух оптических волокон осуществляется с ПОМОЩью:
разъемных (штекерных) соединителей (рис. 4.96) [86], при этом
к механической ТОчиости разъемиоrо соединителя предъявляются очень
высокие требования (в микроином диапазоне); существует большое
число разъемиых соединителей, которые различаются как держателем
волокна, так и юстировкой;
неразъемных. соединений (рис, 4.97) [83], при этом соединение
волокон осуществляется методом склеивания и плавления или путем
их комбинации; плавление осуществляется в электрической дуrе.
Хорошие соединеиия отличаются незначительными дополнитель
ными потерями (потери на вставку). ЭТИ потери для разъемных ште-
керных соединеиий достиrают 0,3 0,5 дБ, минимальное. значение co
ставляет 0,15 дБ, потери при неразъемном соедииении волокон равны
Рис. 4.96, Конструкция разъемных соединителей оптических волокон:
а детали соеДИНИтеля; б конструкция соединителя в разрезе; 1 штекер; 2
соедииительная деталь; 8 эпоксидная смола; 4 опорный камень; 5 трубка:"
6 соединительная rильза
2
з .{.
\
rIf: .
б '5 о)
'Рис. 4.97. Изrотовление неразъемных соединений оптических волокои:
а устройство для сращнвания оптическнх волокон; б неразъемное соединен не
ОПТИЧеСКНХ волокон в разрезе; 1 оптИческое волокно; 2 электроды; 3 на-
плавленный капилляр; 4 клейковина; 5 защитная втулка; б оптическое BO
ЛОКНО
не более 0,2 дБ, с керамическими капиллярами на длине волны д
";,, 1,3 мкм потери в средием составляют 0,06 дБ [87]. К значительному
повышению потерь приводят следующие ошибки, которые должны YCT
раняться (рис. 4.98) [88, 89]:
смещение оси сердцевины оптическоrо волокна;
недопустимое расстояние между соединяемыми торцевыми поверх
RОСтями;
уrол между осями оптических волокон;
различиые поперечные сечения волокон;
заrрязнение торцевых поверхностей;
отражение на торцах световодов; .
механические напряжения в месте соединения,
t:f =1 .
а) в)
. .
,
Рис. 4.98. Проблемы при соединении оптических волокон:
а смещение осей: б зазор между торцевыми поверхностямн: в уменьшен не
поперечноrо сечения; 2 уrловое смещение ВОЛОКОН
4.3.3. источники СВЕТА для ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ связи
Для оптической передачи информации в диапазоне длин волн от
0,4 до 30 мкм В качеСТl3е источников света применяlOТСЯ светодиоды,
лазеры во всем диапазоне длин волн.
Для выбора источника света rлавный критерий длина волны,
на которой получается минимальное затухание. Для передачи инфор-
мации в свободном пространстве эта длина волны лежит в пределах
«окна прозрачности». При йспользовании оптических световодов выбор
источника света зависит от структуры и материала оптическоrо волок
на. Во06ще в качестве источников света применяlOТСЯ
Не-Nе-лазер,
С02 лазер,
Nd ИАf лазер
светодиоды,
полупроводниковые
инжекционные
лазеры
Источники света дця оптической связи в CBO
б о Д н о м про с т р а н с т в е. Малое затухание в атмосфере имеет
излучение следующих лазеров:
Не Nе лазер, л О,63 мкм (см. подраздел 2.6.4.2); излучение ле
жит в видимом оптическом диапазоне, что сильно облеrчает IOстиров
КУ линии передачи;
С0 2 -лазер, л 10,6 мкм (см. подраздел 2.6.5.3); приrоден для 60--
лее протяженных линий передач, поскольку с помощью этих лазеров
достиrаlOТСЯ более ВЫСОкие выходные мощности в непрерывном ре-
жиме (10 15 Вт).
Недостатками обоих лазеров являются их низкий КПД (необхо-
димость отиоtительно высокой мощности накачки), а также их боль
шие размеры;
Nd--ИА[-лазер, л I,06 мкм (см. разд. 2.5.5), и ero вторая rapMo-
} для передачи в свободном пространстве;
}
для оптических волноводов.
ника, 1,, {),53. мкм; этот лазер используется преимущественно для пе-
редачи информации между наземными станциями и спутниками.
Пример [90]. Мощность накачки 250 Вт, выходная МОЩНQСТЬ
500 мВт, очень малая расходимость нзлучения ПрИМерно 5 Мкрад,
расширение пучка с помощью телеСКопа происходит до диаметра, 'рiш-
Horo 19 см.
В указанных лазерах модуляцня, однако, осуществляется ие не-
посредственно (с помощью возбуждения) ,а при использовании внеш-
них модуляторов (см. разд. 4.3.4).
И с т о ч н н к и с в е т а д л я оа Т И ч е с к о й с в я зип о с в е-
т о в о д а м. Эти источники должиы удовлетворять следующим усло
виям:
длина волны излучеиия должна лежать в диапазоие мниималь
Horo затухания;
излучающая поверхность доЛЖНа соответствовать примерно ДHa
метру световода для хорошеfО соrласовання источннка света и CB TO-
вода без фокусирующнх элементов.
Эти требования выполняются с помощью полупроводннковых эле
ментов. Поэтоцу в качестве источников света служат:
1) светодиоды. Они излучают иекоrереитное излученне. Следует
разлнчать поверхностные и торцевые излучателн, причем предпочти
тельными являются поверхностные излучатели (диоды Варруса) из за
более высокой мощности нзлучения (IOO 500 мкВт). Для спектраль-
Horo диапазона O,8 O,9 мкм прнменяются GаАs GаА1Аs-диоды;
2) ПО'nУlIроводннковые ннжекциоиные лазеры (см. разд. 2.7), pa
ботающие в непрерывном и импульсном режнмах. Эти лазеры прн Ha
качке ниже пороrовой работают как светодиоды. Лазеры в качеств
и(.ючника света применяются для передачи информацни с выходной
мощностью 5 30 мВт в непрерывном режнме и I 30 Вт в импуль
сном режиме для очень короткнх импульсов (менее 0,5 нс) [91].
Из за малоrо затухання в световоде на длиНе волны 'A 1,3 мкм
и 1,, 1,55 мкм разработаны спецнально для этих 1iлнн волн лазеры
на двойной reTepocTpYКType IпGаАsSЬjGаSЬ, а также IпGаАsР /lпР,
причем достиrается выходная мощность J5 мВт [4.92, 4.93].
В табл. 4.14 прнведены характеристики типнчных светодиодов бар-
русоиа типа, а в табл. 4.15 основные характеристики серийиых ла
зеров, работающих в непрерывиом режиме [94].
Решение о применении светодиода или лазера в качестве источ
ника света принимается в соответствии с требованнями к линии связи,
т а б л и ц а 4.14. Характеристики светоизлучающеrо диода баррусова
типа [61]
Параметр Значение
Длина волны, мкм
Ширина спектральной характери'Стики 1:11", нм
Излучающая поверхность (диаметр), мкм
Полоса модуляцни, Мfц
Световая мощность (суммарная), мВт
Вводимая в rраднентный оптический волновод мощ-
ность, мкВт
Срок службы, ч
O,8 O,9
40 60
40 80
5 50
2 1O
20 50
i>10 5
Т а б л н ц а 4.15. Обзор свойств некоторых коммерческих
полупроводниковых лазеров непрерывноrо действия
Длина Спект Выходная ВреМя
ральная мощ- Изrотовитель
ВОЛНЫ. ширина, НОСТЬ. иараста Тнп (фирма)
мкм ИМ мЕт ния. не
0,8 O,88 0,1 7 0,1 SCW-20 Laserdiode
1,3 1 5 <1 HLP 5400и Hitachi
1,3 <2 7 <0,2 QL5-1300 Lasеrtrоп
1,3 <1 5 <1 NEC
1,3 <1 7 <1 С86042Е RCA
1,5 <2 5 <0,2 QL5-1500 Lаsеrtroп
в частностн приннмается во внимание шнрина полосы модуляцни, ВЫ-
ходная мощность, чувствительность к температуре н срок службы.
Возможная ширина полосы модуляции в значнтельной степени за-
внснт от спектральной ширнны полосы неточника света. Эта шнрина
полосы у светодиодов достиrает t')v 40 нм (она обеспечнвает спектр
частот модулицни t')VM...;:25 Мfц) , у инжекцнонноrо лазера t')v...;:1 нм,
соответственно t')VM 50+300 Мfц, для импульсной модуляцни (см.
разд.4.3.4) t')vM...;:2 fбнтjс.
Модуляцней часто называется скорость модулицни (чнсло возмож-
ных импульсов в секунду определяется в бнтjс).
Необходимая выходная мощность определяется в OCHOjJHOM мощ
ностью, вводимой В световод. Вводимая в световод мощность завнснт
от числовой апертуры NA (см. рис. 4.92). .
Вводимая в световод мощность для светодиодов P ein ...;:50 мкВт,
светодиодов спецнальноrо исполнення (дноды баррусова тнпа) Peln<.
...;:500 мкВт; инжекционных лазеров Р ein несколько милливатт.
Для ввода излучення в одномодовый световод применяются пред-
почтнтельно ннжекционные лазеры с заращенной мезаполосковой reTe
роструктурой (типа ВН) ил н DС РВН-лазеры (см. подраздел 2.7.2.3).
С помощью лазеров этоrо тнпа удается ввестн в световод до
1 мВт [95].
Поэтому для протяженных лнний связи пренмущественно нсполь-
зуются лазеры в качестве источннк{)в света. Они имеют, правда, так-
же некоторые существенные недостатки по сравиенню со светоднода-
ми. К ним относятся:
более сильная зависимость от температуры частоты излучения;
более ннзкий срок службы;
более высокая стоимость.
При использовании наиболее Оптнмальноrо нсточннка света pe
шающими факторами являются требуемая шнрнна полосы и дальность
передачи.
4.3.4. МОДУЛЯЦИЯ
Модуляция это нзменение параметров cBeToBoro луча в зави
симости от управляющеrо (модулирующеrо) сиrнала, несущеrо ин-
формацию, при Э10М различают две основные формы модуляции: внеш-
нюю и прямую,
При внешней модуляции поляризованный световой луч проходит
вне источннка света в модулятор, в котором в такте передаваемоrо
сиrнала нзменяется амплитуда или фаза излучення. Модулятор ра-
ботает, в общем, на основе электрооптическоrо эффекта (рис. 4.99),
при этом используют следующне крнсталлы:
Б видимой и ИК-областн спектра ADP, KDP и KD*P;
Еаа8
4-
5
NОВ!fllllрующиfj Сll2J1а/1
(l1Нl1ЛО200ыiJ, u,шрроОоii)
ЛJlJLJL
2
1
Рис. 4.99. Принцнп действня электрооптическоrо модулятора:
1 световой луч; 2 полярнзатор; 3 электрооптический кристалл; 4 аиали-
затор; 5 лииейно поляризованныil, модулированиый свет
в средней ИК-области спектра (специально на длиНе волны л==
0= 10,6 мкм) GaAs.
Амплитудная модуляция осуществляется в Биде аналоrовой мо-
дуляции (АМ) или :J:НФровой [например, нмпульсно-кодовая моду-
ляция (ИКМ»).
При прямой модуляцин излучение модулируется непосредственно
за счет Dозбуждения источника света, т. е. нсточник света сам излу-
чает модулированный свет (рнс. 4.100) [96). Прямая модуляция может
быть реалнзована только Б светоднодах и ннжекциоiшых лазерах, что
Достиrается путем модуляции тока накачки. Из-за нелинейных харак-
теристик названных элементов и возникающеrо вследствие этоrо не-
J1инейноrо искажения сиrнала используется пренмущеСТБенно цифровой
Метод передачи информации, прн этом передаваемые аналоrовые CHr-
палы (телефонные, телевизионные) электронными устройствами преоб-
разуются в ИКМ-сиrналы. Затем с помощью полученных импульсов
модулируется ток накачкн.
Аналоrовая модуляция имеет недостаток в сравнении с друrими
различными возможностями импульсной модуляции, включая и КИМ.
Отношение Сllrнал/шум на приемнике, неоБХОJl.имое для неискаженноrо
Рис. 4.100. Схема управлення полупроводниковым инжекционным лазе
ром:
1 цифровой сиrнал; 2 кодирование; 3 возбуднтель; 4 лазер; 5 штекер
ное соедннение: б световод; 7 PIN-Фоl'ОДИОД: 8 ступень реrулнрования
обнаружения снrнала, должио быть более высоким по сравненню с
импульсно кодовой модуляцией на 20 дБ (фактор более 100) [97]_
В оптических снстемах передач н информации особенно выrодиы
системы с ИКМ.
Оба способа модуляцни (внешняя и прямая) допускают модули-
рующие частоты до нескольких rбит/с.
4.3.5. ПРИЕМНИКИ
Обнаружение модулированноrо излучения при одиовременной де-
модуляции, т. е. воспронзвеДfние передаваемой информации, осуществ
ляется с помощью оптоэлектронных приемннков (детекторов).
Применяемые фотодетекторы должны иметь следующие xapaKTe
ристнки:
высокую чувствительиость в спектральном диапазоне применяемо-
ro источника света;
высокое временное разрешение;
малые шумы;
нечувствительность к температуре;
простую во.3можность соедннениSl со световодом;
большой срок службы;
ннзкую стоимость.
При меняются специальные фотодиоды, которые наиболее полно
удовлетворяют этнм требованням: для диапазона длин волн O,8
0,9 мкм применяются кремниевые РIN-фотодиоды и кремнневые лавин-
ные фотодиоды.
Для повышения чувствнтельности применяются также комбинации
из РIN-днодов и усилнтелей на интеrральных схемах, такую комбниа
цию обозначают как PIN-FЕТ приемники.
Для длин волн больше 1,1 мкм кремниевые фотоприемники имеют
очень низкий КПД. Поэтому для более длиниоволновоrо диапазона
р зработаны, специальные детекторы (диоды.) на ,-основе
материалов:
следующих
Ge, 1.. 0,8+1,9 мкм;
IпхGаl ",АSУРl У' i\ O,95+1,7 МКМ;
GaAsl XSbx, i\ O,89+1,9 мкм;
IПl Х Ga x As, 1.. == 0,89 + 3,3 мкм;
Qa x AIl x As y Sbi y, 1.. 1,4 + 1,8 мкм.
Достнrаемая при этом квантовая эффектнвность составляет 40
60 %, пороrовая чувствительность достиrает 0,2 0,5 А/Вт [98]. Дио
ды, работающие в качестве приемников лучистой энерrии в 'этом диа
пазоне длин волн, также часто применяются с непосредственно к ним
подключенными интеrральными электронными предварительными уси-
лителями.
Пример. Комбинацня РIN фотодиода на основе GаlпАs/GаАs
с предварительным усилителем на основе GaAs MES РЕТ (см.
[95, 99).
Для распространенноrо диапазона длин волн 1,3 1,6 мкм разра
ботаны специальные лавинные фотодиоды со сверхрешеткой с помо-
щью метода молекулярно-пучковой эпитаl'(СИИ. Эти А1 0 ,4вIПО.52Аs/
/GаО.47IПо.5зАs lпР-Фотодиоды. содержащие до 50 слоев, характеризу-
ются высокой кваитовой эффективностью, высокой пороrовой чувстви-
тельностью и крайне низким темновым током.
Для длинноволно'Воrо диапазона, в частностн для i\ 10,6 мкм, в
качестве приемников энерrии в распоряжении имеются только Ge Au-
и HgCdTe-прнемники, которые должны охлаждаться до температуры
п К.
4.3.6. РЕТРАНСЛ.яторы
Из-за потерь н днсперсни в световоде возникает' ослабление н ис-
кажение распространяющеrося импульса, так что после определенноrо
расстояння необходима реrенерация нмпульса. Эта реrенерация осу.
ществляется в ретранслиторе. Задача этоrо устройства (рнс. 4.101)
./'vvv'
CBeтo
ВоВ
8хоаной
сuвнал
..rum.
t 1
* t
BыxoO
нои
СU2НQЛ
7
Рнс. 4.101. Схема оптическоrо ретранслятора:
1 детектор и малошумяЩИЙ предварительиый усилитель; 2 фильтр; 3 ком-
пеисатор искажений (реrеиерация); 4 лазер и модулятор; 5 автоматнчеСI(ая
реrулировка у::илеиия; 6 синхронизация частоТЫ и фазы; 7 автоматическое
. реrулирование мощности
140
120
:1:
'''..100
..,:} 80
60
<.:> 40
I::
20
\
о
1 10 100 1000 10000
а) Скорость передачи, M6uт/c
300
J'
\
\
:1:
;:,,'"
l 200
:}
E:
'"
"'
100
'"
о
1 10 100 1000 10000
6) Скорость переiJачц, М6ит/с
Рис. 4.102. Расстояние между ретрансляторами волоконно-оптической
системы с импульсно-кодовой модуляцией:
а на длине волны 1,3 МIШ; б на длнне волны ),55 ьшм, значение дБм отно-
СИТСЯ К мощиости 1 мВт; таким образом х дБМ IОХ/10 мВт; I CBeTOBOД со
ступенчатым показателем преломления. 20 нс'км O,5; 2 световод с rрадиент-
ным показателем преломлеиия, О,З нс.км O,В-; 3 одномодовый световод,
1
10 пс'км
[100] состоит в том, чтобы осуществить усиление, а также формиро-
вание (реrенерацию) импульса.
Принцнп действия TaKoro устройства состоит в том, что приходя
щий оптический снrнал в приемнике преобразуется в электрические
импульсы, а затем происходит 'их усиление, а также формирование
Б электронном усилителе. Реrенерированный и усиленный сиrнал слу
жит затем в качестве управляющеrо сиrнала в источнике света пере.
датчика, который сиова передает сиrнал по следующей волоконно оri
тической линии. Принцнпиально, по-вндимому, возможна реrеиерация
импульса чнсто оптическнм способом в подходящем устройстве в виде
комбинации из лазерноrо усилителя и поrлотителя (оптнческнй рет-
ранслятор) [101, 102], однако такое устройство до настоящеrо време-
ни еще не применяется.
Реrенерация импульсов (в зависимости от длнны системы) ДО,IJж-
на повторяться через определенное расстояние в линии передачн. До-
пустнмое максимальное расстояние между двумя ретрансляторами за-
висит от параметров системы, в частности от скорости передачн две-
ичных единиц ииформации, источника света и применяемоrо тнпа
световода (рис. 4.102).
4.3.7. СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Оптические системы передачи Иllформацин в настоящее время ис-
пользуются в тех случаях, коrда должно быть использовано преиму-
щество большой ширины полосы канала передачи и MorYT быть реа-
лизованы с экономически представнмыми затратами большие линt\и
связи. Системы, с помощью которых осущеСТВЛЯЮТGЯ передачи инфор-
мации в атмосфере, в настоящее время не имеют большоrо значення
(см. подраздел 4.3.2.1). Лишь для специальных военных применениЙ
и при сложных rеоrрафических условиях (ropbI, широкие рекн, районы
с высотными зданиями в больших rородах) применяются системы пе-
редачи информации в свободном пространстве. В качестве источника
света примеияется Н Nе-лазер (видимое излучение), а в качестве
приемннка часто используется PIN фотодиод. Типичиая шнрнна по-
дuСЫ передачн составляет 1 2 Мfц. а длина линии передачи равняет-
ся 0,5 5 км.
При существующем уровне развития элементов системы (см. под.
раздел 4.3.2.3 н разд. 4.3.5) практнческоrо значения достиrли только
волоконно-оптнческие системы связи. Они часто ха-рактеризуются по
своей эффектнвностн параметром системы в БИде «произведения поло-
сы пропускания на длину» (Mfu'KM).
Волоконно оптическне системы передачи информации разделяют
[83] на системы передачи ближнеrо действИя, снстемы передачи сред-
Hero дейстВНЯ, системы передачи да.%неrо действия.
В системах передачи ннформацин ближнеrо действия длины ка.
налов передачи, предусмотренных преимущественно для промышлен-
Horo применения, ДОСТИl'ают от несколькнх метров до нескольких сот
метров. Для передачи информации требуются аналоrовые и цифровые
сиrналы с полосой частот примерно до 10 Мfц. Применяемые свето-
воды имеют большой диаметр сердцевины (около 200 мкм), числовую
апертуру NA>0,3, азатуханне сиrнала менее 50 дБ/км. Области при-
менения управление с помощью вычислнтельной машины, связь
вычислительной машиной и использование в системах автоматнки.
Системы передачн среднеrо действия имеют длины линий передач
до несколькнх кнлометров. При этом реализуется преимущественно пе-
реДача цифровых последовательностей со скоростью 2 140 Мбит/с.
У световодов затухание составляет меньше 4 дБ/км, пронзведение ши-
рины полосы пропускания на длину канала передачи достнrает 200..,...-
400 Мfц'км. Днаметр сердцевины волокна составляет 50 мкм, число-
вая апертура равна 0,2. Типнчными областями лримеиения являются
передача данных, Бидеосиrнала, иапример видеотелефон, кабельное те-.
nевидение.
Сист ма передачи дальнеrо.действия СЛУЖит для перекрытия боль
Ших расстояиий, причем в системе передачи должны быть включены
ретрансляторы. Произведение ширины полосы пропускания на длину
Линии передачи достиrает 3000 М[ц'км у систем с "'мноrомодовыми
световодамн и 20000 М[Ц'км У систем с ОДНомодовыми световодами.
llрнrодные для этой цели световоды в зависимости от применяемой
длины волны нмеют потери от <4 дБjкм (Л О,85 мкм) и <0,7 дБjкм
(л l,3 мкм) до <0,3 дБjкм (л I,55 мкм).
Уже реалнзованы длины лнний передачи свыше 100 км.
Обзор возможных областей применения волоконно-оптических си-
Стем передачи ннформации пред ставлен на рис. 4.103 [4.103]. До сих
'"
10S
::,
::r- 104
'"
.:}
t:: 103
..,
1::
'"
<:>
9.-
с:. 102
106
101
100
10*
105
107
106
108
109
Рис. 4.103. Области применения Болоконно-оптических линий передач
ннформации:
J телефонная передзча; 2 снстемы связи с импульсно-кодовой модуляцией
(телефониая связь); 3 промышленная передача дaHHы;; 4 промышленные те-
левизионные установкн; 5 телефония+телевндение с I или 2 каналами; б Ka
бель ное 1'елевидеllие с 12 20 проrраммами
пор отсутствует международный стандарт скоростей передачи отдель-
ных систем. По сравнению с необходнмой скоростью передачи дан-
ных для oДAoro телефонноrо канала \64 кбит/с) в некоторых странах
Европы (среди прочих в [ДР) и в Японии использовались определен
ные скорости передачн информации в битах. В США построены сис-
темы несколько по-друroму (табл. 4.16). .
При разработке концепции линии связи исходят из трех целевых
параметров:
скорость передачи информации в битах, Мбит/с;
длина лннни связн, км;
допустимая частота повторения ошибок, т. е. необходимое отно-
Т а б л и ц а' 4.16. Емкости волокоино-оптических систем связи
Некоторые европейские страны н Япония
Емкость
системы.
Мбит/с
Пр"мечаИFlЯ
Число
телефОIШЫХ
каналов
0,064
2,048
8,448
34
140
565
2200
1
30
120
480
1920 }
7680
за 720
Передача данных
КИМ 120-снстема, промышленные телеви-
зионные устройства
Телефония+телевидение
I(абеJlьное телевидение с 12 20 выбирае-
мыми каналами
64 телевизионных канала
США
Обозначение
Телефонные "ан алы
I Емкость системы, Мбит/с
Tl
Т.
't'
'8
Т4
То
0,064
1,544
6,312
44,736
274,0
565
1
24
96
672
4032
8064
Т а б л и ц а 4.17. Типичные свойства элементов оптической системы
передачи ииформации
Элемент/параметр
Значение
Оптическнй волновод
Затухаиие, дБjкм
З 5; л О.85 мкм; o,1;
1,3 мкм и О,З;
'A 1,55 мкм
1 (мноrомодовый оп-
тнческий волновод) ;
максималь о 100 (од-
номодовый оптичес-
кий волновод)
Ширина полосы пропускания, ffц. км
Источники света
Лазер:
мощность, мВт
скорость модуляции, fбнт/с
срок службы, ч
10 15
<2
105 10б
Продолжение табл. 4.17
Элемент/параметр
Значение
СИД (светоизлучающие диоды):
мощность, мкВт
выбранный (СИД Варруса)
скорость модуляцни, [битjс
срок службы, ч
Приемники
РIN фотодиоды:
чувствительность, А/Вт
эквивалентная шумовая мощность,
Вт/([ц) 1/2
срок службы, ч
ЛФД (лавинные фотодиоды) :
чувствительность, А/Вт
эквивалентная шумовая мощность,
Вт/(fц) 1/2
срок службы. ч
Разъемный соедннитель:
вносимые потери, дВ
Неразъемные соединения световодов:
вносимые потери, дВ
15 50
<500
<0,2
10б 101
0,5
1.10 22
101 IOB
75
1.1O '4
10б 107
0.5 1
0,02 0,5
шение сиrналjшум у приемников, дВ (о связи параметров см. [97]).
Качество передачи или обеспечение сбора информации в конце ли
нии определяется отношением сиrнал/шум.
В табл. 4.17 сопоставлены характерные признаки существенных
элементов системы. С помощью диаrраммы мощности можно опреде-
лить параметры системы, как, например, допустимые потери световода,
разъемных соединений и др.
Связь между скоростью передачи информации в битах и длиной
передающей линии разработанных до настоящеrо времени поколений,
систем связи (л 0,85 мкм, 1,, 1,3 мкм и 1,, 1,55 мкм) показана на
рис. 4.104.
Для ВЫЧИCJlеиия ширины полосы канала связи В ВОЛОКОННО-Опти-
ческой снстемы должны быть известны дисперсия на рабочей длине
волны (Disp), спектральная ширина линии источника света /11" и пре-
дусмотренная длнна передающей линии l.. Для ширнны полосы пере-
дачи В нмеем приблнженное соотношение (104)
0,187
В (4.14)
Disp. /1лL
Пример. В качеСтве источника света нспользуется лазер: л==
==1,3 мкм; Disp==3,5 пс/(км.нм); /11,, 2 нм; L 50 км; B 540 Мfц,
Типичная оптическая система связи имеет примерное преобразо-
вание 1: 1 шнрнны полосы передачи в скорость передачи информацни
в битах, т. е. система с шириной полосы передачи 540 Мfц может ра-
ботать со скоростью передачи информацин 565 Мбитjс.
В таБJf. 4.18 приведен баланс мощности реализованной одном ода-
1000
i
t1
1::
'"
100
t1
cj",
:t
2
.............. .....
4-
1
10
100 1000 10000
Скорость передачи, MI)'UT/C
100000
Рис. 4.104. Сравнение параметров систем волоконно оптической связи
[52] :
1 первое поколение; 2 второе поколенне; 8 третье поколение; 4 лазер
(Ал 3 нм, «нулевая» Днсперсня); 5 лазер (Ал 3 им, 250 ИМ вне «нулевой»
дисперсии)
т а б Jl И Ц а 4.18. Энерrетический балаис волокоино оптических систем
I JIабораторная
система
Параметр
Ре!IЛНЗОВвн
Бая система
Скорость передачи данных, Мбит/с 140 2300
Длина волны, мкм 1,3 1,5
Излучение на выходе лазера, дЕм O 3 1O 25
Введенная мощность, дЕм 6 23
Чувствительность приемника (минималь 39 50
ная), дЕм
Имеющаяся в распоряжении мощность сис 33 73
темы, дЕ
Затухание световода, дЕ/км O,5 O,7 0,17
Расстояние между реrенераторами, км 30 300
Потери мощности на соединения, дЕ 0,5 8
Потери в кабеле на секцию, дЕ 23 51
Резерв, дЕ 2 4
Суммарные потери на секцию, дЕ 25,Б 63
Прочие потерн (разъемы, постепенное 7,5 10
. ухудшение), дЕ 33 73
Суммарная мощность системы, дЕ
вой" волоконно-оптиче<!кой системы на миие .'волны .Д 1,3 . мкм по
сравнению с лабораторной одномодовой волоконно-оптической систе-
мой для длины волны л 1,5 мкм.
Развитие элемеитов системы достиrло TaKoro проrресса, что для
всех случаев применения (l fбитjс при длинах передающих линий
более 100 км) В соответствующих диапазонах длин волн им.еются све-
товоды, штекерные соединители, передатчики и приемники.
В табл. 4.19 приведено сопоставление некоторых выбранных сис-
тем передачи информации с большой пропускной способностью [85,95].
Т а б л и ц а 4.19. I(оммерческие линии передачи
Протяженность Длнна волны. Скорость Изrотовнтель*
линии передачи, км мкм передачи.
Мбит/с
120 1,5 1000 АТ&Т, BTL
160 1,5 420 АТ&Т, ВТЬ
104 1,52 140 BTRL
84 1,3 420 BTL
134 1,5 446 NTT
52 1,5 2000 NTT
* АТ&Т фИрМа American Telephone & Telegrapll, США: BTL ВеН Telep-
Ьопе Laboratories, США; BTRL Britisch Research Laboratories, Великобриrа-
ния; NTT фирма Nippon Telepl10ne & Telegraph, Япония.
При практическом применении в настоящее время преобладают си-
стемы, работающие на длине волны л 1,3 мкм. На основе достиrае-
мых малых потерь (0,4 O,7 дБjкм) для световодов и минимальных
потерь на соединение (0,15 O,2 дБ) при скорости передачи 140
565 Мбитjс возможиы длины передающих линий 40 50 км без pere-
нерации сиrнала.
По сравнению со всеми обычно применяемыми металлическими
проводами (например, коаксиальный кабель, микроволновый полый
кабель) оптический кабель отличается малыми размерами, большой
шириной полосы канала передачи, малыми потерями, отсутствием
электрическоrо потенциала и нечувствительностью по отношению к
электромаrнитным помехам.
Эти свойства оптических кабелей позволяют ожидать широкоrо
использования волоконно-оптических систем передачи информации в
различных областях применения с большой экономической эффектив-
HocTы..
4.4. rолоrРАФИЯ p08 120]
4.4.1. ОСНОВНЫЕ ПОJIОЖЕНИЯ
fолоrрафия это метод записп электромаrнитных волновых 1;10-
лей, испускаемых объектами, освещенными KorepeHТAblM светом, в све-
точувствительной среде, например на фотопластинках или кристаллах.
Эти волновые поля MorYT быть восстановлены оптическими Me
тодами таким образом, что для наблюдателя возникает впечатление
реальноrо, пространственно протяженноrо объекта.
З-а п и с ь r о л о r р а м м ы. Процесс записи rолоrраммы состоит
в 'Ром, что испускаемое объектом волновое поле накладывают на' опор
ное волновое поле (коrерентный фон) и реrистрируют возникающую
при этом инrерференционную картину (рис. 4.105). Рассеянная объек
1
От
лааера
а)
1
2
/
/
/
/
/
/
/
/ /
1у//
/
/
/
/
5)
Рис. 4.105. rолоrрафия:
а схема для записи rолоrрзмм: 1 полупрозрачиое зеркало; 2 фотопластиика
(rолоrрамма); 8 СВеТ (l s)' отражеииый от объекта; 4 объект; б схема счи-
тываиия rолоrраммы: 1 rолоrрамма; 2 луч считываиия; 8 мннмое изображе-
ние; 4 действительное иsображение
".. ЭJl;;,ктромаrНИТНIiЯ волна называется объектной волнои. Эта вол-
на в обшем случае имеет комплексную амплитуду
Es Es ei(fJs (4.15)
объекту: Напряженность
от пространственных KOOp
и содержит информацию, относящуюся к
электрическоrо поля Es и фаза fPs зависят
динат.
Рассеянное объектом электромаrнитное
ется иа опорное волновое поле:
5.R == E R ei(fJR (4.16)
(для образования I!нтерференционной картины), причем для комплекс
ной амплитуды cYMMapHoro волновоrо поля имеем
волновое поле накладыва
S+ R' (4.17)
Для зареrистрированноrо на фотопластинке распределения интеи
сивности (roлоrрамма) справедливо соотношение
1 I s 12 + I5.R 12 + 2Es E R cos (fPs fPR). (4.18)
Оптическая запомииающая среда (фотопластинка) реrистрИ! ует
наряду с распределением интенсивности (классическая фотоrрафия)
также фазовую информацию в виде интерференционной картины (ro-
лоrрафия).
. fолоrрамма не имеет сходства с объектом, однако она содержит
всю информаiЩЮ для восстановления изображения первоначальноrо
объекта (также в ero пространственном представлении). Возникающие
при этом явления дифракции представляют изображения объекта
(рис. 4.106).
В о с с т а н о в л е н и е r о л о r р а м м ы. Если rолоrрамма OCBe
щается опорной волной, то возникает объектная волна и тем самым
изображение объекта. При освещении объектной волиой получают
опорную волну (принцип взаимности).
K::;tJ;): f:?:
/?f.
:.:; .: :::'i:J
:f
i' ; :/ :
.Ш.. .
( :: .:..
Рис. 4.106. Структура rолоrраммы (увеличена)
Принцип взаимности между объектной и опорной волнами явля-
ется характерным для rолоrрафии. Этот принцип взаимности образует'
важную основу для ее применения.
Преимущества rолоrрафическоrо представления объекта следу.
ющие.
Поскольку при использовании специальной техники существеинзя
для реrистрации rолоrраммы интерференционная картина распределя
ется по всей поверхности реrИСТРИРУlOщей среды (фотопластинка),
а не локально оrраиичена, то вся ииформация о первоначальном объек
те получается также из части rолоrраммы, причем уровень шумов;
очевидно, возрастает.
Для реrистрации rолоrраммы и ее востановления принципиально
lIe требуется оптических элементов в виде, например, линзы или.
призмы.
Поэтому rолоrрафия такЖе возможна в диапазонах длин волн,
Для которых не имеется оптических ЭJlементов, формирующих изобра
жение (рентrеновс!<ая и ультразвуковая области).
Предпочтительиыми источникамн света для запиСИ rолоrрамм яв-
ляются:
арrоновый лазер, 1.. О,488 мкм;
Не-Nе-лазер, 1..-=0,6328 мкм;
Не Сd лазер. д-=О,442 мкм;
импульсный рубиновый лазер, л о, 6943 мкм.
Для восстаиовления изображения достаточно (если нет требова-
ний к особому качеству изображения) восстановить rOJiOrpaMMY с по-
мощью зеленой линии ртутной лампы.
4.4.2. типы rолоrРАММ
Запись rолоrраммы возможиа в светочувствительном слое (плос
кая rолоrрамма) или светочувствительной среде (объемиая rолоrрам
ма); здесь толшина оптической реrистрирУlOщей среды иrрает важную
роль.
Различие между плоской и объемной rолоrраммами объясняется
на рис. 4.107 для случая записи rолоrраммы одной плоской волны с
"1
л=3
1
"'"
п=1
2.
2.
п=о
а)
5)
Рис. 4.107. Различие между плоскими (а) и объемными rолоrрамма.
ми (6): .
1 Оllорная волиа записи. и счнтывавн.я; 2 объектная волна
ПОМОЩЬЮ одной ПЛОСКОЙ опорной волны. Объеlпная и опорная волны
образуют пространственно-стоячую интерференциониую картину, Кото-
рая реrистрируется оптической реrистрирующей средой (rолоrрамма).
При восстановлении оба типа rолоrрамм получаются с помощью пер.
воначальной опорной волны.
Плоская rолоrраММ!I добавляет к прошедшему нулевому порядку
дифракции (n O) различиые порядки дифракции, которые следует
ожидать у обычной плоской решетки. Первый порядок дифраКIlИII
(n 1) представляет восстановленное изображение, здесь восстановлен
ную плоскую волну.
В объемной roлоrрамме, напротив, образуется только первый по
рядок дифРaIЩИИ 110 закоиу брэrrовскоrо отражеиия,
Преимущество: в толстой оптической реrистрНРУlOщей среде в про.
цессе записи MorYT быть наложены несколько интерференционныx
структур, rолоrрамма состоИт тоrда из мноrих иаложениых интерфе-
ренционных структур.
Блаrодаря соблюдению определенноrо уrла и длин волн при вос-
становлении может быть получено изображение за изображением (ко.
ДИрование по уrлу или по длинам волн).
Кроме Toro, наряду с объемными и плоскими rолоrраммами прин-
ципиальнО различают:
фазовую rолоrрамму. у которой интерференционная картина '"",.
rистрируется в формt' IIOBepXHOCTHoro рельефа или распреДL
показателя преломления в пределах среды н rолоrраМiМll модулщ' ,..,
фазу считывающей волны;
амuлитудиую rолоrрамму, у которой иитерференционная KapТ".if;;;".
записывается в виде распределения почернения (rолоrрамма МОДУЛIJ
рует считывающую волну за счет поrлощения).
r о л о r раф и я Фра у н r о Ф е р а. rолоrрафия Фраунrофера
имеет место в случае, коrда расстояние между объектом и rолоrрам-
мои велико по сравнению с размерам,и объекта.
[о л о r раф и я Фур ь е. Основиая задача состоит в том, чтобы
в плоскости реrистрации rолоrраммы получить двумерный простран
ственный фурье-образ распределения амплитуд и фаз объектной вол-
ны (РНС. 4.108,. При восстановлении такой rолоrраммы осуществля-
ется обратное преобразование Фурье.
н
I
I
I
Рис. 4,108. 3аш[сь rолоrраммы
Фурье:
о плоскость объекта; Н ШIОС'
КОСТЬ roлоrpаммы
I
I
J
I
'J
rолоrраммы Фурье применяются при оптической обработке инфор-
мации, поскольку с помощью них можно очень выrодно изrотавливать
оптические фильтры, например, для распознавания знаков (см. под
раздел 4.4.3.3).
4.4.3. ПРИМЕНЕНИЯ rолоrРАММ
4.4.3.1. rоnоrрафическая интерферометрия. Разнообразные приме-
нения rолоrрафия находит в интерферометрии. Здесь она имеет не-
посредственное практическое значение. Если от объекта, наХодящеrося
в различных состояниях, вызванных, например, внешнеЙ деформа-
цией, реrистрируется с помощью одной и той же опорной волны инфор-
мация на одной rолоrрамме (метод двух экспозиции), то TorAa интер-
ферируют изображения, возникающие при восстановлении и соответст-
вующие различным состояниям объекта. Из образовавшихсн при этом
интерференциониых картин можно сделать заключение о степени из-
менения объекта (рис. 4.109).
Если объект вибрирует, то можно зареrистрировать следующие
друr за друrом MrHoBeHHbIe состояния на 'одной и тоЙ же rолоrрамме.
Способ можно обобщить таким образом, что будет осушествляться толь-
ко одна реrистрация rолоrраммы с большей длительностью экспониро-
ванин, причем объект будет вибрировать произвольным образом. При
восстановлении rолоrраммы накладываются электромаrнитные волно-
"I ., . поля, соответствующие отдельным мrиовенным состояниям и ИR
.f!l\.'j)ИРУЮТ друr с друrом. Возникающие при этом интерференци-
','il ' Je структуры позволяют сделать вывод о возможных колебаниях.
С и н т е з и р о в а н н а я r о л о r р а м м а. Для объектов, требуе
я rеометриqеская форма которых очень точно известиа и для ко-
',* .'.'
' .......
/ '.*
if. t;;ji '
i"",:',
. ...:>... .
'\
-. .: '"
.. ..:::: .
-.;..-......:
Щ :::-
: :(;:.
-;;-;«:::..
:;:::: :;-:
..fi
::::::;;:::.
:: :::::.:",
}; :::;
i!i:.il
.::");:-;-:...."!
:::::::: ::':
f:Ш
нш':
,,'
':i:: : '
;. .
,"-.;,:-:.-.;.' ....
: .
Рис. 4.109. fолоrрафиче-
ская интерферометрня:
а юстировка nазерноrо лу-
ча rолоrрафи<reскоrо интер-
ферометра для нсследования
механизмов разрymення
(фото ADN ZB/Thieme):
6 ннтерференционная кар-
тина напряженноrо шарико-
подшипника (получена с ис-
пользоваиием метода двой-
ной экспозицнн)
торых должно быть проверено совпадение ее rеометрии с идеальной
формой с помощью rолоrрафической интерферометрин, можно изrо-
товить синтезированную rолоrрамму. Поскольку rеометрия идеальноrо
объекта известна, то может быть вычислена и построена необходимая
для создания rолоrраммы интерференциониая структура без объекта,
рассматриваемоrо в качестве образца.
Электромаrнитная волна, восстановленная с помощью синтезиро
ваниой rолоrраммы, накладывается на электромаrнитную волну, ис
ходящую от нспытуемоrо объекта. Полученная блаrодаря этому интер-
ференционная структура является Мерой отклонения от идеальной reo-
метрии исследованноrо объекта. Этот метод оправдал себя ПрЕ
контроле оптических элементов (рис. 4.11 О и 4.111). Достиrаемые точнос-
ти ПО порядку величины соответствуют применяемым длинам волн. В спе-
циальных устройствах, например, при контроле оптических сист м
-.............................:._._.:.::..:..
..;.:.:::..- .-:..:.:::: :. .:. ::-:.:.-.: . . .....
......-...
-.-.-.-........... .
.'. :. f: .;.;:: : .:: ; i/
_......:.;-:...;-:-;-:-:-:-;л-:.;...-...:.:.,.
..-....;..:.::=::;:::::::;.:;.;.....:..-...--:-........
\.:, !i ::::;;; :j:; :
Рис. 4.110. fолоrрамма про-
зрачноrо объекта (расстояние
между полосами соответствует
примерно 1,2 мкм. У идеально
ro объекта интерференционные
полосы проходили бы парал
лельно)
:4
: ::
..-: .;:iA @t .....
АН'ШШ7"ЯР/""'. . ..
..... "''Р ;;:::;;::;': ;;jt:;:;;.;:;;: 1'Ш''/; {iN P'>' .
:;.;;.:.
::::::::
I ".,<..,.".tz'.
, « ;::>,
. .:;.:.. ........-:0....
;.. --::::..
:i:::I:-:?:1.. '\.: .
...(: _. :;... . :..
.:"i 1=- -..c....:.c.. .
. :.
Рис. 4.111. Интерфероrрамма микроскопа при статическом наrружении
[112]
можно получить точности, которые лежат значительно ниже применя
емой длины световоЙ волны.
С помощью rолоrрафической интерферометрии возможно изме-
рение:
всех видов деформаций прозрачных и непрозрачных тел;
очень малых перемещений;
форм (типов) колебании;
распределений температуры;
произвольных распределений НеодНОрОДИОСтей.
Этн методы измереиий практически применяются для исследо-
вания:
частей машины;
деталей кузова автомобилей;
автомобильных шии и друrих леrкодеформируемых тел;
оптических элементов;
музыкальных инструментов;
распределение иеодиородиостей в атмосфере и дрyrих средах;
плазмы.
4.4.3.2. Оптическая rолоrрафическая память. С помощью rолоrpа
фии при использовании современных оптических запоминающих сред
может быть запасено большое КОличество информации. Известно боль-
шое число обратимых и необратимых запоминающих сред, отличаю.
щихся по чувствительности, разрешению, а также ЭНерrии записи на
бит информации (рис. 4.112). Для использования высокой способности
:>:
"-..
'"
<:
""
103
03
'"
:;}
.5:
F 1ротопластинка
1O " 10 5 1O 5 1O 7
'IуtJcт{JuтеЛt;ность
FC tpOтOXPOM
FEFL qJOтаалектрuк+
ofotpатасапротu{Jленuе
АН aMoptpHbIU полупро{JоОНUI(
Рис. 4.1 12. Обратимые и необратимые оптические запоминающие среды
хранеиия информации в памяти ее записывают rолоrрафически. В про
цессе записи сферическая волна (рис. 4.113), на пути распространеиия
которой находится источник запоминаемой информации, интерфериру-
ет с опориой волной. В опrnческой запоминающей среде возникает,
таким образом, желаемая rолоrрамма. Следующий шаr состоит в том,
что сменяется источник информации и с помошью оптической откло..
няющей системы отклоняются необходимые для реrистрации световые
лучи на соседнее место запоминающей пластины, rде записывается дpy
тая rолоrрамма.
. Считываиие информац!:,и происходит таким образом, что пучок лу-
чеи, идущих от Оl!тическои отклоняющей системы, служит в качестве
восстанавливающеи волны и содержащаяся в rолоrрамме информация
-+
РИс. 4.113. Устройство для за-
писи rолоrраммы для запоми-
нающеrо устройства даиных:
1 ориrинал данных; 2 rолоrра-
фическая пластннка; 3 опорная
волна; 4 сфернческая волна
2
Рис. 4.114, Устройство для считывания информации, записанной rоло.
rрафическим методом;
1 nаэер; 2 снстема отклонения cBeToBoro пучка; 3 детектирующая матрица;
4 пnастинка с набором rOnOl'paMM
отображается на детектирующую матрицу. Преобразование осуществ
ляется таким образом, что содержащаяся в rолоrрамме информация
точно отображается на детектируюшей матрице (рис. 4.))4).
Соrласно основному принципу в лаборатории MorYT быть построе
ны оптические запоминающие устрой.ства с емкостью памяти от 107 до
10 а бит. В тонких оптических средах в настоящее время MorYT быть
записаны примерно 106 107 бит/см 2 . При использовании объемной ro
.'10rрафии теоретически можно запоминать примерно 1010 би:r/см 3 .
До настоящеrО" времени для исследовательских целей были успеш-
но реализованы необратимые rолоrрафическне запоминающие устройст-
ва. Они MorYT использоваться в качестве банка даннЫХ в памяти с час-
той выборкой данных из памяти, памяти архивных данных с отсрочен
ной выборкой и внешней дополиительной памяти с произвольноЙ aдpe
сацией в ЭВМ.
При использовании объемной rOJiоrрафии представляется возмож-
ным создание оптических ассоциативных запоминающих устройств для
операций, обрабатывающих информацию непосредственно в запомина-
ющем устройстве (оптическая вычислительная машина).
Недостатки существовавших до сих пор rолоrрафических запоми-
нающиХ устройств состоят в малой дифракционной эффективности за-
писанных rолоrрамм, малой чувствительности обратимых оптнческнх
запоминающих сред прн rолоrрафическом процессе записи и в небес..
проблематичном размноженин rолоrрамм.
4.4.3.3. Оптическая обработка информации. Друrой областью при
менения rолоrрафии является оптическая параллельная обработка ин
формации. Параллельная обработка является одновременной обработ
кой очень большоrо количества информации (например, обработка изо
бражений) .
Преимущество: очень большое количество информацни (БОJ!ьше
106 бит) может быть параллельно обработано в течение очень KopoTKoro
промежутка времени (микросекунда и меньше).
Принцип обработки состоит в том, что от предмета, который на-
ходнтся в передней фокальной плоскости линзы, в задней фокальной
ПJЮСКОСТН возникает фурье-образ распределения интенсивности излу-
чения, исходящеrо от предмета. С помощью показанноrо на рис. 4.115
в А С
J
х х х
\ /
1 2 J 4
Рис. 4,115. Устройство для распознавания Знаков:
1 источиик света; 2 объект; 3 фильтр; 4 корреляциониая плоскость
устройства можно выделнть, таким образом, определенные детали изо-
бражения.
Специальным случаем при этом является оптическое распознавание
знаков.
Если в тексте должны быть отмечены положения, в которых нахо-
дится, например, буква r, то в устройстве соrласно рнс. 4.! 15 в плос-
Кости В размещают текст, а в плоскости А rолоrрамму Фурье
(фильтр) буквы '. В плоскости С появляются тоrда светлые точкн (кор-
реляционные максимумы) в тех местах, rде в тексте встречается буква
r. Однако этот метод техиически еще несовершенен, так что в местаХ
в тексте, которые r.одержали буквы, подобные букве r, появлялись бо-
лее илн менее светлые точки.
Успешно проверенными способами оптической обработки информа-
Ции с использованием rолоrрафни (лабораторные образцы) являются:
распознавание отпечатков пальцев;
оптическая обработка радиолокационных нзображений;
обработка изображений. полученных с помощью спуТfШКОВ;
идентнфикация клеточных структур определенноro типа;
распознавание языка;'
распознавание знакоВ при обработке данных.
4.5. друrИЕ ПРИМЕНЕНИЯ [121 177]
Наряду с указанными научными и техническими применениями, ко-
торые следует рассматривать как основные, лазер используется в раз-
нообразных областях для решення специальных задач, причем эти прн-
менения отчасти уже широко распространены или находятся в стадии
исследований.
4.5.1. ОПТИЧЕСКАЯ ЦИФРОВАЯ ПАМЯТЬ
4.5.1.1. Необходимость оптической цифровой записи информации.
Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных,
текста и изображений необходимо применять новые методы записи ин-
формации [121 128], к которым предъявляются следующие требова-
ния:
более высокая емкость запоминающеrо устройства;
более высокая эффективность хранения архивных материалов,
лучшее соотношение между ценой и производительностью.
ЭТо может быть достиrнуто с помощью записи и считывания циф-
ровой информацин. В протнвоположность rолоrрафическим запоминаю-
щим устройствам цифровые запоминающие устройства уже выпускают-
ся промышленностью (см. подраздел .4.3.2).
При н ц и п Д е й с т в и я. Информация (речь, музыка, изображе-
ния, данные), содержащаяся в виде электрических сиrналов, преобра-
зуется в цифровые величины и выражается тем самым в виде последо-
вательности импульсов, которая записывается в различной форме (в ви-
Qe уrлублений илн отверстий различ-
ной длины и расстояний между ними
или маrнитным способом) на диске
запоминающеrо устройства.
При считывании считывающий
свет, отраженный (рассеянный в об-
ратном направлении) от этих уrлубле-
ний (отверстий), модулируется и с
помощью фотоприемника преобразу-
ется в соответствующий электриче-
ский сиrнал.
4.5.1.2. Лазерно-оптическое считы-
вание информации. С помощью этоrо
способа в приборе, аналоrичном про-
иrрывателю, воспроизводится некон-
тактиым способом записанная на ди-
ске информация (диаметр дисков до
30 см), причем применяются лазерные
диски только для считывания, напри-
мер видеодиски, компакт-диски.
При н ц и п Д е й с т в и я. Ко-
дирование информации происходит
r q-;
Ir"
D
Q
а
\ \
\,
.
\ . ,1'\'1-(-:/
\7
J
Рис. 4.116. Схематическое изображе-
ние микроуrлублений на лазерном ди-
ске; ширина уrлублений 0,4 мкм, рас-
стояние между дорожками 1,6 мкм
путем создания информационных микроуrлублениЙ, имеющих различ-
ную длину и различные расстояния между ними. Информация на диске
сохраняется. таким образом, в цифровой форме, записанной по спира-
ли, которая с,?стоит из информационных ямок (рис. 4.116).
Лазерныи видеодиск характеризуется следующими параметрами:
расстояние между двумя профилирующими дорожками 1,6 мкм;
ширина уrлубления 0,4 мкм;
максимальная длина уrлубления 3,3 мкм;
минимальная длина уrлубления 0,9 мкм;
максимальное расстояние между yrлублеииями 3,3 мкм;
минимальное расстояние между уrлублениями 0,9 мкм.
При изrотовлении видеодисков (см., например, [122]) нанесениыii
прежде иа подложку из стекла фотолак экспонируется с помощью спе-
цнальной оптической системы излучением коротковолновоrо лазера
(криптоновый лазер, л 0,35 мкм). После этоrо следует мноrоступенча-
тый процесс про явления, в результате KOToporo образуется образцовый
диск, который используется затем для изrотовления дрyrих дисков пу-
тем оттиска. На полученные после отделения от образцовоrо диска от.
тиски наноситСЯ зеркальиое покрытие н слой лака, так что полученные
при записи микроуrлубления не MorYT быть закрыты частицами пыли.
Пыль и царапины на защитном слое не мешают, поскольку они на-
ходятся вне плоскости фокусировки считывающей оптики (рис. 4.117).
Рис. 4.117. Сечение видеодиска и rрампластинки с лазерной записью
[125] :
1 фокальное пятно (и I мкм); 2 структура мнкроуrлубленнй; 3 зеркаль-
ное покрытие; 4 царапина; 5 частица пыли; 6 прозрачный защнтный слой;
7 луч от лазера
При считывании микроскопическнх маленьких структур использу-
Ются эффекты дифракции и интерференции света. Оптическая считыва-
Ющая система для видеодисков состоит из:
Не-Nе-лазера (мощность 1 мВт), который излучает линейно поля-
ризованный свет;
делителя пучка, который разделяет свет на три пучка с соотноше.
ниями интенсивностей 1 : 3 : 1 (дифракционная решетка, работающая на
просвет с минус первым, нулевым и плюс первым порядками дифракции);
призмы Волластона (оптическая длина пути зависит от направле
пия поляризации);
пластинки "-/4;
считывающеrо объектива, перемещаемоrо по принципу Катушки с
подвижным сердечником в направленин оптической оси (оrраниченный
дифракцией микрообъектив очень малой массы);
системы фотоприемников (квадратных приемников), а такЖе ци
линдрической линзы.
Рассеянный в обратном направлении от диска свет лазерноrо пуч-
ка отображается на квадратном приемнике, лучи, использоваиные для
слежания за дорожкой, попадают на приемники Е и F (рис. 4.118
и 4.119) [124].
.,
2
;)
4
5
5
7
9
8
Рис. 4.1 18. Оптическая схема считывающей rоловки для счИТЫвания ин
формации, записанной на видеодиске:
J Не-Nе лазер; 2 решетка; 3 соrлаСУlQщая оптика; 4 прнзма ВШJJlа"тона;
5 пластинка ')../4; б считываlQЩИЙ объектив; 7 видеодиск; 8 цилиидриче-
ская линза; 9 плоскость приемника
Таким образом, становится возможным формирование управляю-
щих сиrналов для корректной фокусировки считываЮЩИХ лучей на ин
формационной дорожке [квадратный приемник; (А + D) (С + В)]
и обеспечение слежения за дорожкой (E F).
4.5.1.3. Оптическая считывающая rоловка для цифровоrо лазерноrо
проиrрывателя. Обратно рассеянный от лазерной rрампластинки свет
попадает на фотодиоды Fl F4' Возникающие при этом фототоки ком-
бинируются друr с друrом таким образом, что становится возможным
получение как управляющих сиrналов для радиальной коррекции, так
и управляющеrо сиrнала для установки на резкость считывающей оп-
тики (рис. :4.120).
Радиальный управляюrций сиrнал формируется комбина ией токов
фотодиодов (F 1 +F 2 ) (F з +F 4 ). Если считывающнй объектнв сфокуси
рован на информационную плоскость диска, то после призм 4 появля-
ются два резких изображения между фотодиодами Fl. F2, а также F з ,
F4' Если фокальная плоскость считЫвающerо объектива находится за
или перед информационной плоскостью, то изображения становятся
нерезкими и движутся друr к дрyrу или дрyr от друrа. Тоrда с по-
мощью комбинации токов фотодиодов (Fl+F4) (F2+Fз) может быть
получен управляющий сиrиал для установки на резкость считывающей
rОЛОБКИ.
4.5.1.4. Однократная запись информации. Этот принцип [127] поз
воляет осуществить однократную запись и MHoroKpaTHbJe считывания
информации. Для этоrо на нижней стороие очеиь плоской стеклянной
Е F
IQ] IQ] (2)
[Q] @] (3)
(1)
L 1
2
"""--;}
ч-
!J
Рис. 4.119. Схема для получения сиrнала и управляющеrо сиrнала у
видеодисков [124]:
1 видеодиск слишком удалеи от считывающей оптики; 2 видеодиск отъюсти
роваи правильно; 8 вндеодиск находится слиШком близко к считывающей оп-
ТИV Р : 1 С1J.итывающая оптика; 5 цилиндрическая линза: 6 квадрантный при
емиик
Рис. 4.120. Схема оптической счи-
тывающей rоловки для лазерных
rрампластинок [126]:
1 считывающее пятио: 2 счнтываю-
щиil объектив: 8 оптическая снстема
для преобразования излучаемоrо полу-
проводниковым лазером волиовоrо по-
ля в плоское волновое поле: 4 прнз-
ма; 5 полупрозрачиое зеркало; 6
полупроводниковый лазер; Fl F. фо-
топрнемники
1
пластины наносится слой теллура. Две круrлые стеклянные пластины
lOстируются относительно друr друrа таким образом, что слои теллу
ра защищены снаружи стеклянными пластинами.
На слоях теллура, находящихся иа внутренних сторонах пластнн,
записывается информация. Пластины снабжены спиральной дорожкой
(спиральной канавкой r лубиной примерно л/ 4), которая служит для
юстировки счнтывающеrо нли записывающеrо луча. При записи одноrо
бита информации в слое теллура импульсно повышается мощность по
лупроводниковоrо лазера за время 50 НС дО 12 мВт, при этом В слое
возникает отверстие диаметром примерно 1 мкм. ЗаписЬ и считывание
осуществляются с помощью одинаковоrо устройства, причем при считы
вании МОЩНОСТЬ полупроводниковоrо лазера умеиьшается до 1 мВт
(рис. 4.121).
7
fl
1
2
3
4
"
8
Рис. 4.121. Схема Записывающей и считывающей rоловки для однократ-
ной записи:
1 лазерный диск; 2 считывающий объектив; 3 пластинка Лf4; 4 sависящий
от поляризации делитель пучка; 5 цилиндрическая линза; 6 полупроводнико
вый лазер; 7 оптическая система; 8 приемник для радиальноrо контроля до-
рожки; 9 призма Френеля; 10 приемник для получения сиrнала и контроля
положения фокальноrо пятна
с помощью таких методов записи и считывания достиrаются ем-
кости Запоминающеrо устройства (диаметр диска 30 см) 1010 бит ин
формации (передняя и задняя сторона); свободно выбираемые време-
иа доступа составляют 150 мс.
Применяемые лазеры:
Не-Nе лазер;
полупроводниковый лазер (во все более Возрастающей мере).
Области применения:
запоминающее устройство для хранения банка данных с частым
доступом;
запоминающее устройство для хранения архнвных данных с ОТ-
сроченным доступом;
внешнее дополнительное запоминающее устройство со свободно
выбираемой адресацией в ЭВМ;
видеодиски для обучения (учебные фильмы, курсы по языку);
видеодисКИ для библиотек и архивов;
запоминающие диски для управления и канцелярскоrо дела;
rрампластинки с недостиrаемым до сих пор высококачественным
воспроизведением звука в бытовых условнях.
4.5.1.5. Оптическая цифровая запись ииформации в маrнитных сло-
ях. В качестве носителя информации используется тонкий м.аrнитооп-
тнческнй слой (преимущество: повторная запись данных).
При н ц и п Д е й с т в и я. Запись информации происходит 'блаrода-
ря тому, что маленькие области маrнитноrо слоя наrреваются с по-
мощью сфокусированноrо лазерноrо луча, причем одновременно. накла-
дывается маrнитное поле, напряженность KOToporo меньше, чем коэр-
цитивная сила. В HarpeтblX таким образом при наложенном маrдитном
поле областях исчезает намarниченность (запись точкн Кюри). 'Gчиты
вание осущеСТВ.'Iяется таким же лазером при уменьшенной мощнрсти,
прнчем плоскость поляризации отраженноrо от диска света в ависи-
мости от направления намаrничивания маленьких обл:астей .ПОБора'lИ-
вается на велнчину 0,5 8 rрад (в зависимости от маrнитооптическоrс
слоя) (маrнитооптический эффект Керра).
Оптическое устройство записывающей и считывающей rоловки ана-
лоrично системам, используемым в описанных выше устройствах счи-
тывания и записи информации.
Дополннтельно следует обратить внимание 'на рис. 4.122 ['128].'
Свет, отраженный от маленьких перемаrниченных областей,' явля-
ется эллиптически поляризованным и с помощью соответствую'щей 'фа-
зовой пластинки преобразуется в линейно поляризованный. Линейно по-
ляризованный свет разделяется на две состаВЛЯЮЩ!lе, которые MorYT
Рис. 4.122. Схема получения сиr-
нала с помощью поляризацнонно-
ro эффекта Керра [128]:
1 маrнитный диск; 2 отраженный
свет; 8 микрообъектив; 4 фазовая
ппастиика; 5 депитепь пучка, дeпe
ние cвeToBoro потока Koтoporo завнсит
от поляризации падающеrо излучеиия;
6 приемник Nr2; 7 прнемник Ntl,
8 дифференциальный уснлитель
реrистрироваться отдельно. Оба принятых сиrнала подаются на диффе
ренциальный усилитель и усиливаются. УСИJIенный сиrнал прямо про-
порционален поляризационному эффекту Керра.
Маrнитооптическая запись позволяет в настоящее время иметь:
емкость памяти запоминающеrо устройства 105 битjсм 2 ;
число циклов (запись, считыванне, стирание) 106;
свободно выбираемые времена доступа 150 мс;
применение в качестве оперативной памяти в ЭВМ.
Оптический цифровой метод записи требует максимальной опти-
ческой и механической точности, а также:
предельно Малоrо, оrраниченноrо дифракцией считывающеrо объ-
ектива;
считыающеrоo объектива (микрообъектива) очень малой массы
(0,6 r и меньше);
радиальных отклонений считывающеrо пятна только :!:О,I мкм;
установки на резкость считывающеrо объектива сточиостью
:!: 1 мкм;
ширины распределения интеНСИвности считывающerо пятна по по-
ловине интеиснвиостн примерно 1 мкм.
Цнфровое оптическое запоминающее устройство позволяет произ-
водить неразрушающее считыванне накопленной информаuии.
4.5.2. ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
В связи с развитием оптической передачи информации и необходн-
мых дЛЯ ЭТОFО компонентов (волоконных световодов, передатчиков,
приемников и т. д.) созданы важные предпосылки для развития воло
конно-оптическнх датчиков [129 133].
у волоконно-оптнческих датчиков измеряемая величина воздейст-
вует на оптическое волокно и изменяет характерные параметры рас-
пространяющеrося по нему света. Характерные параметры это амп-
литуда, фаза или поляризация света.
Преимущества волоконно-оптических датчиков:
помехоустойчивость по отношению к электрическим и маrиитным
полям;
отсутствует излучение сиrнала;
надежность по отношению к подслушиванию;
разделение потенциала между передатчиком и приемником;
взрывоустойчивость;
незначительное потребление энерrии;
непосредственная возможность использования оптическИХ принци-
пов (и тем самым возможна высокая чувствительность).
Недостатки традиционных датчиков:
затраты на преобразование сиrнала;
затраты на места соединений;
трудности в случае амплитудно-'модулированных сиrналов;
отсутствие стандартизованноrо понятня об унифицированном сиr-
нале;
необходимость разнообразных новых разработок.
Возможные измеряемые величины: температура, давление, длина,
скорость, уровень жидкости, показатель преломлеиия, уrловая скорость,
маrнитное поле, сила электрическоrо тока.
Различают мноrомодовые и одномодовые волоконно-оптические дат-
чики. В мноrомодовых датчиках измеряемая величина оказывает влия.
ние на интенсивность света, распространяющеrося по волоконному све-
товоду. Мноrомодовые волоконно оптические сенсорные устройства раз
деляются на волоконно оптические и rибридные датчики. В то время
как у полностью ВОЛОКОННЫх датчиков оптический волновод OДHOBpe
меино используется в качестве датчика, пропускание KOToporo изменя-
ется измеряемой величнной, в rибридном датчике оптический волновод
и измерительный элемент разделены.
В одномодовых датчиках измеряемая величина модулирует фазу
волны, распространяющейся по оптическому волноводу.
Преимуществом одномодовых датчиков является более высокая
чувствительность, поскольку можно измерять сдвиr фазы 1 0 5
10 6 рад.
H ЦЫC&т'8oOa
с аеркальнын
J покрытиен
t't
а)
Обработка
сиеНCI/Та
"
"
"(,,
Рис. 4.123. Принцип действия двухлучевоrо интерферометра Майкельсо-
на (а), Maxa ЦeHдepa (6) и Саньяка (в), а также мноrолучевоrо ин
терферометра Фабри Перо (е) (.по даНным [126]):
J лазер; 2 приемник; 8 направленный ответвитель; 4 параметр. который
оказывает влияние на фазу; 9 yrловая скорость
Недостатком является более высокая стоимость (неооходнмоеть
стабилизации 'излучения лазера и т. д.).
Изменения фазы измеряются с помощью интерферометрических
устройств. В качестве интерферометров применяются как двухлучевые
(как, например, интерферометр Майкельсона, Maxa ЦeHдepa, Саньяка),
так н мноrолучевые интерферометры (интерферометр Фабри-Перо)
(рис. 4.123).
В настоящее время для измерения давления, температуры и звука
используется преимущественно интерферометр Маха Цендера, а для
измерения уrловой скорости вращения, маrнитных полей и электричес-
:{их токов интерферометр Саньяка.
Типичные характеристики мноrомодовых датчиков (точности изме-
рения) :
определение показателя преломления 10 З;
измерение давления 1 мПа;
измерение температуры 0,1 ос (:1:0,05 ос при спектральных измере-
ниях) ;
измерение скорости прозрачных жидкостей;
измерения смещений 0,1 нм;
измерения маrнитных полей (320 400 000 А/м) :t0,25 %;
измерения электрических напряжений (3 200 В) :!:О,25 %.
Типнчные характеристики одномодовых датчиков (точности изме-
рения) :
измерения фазы до 10 7 рад/м длины волоконноrо световода;
измерення температуры 320 рад/ (к ,м);
измереиия маrнитных полей 0,01 рад/А;
измерения силы тока (0,2 2000 А) 0,25 мраД/ (А. м) ;
измерения уrловых скоростей (rироскоп>, 0,1 rрад/ч.
4.5.3. ПИКОСЕl(УНДНАЯ ОПТОЭЛЕl(ТРОНИКА
Блаrодаря появлению ультракоротких световых импульсов с дли-
тельностью в пикосекундном диапазоне (см. разд. 2.10) стала возмож-
ной разработка быстрых оптоэлектррнных переключателей [13 136].
Принцип действия (рис. 4.124). Разорванная микрополоско-
вая линня, нанесенная на подходЯЩИй фотопроводящий материал, ста-
новится проводящей под воздействием облучения пикосекундным ла-
зерным импульсом соответствующей длины волны вследствие образо-
2
3'
?-
5
5
Рис. 4.124. Принцип действия оптоэлектронноro переключателя:
1 напряжение смещення; 2 микрополосковая линия; 3 ультракороткий све-
товой импульс; 4 короткий электрический импульс; 5 полупроводник; б ос-
новной 9лектрод
ванной фотопроводпмости. При приложении напряжения к полосковой
ЛИНИИ пропсходпт протеканпе KopOТKoro электрическоrо импульса тока
в течение времени существования носителей заряда. «ВыключеНИе»
электрпческоrо пмпульса происходит за счет илн рекомбинации носи-
телей заряда, плп облученпя вторым лазерным импульсом с большей
длииой волны, который блаrодаря ее большей rлубины проникновенпя
обусловливает короткое замыкание IIОЛОСКОВОЙ линии.
Достиrаемые при этом длительности электрических импульсов по-
лучаются ВПЛОТЬ дО ппкосекуид.
Предпочтительно применяемыми материалами (соответствующим
образом леrированные) являются: Si (кристаллический, аморфный),
GaAs, InGaAs, IпР, Ое, CdS.
Условия реализации:
короткие времена жнзни зарядов (ДЛЯ быстроrо включения);
высокая фотопроводимость (ДЛЯ большоrо динамическоrо диапа-
зона) ;
высокое темноВое сопротивлеиие (ДЛЯ большоrо отношения сиr-
налjшум) ;
высокий квантовый выход (для хорошей эффективности включе-
нпя) ;
соrласование волновоrо сопротивления (ДЛЯ хорошей передаточиой
характеристики на высоких частотах).
Применеиие оптоэлектронных переключателей:
исследоваНпе динамических процессов в полупроводниках;
измерение и управление электронными прнборами и элеМентами.
Преимущественными областями применения являются:
rенерация пикосекундных СВЧ-волн и контроль их распростране-
ния;
фотодетектор для пикосекундных импульсов;
измерение пикосекундных импульсов;
управление ячейками Поккельса и Керра;
управление электронно-оптическимп реrистраторами со щелевой
разверткой;
измерение контактных сопротивленпй у высокоомных полупровод-
нпков;
исследованпе высокочастотнЫХ элементов с помощью оптоэлект-
ронной стробоскопической измерительной Техники.
Принцип действия этоrо важноrо метода IIоказан на рис. 4.125,
а в табл. 4.20 IIриведено сравнение с друrими методамп, при этом заре-
rистрирована реакция псследуемоrо элемента на спrнал, сформирован-
1
6
I '
б-
2
+ 3
4-
Рис. 4.125. Схема для испытания высокочастотных элементов с помощью
быстрых оптоэлектронных ключей:
1 ультракороткий световой импульс; 2 ультракороткий задержанный сВето-
ВОй импульс; В реrистрация сиrнала; .( второй КЛЮЧ (считывание); 5 испы-
туемый элемент; б первый ключ (управлеиие)
Т а б л и ц а 4.20. Сравненце различных методов измерения
в электронике высоких частот [129]
Пикосекундная опто-
Обычная Электроника электроника
на сверх
Метод электро- проводящих I
Ника элементах Серия Одиночный
импульсов ИМПУЛЬС
Временное разреше- :;;..25 пс ..,;10 пс ..,;10 пс :;;..50 пс
нне/временной ce
лектор 10 MKB 1 О MкВ 1 B 1O кв
Динамический дна- 1 MB
пазон IОВ 100 мВ 1 В
Частота повторения ..,;1 Мfц До До ..,;1 кfц
;>100 мrц ;>100 мrц
ный В первом переключателе, с помощью BToporo быстродействующеrо
переключателя, OTKpbJBaeMoro с определенной задержкой.
4.5.4. ИНТErРАЛЬНАЯ ОПТИКА
4.5.4.1. Введение. Интеrральная оптика является еще молодой об-
.'Iастью, которая возиикла в связн с развитием лазеров. Назваиие «ин
теrральная оптика» впервые было дано Миллером в 1969 r. [138].
Интеrральная оптика характернзуется интеrрацией миииатюризо-
ванных пассивных и активных оптических элементов в волноводных
структурах в один общий комплексный элемент, который может состо-
ять из большоrо числа однотипныХ или различных отдельных элемен
тов.
Применяемыми источниками света являются лазеры, используемые
волноводные структуры (диэлектрик) сравнимы (по меньшей мере в oд
ном измерении) по порядку величины с длиной волны лазерноrо излу
чения. IIринцип действия волновода основан на полном внутреннем OT
ражении света.
Интеrpальная оптика предъявляет высокие требования к тех нол о-
rии изrотовления элементов (см. замечания к рис. 4.131).
От миииатюризации известных оптических систем следует ожидать
более ВЫСОКОЙ надежности, уменьшения массы и объема, более BЫCO
КОЙ механической и термической стабильности, значнтельно более низ
кой потребляемой мощности в активных элемеитах (например, в лаЗе-
рах, модуляторах).
Кроме Toro, в интerральной оптике важную роль иrpает примене
ние новых ПРИНЦИПОВ работы. К ним следует отнести возможности, KOTO
рые получаются при П'рименении:
rофрированных (пространственно-периодических) структур [напри
.мер, лазеры с распределенной обратной связью (РОС лазеры) и pac
пределенными брэrrовскимн отражателями (РВО-лазеры)] (см. разд.2.7
или волноводный фильтр [J 7]) ;
оптических мультистабильных элементов (см. подраздел 3.2.8.1,
[60, 62, 65, 66]);
нелинейных оптических эффектов в волноводных структурах (см
подраздел 3.2.1.1, [46».
Основными областями применения элементов интеrральной оптики
являются: /
оптическая связь (см. разд. 4.3, [149, 150», которая привела,
в свою очередь, к дальнейшему развиТИЮ интеrральной оптики; для по-
добных снстем необходимы лазеры, приемники, элементы связи, моду-
ляторы, распределительные устройства, мультиплексоры, демульти-
плексоры, фильтры, ретрансляторы; применение в основном в одномо-
довых снстемах;
оптическая обработка информации в широком смысле, например,
разработка элементов для оптических вычислительных машин [159,
160, 161], аналоrо-цифровых преобразователей (165], спектральных
анализаторов [151], оптических ретрансляторов [151, 158];
научное приборостроени например разработка спектрометров пол-
Horo BHYTpeHHero отражения и поrлощения и спектрометров комбнна-
ционноrо рассеяния [161], интерферометров, при боров для измерения
длин и уrлов, а также датчиков (см. разд. 4.5.2).
Для различных областей примеиения и систем необходимы:
пассивные элементы, как, например, простые планарные ВОЛНОВОДЫ,
полосковые лииии передачи, призмы, линзы, отражатели, периодическне
(rофрированные) стр:уктуры;
активные элементы, которые позволяют модулнровать амплитуду,.
фазу, частоту, состояние поляризацни или направление распространяю-
щихся волн; в основном это передатчики и приемиики оптнческоrо из-
лучения и усилители, модуляторы и дефлекторы, направленные ответ-
вители, фильтры, преобразователи МОД, поляризаторы, преобразователи
частоты, а также оптические мультистабильные элементы.
В настоящее время эти отдельные элементы уже разработаны в ла-
бораторном масштабе и на передиий план выдвиrается их иитеrрация.
при этом следует отметить две тенденции развития:
развнтие rибридных систем (недостаток: необходимы дополнитель-
ные элементы связи);
развитие монолитных систем, включая интеrральные оптоэлектрон-
ные системы [139, 157, 158].
Поскольку в качестве лазеров прежде БСеrо должны применяться
полупроводниковые лазеры, и, кроме Toro, все необходимые пасснвиые
и активные элементы можно реализовать на базе ПОЛУПРОВОДНИКОВЫ1l:
материалов (в частности, на базе соединений типа AIII Bv), как, на.-
пример, GaAIAs, то эти материалы приrодны преимущественно для мо-
нолитных систем. Если все же rибридные варианты стоят на обсужде-
иии, то это обусловлено специфическими свойствами материала (см.
подраздел 4.5.4.5).
4.5.4.2. Распространение света в nланарных диэлектрических вол.
новодах. Применяемые в интеrpальной оптике волноводы являются
диэлектрическими волноводами, а по своей простейшей форме плос-
кнми илИ полосковыми (рис. 4.126):
механнзм распространення основан на полном внутреннем отраже-
нии, т. е. имеет место n2>nl, Па, типичные значеиия для разностей по-
казателей преломления составляют 10 2 10 З; потери составляют
меньше 1 дБjсм;
толщина 2d волноводноrо слоя (показатель преломления n2) срав.
иима с длиной волны, которая лежит в диапазоне от видимоrо до сред-
Hero ИК-диапазона; как следствие, это приводит к тому (следует обра-
тить внимание на аналоrию с СВЧ-волнами), что постоянная распрост-
ранения волны зависит от rеометрии волновода; решение волновоrо
уравнения с учетом rраничных условий в случае волноводной линии да-
ет определенное число дискретных решений, мод, которые зависят от
.показателей преломления n" n2, nз и толщины слоя 2d; эти моды раз
пl
Q ;
X / а)
Z
ё)
Рис. 4.126. Примеры простых волноводов:
.а плоский ВОЛНОВОД толщиной 2d(пl показатеnь преломлення покровноrо слоя,
п. показатель преломления волноводноrо слоя, п. показатель преломления
подложки); б полосковый ВОЛНОВОД; в направпенный ответвитепь; е rофрн-
рованная (пространственно-периодическая) структура (Л период rофра, сипьно
.схематическое изображение. величина Л по порядку величины лежит в диапазоне
длин воли света)
.личаются по СВОИМ ПОСТОЯННЫМ распространения, поляризации, а также
по раСIIределенню поля в плоскостн, перпендикулярной направлению
распространения волны (рис. 4.121).
Планарный волновод (см. рис. 4.126, а, ось z ука-
зывает направление распространения электромаr-
н И т н о r о и з л у ч е н и я). Различают два типа волн (со следующими
отлнчными от нуля компонентами напряженности электрическоrо поля
Е и маrнитноrо поля Н световой волны, т индекс моды):
поперечные электрические волны (ТЕт или Нт)
Е(т) =F О. Н (т) Н(т) =F О. ( 4.19 )
у , Х' Z '
поперечные маrнитные волны (ТМ т или Ет)
Ht т ) =F о; Е;т), E т) =F О. (4.20)
Постоянная распространения 13т получается из соотношения
т N m k o , (4.21)
rде N m эффективный показатель преломления для моды т; ko
Ю/С постоянная распространения в вакууме.
В зависимости от характеристик волновода получают распределе-
ния полей, приведенные на рис. 4.121 [146].
Поле распространяющихся мод проникает также в прилеrающи€
слои. Это обстоятельство является основой для использования связан-
ных волноводов и спектроскопии полноrо BHYTpeHHero отражения.
Модовые характеристики для асимметричноrо ВОЛljовода (т. €.
nl+nз) показаны на рис. 4.128. В качестве покровноrо слоя был BЫ
I l' I
О (а) (Ь)
Jg'1
I l'
(с) (d)
Jg':! П2
I ,.
(е) fJ Nko
д)
б)
о)
2)
а}
Рис. 4.127. Постоянные распространения (сверху) и соответствующие
распределення напряжениостей электрическоrо поля для различных мод
волновода (по данным [146]):
а мода излучения (нет волноводной лннин); 6 раднаЦИОИНая мода ПОДЛОЖКИ;
в, е распространяющиеся моды (ТЕ, илн ТЕо); д нефизическое решеиие
бран воздух (nl==I), в качестве разности значений показателей прелом
ления n2 nз О,06. Наряду с модовыми характеристиками для волны
частоты m '(соответствующая длина волны 10,6 мкм) были вычислены
также характеристики для rармоники 2ю (1,==5,3 мкм). На рис. 4.128
можно отметить следующие важные особениости распространяющихся
мод в волноводе.
1. Эффективный показатель преломлення является функцией тол
щины слоя (на этом основана реализация волноводных линз и призм
путем применения волноводов с подходящей вариацией толщины волно-
вода, рнс. 4.129).
2. При определенной толщине волновода 2d имеется только He
сколько мод волновода.
3. Самая низкая мода волновода требует минимальной толщины
волновода (это является особенностью асимметричноrо волновода).
4. При определенных толщинах волновода эффективные показатели
преломления основной волны и rapMoHHK совпадают, т. е. имеется фа
зовое соrласоваиие, необходимое для эффективноrо преобразования час
тоты (см. подразделы 3.2.3.1 и 3.2.7.1).
Величина dw на рис. 4.128 указывает на допустимые вариации TOk
щины для длины взаимодействия 1 мм (высокие требования к изrотов-
Jlению волновода), при которой существует фазовый сннхронизм.
Оптнческие волноводы с пространственно пе
р и о Д и ч е с к ой (r о фри р о в а н н о й) с т р у к т у рой (рис.
4.126,2). Волноводы С пространственно-периодической структурой ис-
пользуются для фильтров, брэrrовских отражателей, модуляторов, пре-
образоватслей мод.
dw
*0
:f:
><
:f:
зо
'<:> 20
.
t::!
""
::r 10
1:;:
fP'
ОЕ 1
О О
i1J(uJ) 3,25 пз{2UJ) 3,28 П2{UJ) 3,32 п 2 (26J)
Эtptpектu[Jныu показатel1Ь
преломления N
Рис. 4.128. Модовые характеристики GaAs-
волновода на длинах волн 10,6 и 5,3 мкм
(по данным [154]:
ТЕ-моды; ТМ-моды; числа
указывают иидексы мод т
а)
Рис. 4.129. Применение волноводов с подходящей зависящей от места
толщиной в качестве волноводиой линзы (а) и в качестве ВОЛНОВОДНОЙ
призмы (б)
4.5.4.3. Элементы в волноводных структурах. Пассивными элемен
тами являются:
простые волноводные структуры (см. рис. .126);
во.лноводные линзы и призмы (рис. 4.129);
элементы связи для ввода лазерноrо излучения в ВОЛноводный слой-
(аналоrично для ВЫвода излучения) (рис. 4.130).
К элементам связи для ввода лазерноrо излучеиия относятся:
=:01
17)
П1 пр
п2 п,
Пз П 2
5) п з
п 1
п 2 "/
п 1
П 2 ПЗ
п з 2)
в)
Рис. 4.130. Методы ввода излучения в волноводные. слои (или анало
rичио для вывода излучения) [139]:
а фокусировка излучения в слой; 6 ВВОД Н3JIучения в ВОЛНОВОДный слой С
ПОМОЩЬЮ прнзмы (пp показатель преломления прнзмы); в решеточный эле-
мент связн; е ВВОД нзлучення в волноводный СЛОЙ С ПО \ОЩЬЮ сужающеrося
элемента связи
призмеиные элементы связи (рис. 4.130, б); условие для эффектив
fЮЙ связи (в случае, если nР>n2)
N Пр sin 80; (4.22)
достиrаемая эффективность связи 90 %;
решеточные элементы связи (рис. 4.130,8); условие для эффек-
rивной связи:
2n
N nl sin 81 :1= (-t, (4.23)
koA
'де (-t порядок дифракции (l-t l, 2, 3...); nлюс возбуждение пря-
\oIыми волнами; мннус возбуждение обратнымн волнами;
достиrаемая эффективность связи до 10 %;
элемент связи на основе плавноrо ВОJlНОВОДНоrо перехода
(рис. 4.130, z);
достиrаемая эффективность до 70 %; недостаток: расходящийся
ВЫходной пучок;
направленный ответвитель (рис. 4.126, в).
В случае, коrда световая волна распространяется по npямому CBe
товоду, из за экспоненциальиоrо спада интенсивности (в области более
lIизкоrо показателя преломления) часть интенсивности излучения BBO
ДИТСЯ в соседний волновод. Величина энерrии передачи зависит от дли
ны взаимодействия L, расстояння d и показателей преломлеиия. Путем
вариации показателей преломления можно варьировать коэффициент
связн с помощью линейноrо электрооптическоrо эффекта (см. модуля
торы).
Активными элементами (среди друrих) являются:
лазеры;
преобразователи мод и дефлекторы;
модуляторы и переключатели [139, 151, 162].
Важное значение имеют электрооптические npеобразователи' на ба-
зе кристалла LiNЬО з . Преимущество LiNЬО з по отношению к GaAs:
необходимы достаточно малые напряжения н мощности, поскольку
LiNЬО з обладает лучшими электрооптическими данными.
На рис. 4.131 показаны некоторые типы модуляторов [151], KOTO
рые основаны на воздействии на распространяющиеся волны через .чн
Jlейный электрооптический эффект.
7w
а)
u
" r
"""'I
"1"""
с) u а)
l/ o---+.,"'
' ""'
о) l/ O--'-",......",......,'t
6мм
1
4мм
:!:
""
::Е
I.c:.
r.s
ct
16мм
Рис. 4.131. Примеры электрооптических модуляторов:
а модулятор На осНове полосковоi! линин передачи; 6 a виды конструкций
модуляторов. основанных На волноводных варнантах ннтерферометра Маха
Цендера (Е электроды)
На рис. 4.131, z указаны характерные размеры для реализованноrо
модулятора на базе LiNЬО з .
Чтобы потери на рассеянне на краях волновода не превышали
1 дБ jCM, необходимо, чтобы нарушения на краях волновода не превы
шали 0,05 мкм (на длине порядка нескольких сантнметров прн толщи
не волновода несколько микрометров!).
С помощью этнх модуляторов получены следующие данные:
модулирующее напряженне для ТЕ-поляризации 1,3 В, дЛЯ ТМ-по
ляризации 3,8 В;
т'лубина МОДУЛЯЦИИ ТЕ-поляризации 92 %, ТМ-поляризации 84 %;
полоса модуляции 1 rrц;
требуемая мощность модулированных колебаний на ширину поло
сы ТЕ поляризации 15 мкВт/мrц, ТМ-поляризации 130 мкВт/мrц.
Более широкие полосы модуляции, ВПЛОТЬ ДО 11 rrц, были досТнr-
нуты в интерферометрических Модуляторах беryщих волн [166]. При
использовании периодических электродов на базе крнсталла Li'NЬО з
(леrированный Ti) [163, 164] были также реализованы следующие уст-
ройства:
эффективный TE/TM KOHBepTep с эффективностью преобразования
до 99 % при напряжении 13 В;
фильтры с шириной полосы от 0,45 до 1,5 НМ.
Дрyrие эффекты, используемые для модуляции [140, 143, 144]:
k G
fЗт
:-
1 п2
ПЗ
fЗт f3n fЗт ", fЗт I fЗ п;.
:. '" I .
I ,.. ,. '" ..
fЗп 2'ff 2'П 2:к
А Л 11
а) о) о) .
Il
.... ;;,;. ,
,-
kc
fЗт п
J" f3тVfJm
kc .....................
fЗ т == fЗ п + /<.С
8)
z)
Рис. 4.132. Пример преобразователя мод на основе пространственно-пе-
риодических (rофрированных) структур:
1 вектор решетки и волиовой вектор параллельны: а прямой преобразователь;
6 обратный преобразователь; в брэrrовский отражатель (специальный об-
ратный преобраsователь); 11 вектор решетки и волиовой вектор неколлинеариы
(важно для дефлекторов): ,, дефлектор с изменением моды при распростране-
нии; д 6рэrrовскнй дефлектор (ko 2п/Л, Л период rофра)
акустооптическнй эффект (имеет большое значение дЛЯ ОТЮlOнения
света) ;
маrнитооптический эффект.
Особое значение имеют пространственно-периодическне (rофриро-
ванные) структуры, которые MorYT быть получены фотохимическим,
электрооптическим, акустооптическим способами или с помощью ион-
ной имплантации. На рнс. 4.132 показаны некоторые примеры npеоб-
разователя мод на базе подобных структур.
4.5.4.4. Примеры реализованных структур. Характернымн примера-
ми (см. также модулятор, показанный на рис. 4.131, е) ЯВЛЯЮТСЯ:
1) частотный мультиплексор по данным Аики (рис. 4.133) [139];
объединение пяти РОС-лазеров на основе GaAIAs (монолитная техно-
.A,;il2 ".
1 2.
Рис. 4.133. Монолитное оптическое мультиплексирование длин волн:
1 'РОС лазеры с различнымн длинами волн; 2 волновод; 3 устройство свя-
зн; 4 оптнческое волокно
лоrия, двухступенчатая эпитаксия из жидкостной фазы), работающих
иа дЛинах волн, разделенных одна от друrой на 2 нм; мультнплексор
размещен на подложке из GaAs размером 5 ммХ5 мм. Расстоянне меж-
ду лазерами 300 мкм; размеры волновода: ширина 20 мкм, rлубшш
3 мкм, метод изroтовления мезатехнолоrия;
2) анализатор спектра фирмы Wеstiпghоusе (рис. 4.134. 1):".9]).
Реrистрируемая радиочастота fo модулируется звуковой волной в аку-
стооптическом модуляторе брэrrовскоrо типа, что npиводит к частО'! но-
зависимому отклонению волны лазерноrо излучения. Детектор, выпол-
ненный в виде лннейки из 140 элементов, выдает частоту как функцию
отклонения. В анализаторе спектра использовались две асферически
скорректированные линзы rеодезнческоrо типа. Примеияемые .'Iазеры:
He-Ne- или GaAs-лазеры; планарный волновод создан на подложке
LiNЬО з ; размеры подложки 1 смХ2,5ХО,3 см; изroтовленне волновода
осуществлено путем диффузии титана; данные спектроанализатора при-
ведены в табл. 4.21; аналоrо-цнфровой преобразователь показан на
рис. 4.135 [165]. АЦП изrотовлен на базе снмметричноro MOCTOBoro
модулятора. Материалом АЦП является LiNЬО з . Достиrнуты частоты
до 100 Мfц. Размеры IK 16 мм, Ic 4 мм, Iph 8 мм, w 8 мкм, g
ge 5,4 мкм. Полуволновое напряжение для Не-Nе-лазера (1,15 мкм)
составляет 5,31 В;
4
7
8
;)
-=-
Рис. 4.134. Интеrрально оптнческий ВЧ спектроаналнзатор:
1 l"етеродин; 2 усилитe.nь; 8 излучатель акустических поверхностиых волн;
4 l"офрированная структура (звуковые волны); 5 лазер; б волноводная лин.
за для расширения пучка; 7 волиоводная линза для коллимации пучка; 8 фо-
кусирующая лииза; 9 линейка детекторов
5
8
7
Pin
1
\Lx
Рис. 4.135. Интеrрально оптическнй аналоrо-цифровой преобразователь:
I IIО.'1НОВОД; 2. 4 устройства связи на 3 дБ; 8 фаЗОСДВИl"ающее устройство;
S А\-электроды; б двойной диффузант; 7 буферный слой Аl.О з .
Т а б л и ц а 4.21. Характеристики интerра.пъно-оптическоrо
спектроанализатора
Параметр
Значенне
Центральная частота, Мfц
Ширина полосы частот, Мfц
Частотиое разрешение:
с Не-Nе лазером (0,6328 мкм), Мfц
с GaAIAs-лазером (0,83 мкм), Мfц
Время интеrрирования приемника, мкс
Расстояние между элемеитами приемника, мкм
Диаметр фокальноrо пятна в плоскости приемника,
мкм
Дифракционная эффективность акустооптической решет-
ки Брэrrа, %
Фокусные расстояния линз, см
Расстояние между JIинзами, см
6()()
400
5,3
4
2
12
3,4
5O lOO
2,45
1,8
З) оптнческий ретранслятор (рнс. 4.136, [4.158]). Оптический ре-
транслятор является примером интеrральноrо оптоэлектронноrо эле-
мента, который выращен на базе GaAIAs в процессе эпитаксии из жиk
кой фазы. На полупроводниковой подложке (SI) GaAs объединены ла-
зер, транзистор (полевой транзистор с барьером Шоттки) и ФОТОДIЮД.
4.5.4.5. Материалы и методы изrотовления. В настоящее время от-
дается предпочтение материалам LiNЬО з , GaAIAs, LiТаОз, стеклу, KpeM
нию.
ДJIЯ пассивноrо волновода требуются потери меньше 1 дБ/см. По
'J'ери в волноводах обусловлены поrлощением в слое, рассеянием на He
реrулярностях на поверхностях раздела, поrлощением на rраничных по
верхностях.
К методам изrотовления предъявляются очень высокие требова-
ния. Применяются преимущественно ЭJlектронно-лучевая литоrрафия
(изrотовление масок), фотолитоrрафия (изrотовление масок), ионная
имплантация, диффузия (например, для изrотовления волноводов
в LiNЬО з пyrем диффузии титана), эпитаксия, в частности для полу
проводников [предпочтительно применяются молекулярно лучевая эпи-
таксия, жидкостная эпитаксия, а также химическое осаждение метал
лоорrаническнх соединений из паровой фазы (CVD)].
ДЛЯ монолитноrо варианта лучше Bcero были бы приrодны полу
проводниковые соединения из-за возможности их использования в мик-
роэлектроиике и оптоэлектронике, если бы удалось реализовать все су-
ществениые элементы с требуемыми параметрами.
Для этой цели былн бы необходимы:
волноводы с малыми потерями не более 1 дБ/см (минимальные
зиачения для потерь у GaAs до настоящеrо времени составляют еще
2 дБ/см) [155];
светоизлучающие элементы (предпочтительно полупроводнико-
вые);
сильный линейный электрооптический эффект (GaAs меиее выrоден,
чем LiNЬО з ).
V 2 V 1
r
I
8ыхьаной
I . сВет
Входнои
сВет
-=
а)
V З
6
7
З
7
2
:1
q.
S
10
Рис. 4.136. Интеrрально-оптический ретранслятор:
а прннципиальиая схема ретранслятора, нключая контрольные цепи; б кон-
струкция ретраислятора: 1 CuAu; 2 диффузия Zn; 8 p GaA\As; 4 актив-
иая обlIасть; 5 n GaA\As; 6 5i02; 7 n GаАз; 8 5i GaAs; 9 AuGe
NI Au; 10 Cr Au; 11 фотодиод; 12 лазер; 18 сток; 14 исток; 15 за-
твор; 16 А\
Поэтому в настоящее время рассматриваются rлавным образом
rибридные варианты вследствие блаrоприятных электрооптических
и акустических свойств, а также незначительных потерь в волноводе
(менее 1 дБjсм), поскольку излучатели и приемники не рализованы на
базе LiNЬО з . Выходом из такой ситуации являются rибридные вари-
анты на общей подложке.
До настоящеrо времени не существует вещества, которое удовлет
воряет всем требованиям.
4.5.4.6. Перспективы. Интеrральная оптика стоит только в начале
cBoero развития. Существенной предпосылкой для ее широкоrо приме
нения является овладение необходимыми технолоrическими процессами
изrотовления нужных материалов с приемлемыми затратами.
Оценка возможностей интеrральной оптики сделана в работе [148].
Соrласно этой оценке имеются следующие оrраничения (при этом
в основу положены известные в настоящее время характерные пара
метры материалов):
1) размеры. В поперечном направлении 1 мкм (из-за требуемой ло-
кализации), в продольном направлении O.5 10 мм( из-за необходимых
Д.'lин связи);
2) скорость. Задержка импульса составляет примерно 10 пс!мм,
уширение импульса из-за дисперсии rрупповой скорости (сильно зави-
сит от материала и длины волны), минимально достиrаемая длитель-
:юсть импульсов лазерноrо излучения (у полупроводниковых лазеров
< 1 пс);
3) ширина полосы. У фильтров с пространственио-периодическими
структурами 0,01 НМ, направленных ответвителей 5 нм;
4) требуемая энерrия. На бит для модуляторов и переключателей
(характерная длина L в см) 1 пДж'смjL (предельные значения для
бистабильных элементов см. в подразделе 3.2.8.1).
4.5.5. ЛАЗЕРНОЕ ПЕЧАТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Для изrотовления ориrиналов для rазет, журиалов, книr, а также
для печати в вычислительной технике и в друrих случаях уже в настоя-
щее время часто применяется лазерное излучение [169].
Преимущество: более высокая скорость печати по сравнению
с обычным клавишным способом печатания.
При н ц и п 'д е й с т в и я. Поступающий от считываемоrо ориrина-
.1Ja свет преобразуется в ФЭУ в электрические сиrналы, которые соот-
ветствующим образом обрабатываются в электронном устройстве вме-
сте с управляющими сиrналами (для определения высоты шрифта,
состава краски и др.) и служат для модуляции лазерноrо излучения.
С ПОмощью записывающей rоловки экспонщ уе'l'СЯ расположенная на
валике пленка. при этом лазерное излучение разделяется на ряд рав-
ных по интенсивнОсти частичных лучей (шесть или больше), которые
посредством модуляции при данных условиях подключаются или отклю
чаются.
Применяемые лазеры: ИОнный арrоновый лазер (мощность не более
10 мВт), инжекцио.нный лазер.
Лазерное печатающее устройство, применяемое в вычислитеJIЬНОЙ
технике, показано на рис. 4.137.
2
.'f
4- 5
7
.J'.'';,1. "
Рис. 4.137. Принципиальная схема лазерноrо печатающеrо устройства,
работающеrо на основе электрофотоrрафическоrо способа печатания
(фирма Siеmепs):
1 фиксирующее устройство; 2 очищающее устройство; 8 разрядиое устрой
ство; 4 очищающий материал, ПOJlyqаемый из прочеса; 5 заряжающее YCT
puHCTBO; 6 акустооп'Сическая отклоияющая система; 7 зеркальный барабаи;.
8 оптический элемеит; 9 устройство для печатания бланков; 10 лазер; 11
фотопроводящий барабан; 12 npоявляющее устройство; 13 устройство для
прикленвання бумаrи; 14 устройство для перенесения символа иа бумаrу; 15
устройство ДJlЯ транспортировки бумаrи; 16 складывающее устройство; 17
устройство ДJlЯ подачи бумаrи - -
4.5.6. ЛАЗЕРЫ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЯ ТЕХНИКЕ
Принципиально достиrнутые малые времена переключения делают
возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая
интеrрацию в микроэлектронных переключательных схемах (опто-
электроника) :
в качестве лоrических элементов (да нет, или);
для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычисли
тельных машинах (модулированное лазерное излучение, ПQ.еобразова-
ние в цифровую форму).
В этих целях рассматриваются исключительно инжекционные ла-
зеры.
Преимущества: малые времена переключения и. считывания, очень
малеиькие размеры элементов, интеrрация оптических и электричес-
ких систем.
Достижимыми оказываются времена переключения примерно IO lO с
(соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запо-
минающеrо устройства 107 бит/см 2 , и скорости считывания 109 бит/с.
Исследования иаходятся еще в стадии разработок.
4.5.1. ЛАЗЕРЫ В ФотоrРАФИИ
Интенсивное излучение импульсных лазеров используется в качест-
ве источника освещения с весьма коротким временем экспонирования
(высокоскоростная фотоrрафия).
Реrистрация быстро протекающих процессов вообще происходит:
кинематоrрафическими методами путем съемки последовательности
отдельных изображений, следующих с высокой частотой следования;
методами щелевой развертки и шлирен методами путем аналоrовой
реrистрации путь время;
стробоскопическими методами путем совмещения частоты съемки
и частоты протекания процесса в повторяющихся событиях.
Временное разрешение определяется временем экспозиции, реали-
зуемым источником света или съемочной камерой, а также имеющейся
в "аспоряжении освещенностью.
Время экспонирования, достиrаемое с обычными лампами вспыш
ками в микросекундном диапазоне, можно сократить в 103 105 раз
при использовании импульсных лазеров. Они MorYT работать как «Bpe
менные зонды» в режиме одиночных «выстрелов» или в режиме задан
ной частоты следования импульсов лазерноrо излучения. Современные
камеры на основе электронно-оптическоrо преобразователя позволяют
работать в режиме кадровой съемки с частотой не менее 106 кадров/с.
I< непосредственным фотоrрафическим методам в последнее время до-
бавляются возможности, обусловленные особенностями лазеров, как,
например, импульсная rолоrрафИЧf'ская интерферометрия для исследо-
вания быстропротекающих процессов [170].
С помощью лазеров можно осуществлять одиночные съемки в на-
flосекундном диапазоне и мноrокадровые съемки с частотой 1 04
106 кащJOВ/С.
Для этой цели используются преимущественно твердотельные лазеры.
4.5.8. ЛАЗЕРЫ ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ
Лазерные лучи MorYT быть применены вместе с электронной сис-
'1'емой обработки для идентификации знаков различноrо рода (печат-
4- 072345578901
а)
Рис. 4.138. Пример 13 разрядноrо стандартноrо символа штриховоrо ко-
да EAN дЛЯ идентификации товара и цены:
й wтриховый КОД; б управление устройством считывания штриховоrо кода
иые знаки в контрольном экзеМпляре текста для корректуры, штрихо.
вые коды). Это находит уже коммерческое применение при идентифи-
кации товаров, отмечениых кодами для лазерноrо считывания, и при
реrистрации цены этих товаров в ToproBbJx точках и универсальных ма-
rазинах (лазерный чек), при этом лазерный луч перемещается над по-
лосковым образцом (штриховой код, рис. 4.138) (с ПОМощью сканирую-
щеrо устройства) и рассеянное назад излучение реrистрируется и
определенным образом обрабатывается в электронном блоке. Для этой.
цели часто применяются Не-Nе-лазер или лазерные диоды.
4.5.9. ЛАЗЕР КАК ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ СРЕДСТВО
Лазеры применяются также для измерения очень маленьких пере-
мещений или амплитуд колебаний земной коры (лазерной сеисмоrраф),
а также для выяснения принципиальных основных вопросов физики, на-
пример для измерения зависимости от времени универсальных постоян-
ных, для проверки утверждений общей теории относительности и для
обнаружения rравитационных волн.
LLля этих целей целесообразно использовать стабилизированные по
частоте лазеры.
5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ
С ЛАЗЕРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
5.1. ОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ЛАЗЕРНЫМИ
УСТРОИСТВАМИ
При эксплуатации лазерных устройств возникают опасности двоя-
Koro рода. Во-первых, прииципиально всеrда существует опасность, Kor-
да лазерное излучение может попадать на незащищенное тело человека,
при этом неважно, действует первичное или вторичное излучение (з.ер-
кально или диффузно отраженное излучение). !3 этом случае речь идет
о специфических лазерных опасностях. Во-вторых, при работе с Лазер-
нымн установками следует считаться с опасностями, которые вызваны
или Вспомоrательными устройствами, или взаимодействием лазерноrо
излучения с различными средами или с обрабатываемыми материалами.
В этом случае rоворят о прочих опасностях, или неспецифической ла-
зерной опасности.
5.1.1. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ОПАСНОСТИ
Вероятность появления, а также вид и тяжесть поражения биоло-
rИЧеской ткани зависят от ряда факторов. К. таким факторам Относятся
воздействующие удельные энерrии или мощиости, длина волны лазер-
Horo излучения, время облучения, состояние экспоиированной ткани
(например, ее пиrмеитация, покрытие волосом и кровоснабжение) и
различные факторы внешией среды.
Биолоrическое действие лазерноrо излучеиия на орrанизм челове-
ка в основном обусловлеио тремя видами механизмов воздействия.
1. Тепловые эффекты. Теплово,!i эффект, биолоrическое действие
KOToporo простирается от простои эритемы (покраснение кожи) до
«сваривания» пораженной ткани, является наиболее значшельным эф-
фектом поражения. Тепловой эффект зависит от действующей плотно-
сти энерrии или мощности, времени облучения и rлубины проникнове
ния лазерноrо излучения.
Тепловой эффект может привести к коаrуляции ткани, т. е. образу-
ется резкая rраиица разделения между некротической частью и OKPy
жающей тканью с остановкой кровотечения вследствие закупоривания
кровеносных сосудов.
Впрочем, этот эффект используется в микрохирурrии.
2. Термоакустические эффекты. С тепловым эффектом MOryT соче-
'l'аться также друrие явления, называемые термоакустическими или
:ИНl rда нелинейными эффектами. Если очень высокие удельные эиерrии
или мощности приводят К «свариванию» ткани, то при этом ВОЗlПfкает
пар, который, с одной стороны, разрывает клетки, а с друrой стороны,
может привести, особенно в замкнутом и полностью заполненном про-
странстве (rлаз или череп), к опасным ударным волиам.
Точно так же образование ударных волн может происходить в том
случае, коrда на ткань попадает лазерный импульс очень высокой
удельной мощности и крайне короткой длительности (например, им
пульс лазерноrо излучения, полученноrо с помощью лазера, работаю
щеrо в режиме модулированной добротности). Результатом являются
разрывы ткани или реrулярные «взрывные» выбросы частиц ткани, Bcer-
да отчасти связанные со значительными кровотечениями (коаryляцион-
ный эффект отсутствует).
3. Фотохимические эффекты. При воздействии лазерноrо излуче-
ния с малой плотностью энерrии или мощности ПОявляются Функцио-
Ha.IJЬHыe изменения в rистохимической картине протекания обменных
процессов в клетке, которые MorYT как способствовать нормальным
а) 1,0
0,9
0.8
'" '
0,7
'"
0,6
<:::
'"
. 0,5
'1:; 0.4
"'- '
0,3
:::,
:Е'\.0,2
!:\--
0,1
О
400
/ ia 1\
/
J '1\
I
3::
,...
J
7 .""Ij
1/ r--... ,5
\
V \"" I\.
1,0 о)
0,9
0,8
0,7
:j
"
Е
1;j
:о-
t:
..
0,6 ..
0,5 'tJ
'"
tj
o, :;}
t--
0,3
800
0,2
0,1
О
1200 }I,HM
600
1000
Рис. 5.1. Пропускание и поrлощеиие человеческоrо rлаза:
'й спектральиая характеристика пропускаиия; б произведение пропускания
rлазноrо тела и поrлощения сетчатки в зависимости от длины волны
процессам, так и вызывать отклонения" от иормы.
В этом типе механизма взаимодеиствия в настоящее время мноrие
вопросы остаются открытыми. Так, например, в настоящее время еще
не полностью выясиено, может ли привести фотохимический эффект
к кумуляции частичных доз или к rенетическим последствиям.
5.1.1.1. Опасности для rлаз. Наиболее поражаемой частью орrаниз
ма человека при воздействии лазерноrо излучеиия является rлаз. Это
прежде Bcero относится к излучению в видимом и ближием ИК областях
спектра (рис. 5.1), хотя и друrие диапазоны оmическоrо излучения
также MorYT представлять серьезную опасность для зрения (таБJI. 5.1,
соrласно [1]).
Т а б л и ц а 5.1. Патофизиолоrические воздействия оптическоrо
излучеиия
Воздействия на
Спектральная область
rлаэа
кожу
Ультрафиолетовый
диапазон С (200
280 нм)
Кератит (Photophtal- Эритема (эритема
mia electrica) диационная), рак
жи
ра-
ко.
УJlьтрафиолетовый
диапазон В (280
315 нм)
Ускоренное старение ко-
жи, возрастающая
пиrментация
УЛЬТРЯф'10петовый I Катаракта светочувст-I Сильная
диапазон А (315 I вительные пиrментация
400 нм) реакции
Видимый диапазон Фотохимическое и ТеРМИч ское поражение
(400 780 нм) термическое по- кожи
вреждение сетчат-
ки -
Инфракрасный диа- Катаракта, терми-
пазон А (780 ческое поражеиие
1400 им) сетчатки
Инфракрасный диа- Термическое пораже-
пазон В ( 1,4 ние роrовой обо-
3 мкм) лочки И хрусталика
Инфракрасный диа- Термическое пораже-
пазон С (3 ние роrовой обо-
1000 мкм) лочки
Вид и стерень тяжести поражений,
но зависят от следующих факторов:
длины волны;
плОтности энерrии или мощности;
возникающих в rлазу, особен-
диаметра зрачка;
размера изображеиия на сетчатке;
времени облучения.
Moryт быть повреждены как роrовая оболочка rлаза, хрусталик
и стекловидное тело, так и сетчатка. Медики рассматривают повреж
дения роrовой оболочки rлаза, хрусталика и стекловидноrо тела IШК
менее опасные, потому что они, как правило, излечимы, тоrда как по
вреждения сетчатки являются тяжелыми из-за их необратимости. При
попадании сфокусированноrо хрусталиком луча на сетчатку там возии
кают слепые пятна, наличие которых больными часто не замечается.
Это имеет место особенно тоrда, коrда неожиданно попадает в rлаз
рассеянное излучение от импульсных лазеров; лазер rенерирует излу-
чение в ближией ИК области спектра, и пораженные места находятся
на периферии сетчатки (рис. 5.2).
Рнс. 5.2. Вход лазерных лучей в человеческий rлаз:
1 радужная оболочка; 2 Сlшере; 8 о;аружная rраиица ретины; 4 стеКЛО-
вндное тело; fj ретина; 6 центральная ,"\Ка сетчатки; 7 зрительный нерв;
8 хрусталик; 9 роrовая оболочка I'лаза; 10 передняя камера rлаза; 11
зрачок
Если, напротив, луч попадает в центральную ямку сетчатки, ле
жащую в области желтоrо пятна места иаиболее oCTporo зрения, то
результатом является тяжеJюе нарушение остроты зрения. Полной по-
тери зрения необходимо опасаться в том случае, если повреждается
Рарi11а nefvi optici место вхождения зрительноrо нерва 13 rлаз.
Вследствие фокусирующеrо действия хрусталика падающая на po
rоI3УЮ оболочку rлаза удельная энерrия или мощность может быть уве-.
личена в I05 106 разl
Это значение получается из соотношения
V == d /d , (5.1)
rде V коэффициент усиления; d p диаметр зрачка (dpmax 8 мм);
d R диаметр изображения на сетчатке (ретиие) (dRmill IO мкм).
5.1 .1.2. Опасности для кожи. Кожа по сравнению с opraHoM зрения
менее сильно подвержена поражению. Однако из за большой поверхно-
Т а б л и ц а 5.2. Значения энерrетической экспозиции для появления
минимальных реакций кожи
Тип лазера
ЭнерrетичеСJ<ая экспозиция,
Дж/см'
Длительность
воздействия, с
Рубиновый лазер
Рубиновый лазер (мо-
дуляция добротности
резонатора)
Арrоиовый лазер
С02 лазер
Неодимовый лазер (мо-
дуляцня добротности
резонатора)
Неоднмовый лазер на
иттр иево-аJlюминиево м
rpaHaTe
)) 20 (непиrментированная
кожа)
2, 2 6, 9 (пиrмеНТilрованная
кожа)
O,25 ,34
2,5.1O a
2,5.1O
75.1O 9
4 8,2
2,8
2,5 5,7
1
1
75. 1O 9
46 78
сти кожи более часто возникают ее поражения. В зависимости от дли-
ны волны излучения известны разнообразные поражения кожи, прнчем
преобладают поражения, обусловленные тепловым эффектом (см. табл.
5 1 \ 9т:: поражения кожи зависят от следующих факторов (соrласно
[1] ):
поrлощения и рассеяния излучения в ткани на соответствующей
длине волны;
плотности потока излучения или энерrетической экспознцни на ко-
же:
временн оБJlучення;
кровоспабжения облученной области кожи;
площади облученной поверхности.
Кроме Toro, в поражении кожи иrрюот роль такие факторы, кото-
рые влияют на чувствнтельность кожн (покрытне волосом, толщина ро-
rOBoro слоя, пиrментация).
В новых работах уточнены данные об уровнях энерrетической эк-
спозиции, при которых пронсходят первые минимальные реакции в тка-
ни. В табл. 5.2 (соrласно [2]) прнведен обзор значеннй энерrетических
Экспознций, Iюторые были получены по шести типам лазеров для кожи
человека.
5.1.2. НЕСПЕЦИФИIJЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ОПАСНОСТИ
Прочие опасносrи, или, rоворя иначе, неспецифические лазерные
опасности, возможны при эксплуатации лазерных устройств в разно-
образной форме. Эти Оllасиости либо исходят от вспомоrательных уст-
ройств, лазерных установок, либо вызваны взаимодействием лазерноrо
Излучения с окружаюшей средой ИJIИ с обрабатываемыми материалами.
1. Опасиостн, связанные с наличнем электрнческоrо тока. Большое
Пространство занимают устройства питання и управления, которые
из за низкоrо КПД лазера и вытекаюших нз этоrо высоких потребляе
мы"х мощностей часто работают с прнмененнем высокоrо напряжсния.
Напряжения 30 40 кВ, в частности, для получения излучення накач-
ки являются не редкостью.
2. Опасности, связанные с peHTreHoBcKHM излученнем. Если в элект
рических установках работают с высокимн напряжениями, превышаю-
щими 15 кВ, то следует считаться с тем обстоятельством, что при этом
испускается peHTreHoBcKoe излучение. В случае, если нзrотовителем при
бора не предоставляются данные по этому вопросу, необходимо про-
вести соответствующий контроль вблизи лазерноrо устройства.
3. Опасности, связанные с разрушением нлн взрывом элементов ла
зерной установки. Прн эксплуатации лазерных устройств по разным
причинам MorYT разрушаться как лазерная трубка, так и лампы накач-
ки или друrие элементы, изrотовленные из стекла. Точно так же сле-
дует считаться с возможным взрывом высоковольтных конденсаторов.
4. Опасности, связанные с охлаждающим areHToM. При примененин
ЖИДlюrо азота для охлаждения лазерных кристаллов следует уделять
особенно повышенное внимание охлаждающему areHTY. Жидкий азот,
точка кнпения KOToporo лежит при температуре 195,8 ос, при кон-
такте с кожей вызывает поражение, аналоrичное ожоrу. Кроме Toro,
вследствне неконтролнруемоrо вытекания охлаждаюшнх areHToB в ра-
бочее помещение существует возможность появлення отравляющих яв-
лений, если не позаботиться о достаточной вентнляции.
Наряду с отмеченнымн здесь опасностями с:ледует указать и дру-
rHe, как, например, возникновение пожаров и взрывов под воздействи-
ем неконтролируемOI о лазерноrо излучения, образование озона под
действнем УФ-излучеиия, ослепляющее действие при высоКОй яркости
неэкранированных ламп иакачек и появление токснческих аэрозолей
при обработке материала с помощью лазерноrо луча.
5.2. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Интенсивно проведенные научные исследоваиия спецнфических воз
действий лазерноrо излучения привели в разных странах к достаточно
обшнрным, а также хорошо обоснованным практическим выводам об
охране труда при эксплуатации лазеров. Правда, к настояшему време-
ни такие выводы нмеют характер законов только в некоторых странах.
В большинстве случаев речь идет о рекомендацнях или предписаниях,
которые действнтельны отчастн только для определеНllоrо Kpyra при-
менеllИЙ TGL 30690/01.
Прочие илн неспецифические лазерные опасности достаточно полно
охвачены уже сушествующимн правилами.
5.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОШIТИИ
В о з Д е й с т в у 10 Щ е е л а з е р н о е и з л у ч е н и е. Лазерное из
лучение, которое воздействует полностью нли частнчно на rлаз или rла
за и (нли) кожу В течение определенноrо временн.
Д л и т е л ь н о с т ь и з л у ч е н и я. Время t, в течение KOToporo
лазерное устройство ИСПУСI{ает воздействующее лазерное излучен не не-
прерывно нли в форме импульсов или последовательности импульсов.
Д л и т е л ь н о с т ь э к с поз и Ц и ]1 (д Л И Т е л ь и о с т ь в о з -
Д е й с 1 В Н я). Время [, в течение KOToporo rлаз (rлаза) и (или) неза-
щищенная кожа полностью или частично подверrаются воздействию
nрямоrо и (илн) отражениоrо лазерноro излучения за рабочую смену.
При неумышленном заrлядываиии в луч лазера, раоотающеrо в не-
прерывноМ режиме, длительность ЭКСПОЗИЦИИ определяеТGЯ, ка!\ прави-
ло, рефлекторным смыкаиием ве!\ (примерно 0,2 с), прн работе лазера
в импульсном режиме ДЛ!Jтельность Э!\СПОЗИЦИИ определяется, !\ак пра
вило, длнтельностью импульса лазерноrо излучения. При преднамерен-
иоМ заrлядыванин в лазерный луч (например, при юстировочных рабо
тах) необходимо просуммировать время одинаlШВО интенсивных экс
позиций или отдельных импульсов за рабочую смену.
И м п у л ь с н ы й р е ж и м р а б о ты. Режим работы, при кото-
ром лазерное устройство испус!\ает лазерное излучение и длительность
излучения не превышает [ O,25 с.
Непрерывный режим работы (с\v режим). Режим ра-
боты, при котором лазерное устройство непрерывно нспускает лазер-
ное излучение в течение t>0,25 с.
Э н е р r е т н ч е с к а я э к с поз и Ц и я Н. Определяется отноше.
нием падающей на элемент поверхности энерrни излучення к площади
этоrо элемента:
н dQ/dA,
(5.2)
rде Н измеряется в Дж/м 2 ; Q энерrия излучения, Дж; А попереч-
ное сеченне пучка, м 2 .
О б ъ е м н а я п л о т н о с т ь э н е р r и и и з л у ч е н и я L p . Энер'
rетическая экспозиция, отнесенная к телесному уrлу. Дж/(м2. ср ).
П л О т н о с т ь п о т о к а и з л у ч Е' Н И Я (р. Отношение потока из-
лучения Р к поперечному сечению пучка лазернOI'О излучения А:
(р Р/А,
(5.3)
rде (Р И:Щf'ряется В Вт/м 2 ; Р поток нзлучения, Вт; А поперечиое
сечение пучка, м 2 .
Э н ер r и я и з л у ч е н и я Q. Энерrия, нзлучаемая, переноснмая
и.'Iи прииимаемая в форме электромаrнитной водны:
Q==P 1 t l ,
(5.4 )
rде Q измеряется в Дж; P 1 максимальный поток излучения, Вт; t l
длительность импульса излучения, с.
П о т о к и з л у '1 е и и я (м о Щ н о с т ь н з л у ч е н и я) Р. Мощ-
ность, излучаемая, переносимая или приннмаемая в форме электромаr-
нитной волны. Еднннца измерения Вт.
Э н е р r е т и ч е с к а я я р к о с т ь и з л у ч е н н я L. Плотность по-
тока излучения, отнесенная к телесному уrлу, Вт/(м 2 .ср).
Д н Ф Ф у 3 И О е о т р а ж е 11 и е/р а с с е я н и е. Изменение прост-
paHcTBeHHoro распределення. излучення, если оно отражается/рассеива
ется иа поверхиости или средой в различных направлениях.
Идеальный диффузный рассеиватель нарушает все соотношения
между направлением падающеrо и направлением отраженноrо или рас-
сеяиноrо нзлучений.
П р е д е л ь н о Д о п у с т и м ы й у р о в е н ь и 3 Л У Ч е н и я (AEL-
значение, accessib1e еmissiоп limit). Значение энерrии
Излучения, энерrетической ЭКСПОЗИЦИИ, энерr'етичесКОЙ яркости, потока
Излучения или яркости излучения, установленное для воздействующеrо
лазерноrо излучения в зависимости от длительностн экспозицин н длины
ВОЛНЫ. которое с учетом класса опасностн не ДО.'lжно превышаться.
у р о в е н ь э к с по 3 И Ц И и. Определенное с помощью расчета или
liзмереиия зиачение энерrии излучения, ДОЗЫ облучения, энерrетическоИ:
яркости, потока излучения,. плотности потока излучения или яркости,
прямоrо или диффузно отраженноrо/рассеянноrо лазерноrо излучення,
фактически падаЮЩеl'О в течение времени облучения на rлаз (rлаза)
и (или) кожу.
Сравнение величины экспозицни с предельно допустимым уровнем
нзлучения дает представление об опасности падаюшеrо излучения.
Предельно допустимый уровень энерrетнческой
э к с поз и Ц и и (МРЕ - з н а ч е н и е, т а х i т u т ре r т i s s i Ь I е
е х р о s u r е). Установленное максимальное значение дозы облучения,
потока излучения, плотности потока излучения или энерrетической яр
кости лазерноrо излучения, которому MorYT rюдверrаться при нормаль-
ных условиях rлаза и кожа без появления непосредственноrо повреж-
дения.
Пр е Д е л ь н а я а пер т ура. Максимально возможная площадь
Kpyra, по которой может быть усреднена яркость нзлучения и доза об-
лучения.
У r о л з р е н и я а. Уrол, в который в rлаз наблюдателя попадает
излучение лазера или диффузное отражение/рассеяние.
Пр е Д е л ь н ы й у r о л апнп. Под предельным уrлом понимают
установленный уrол, которыЙ служит для различения точечных и про-
тяженных источников лазерноrо излучения, причем нсточник лазерноrо
нзлучения или диффузное отражение/рассеяние лазерноrо излучения
следует рассматривать ка!{ протяженный источник, если уrол зрения
больше, чем предельный уrол.
Н о м и н а л ь н о е б е s о п а с н о е р а с с т о я н и е. Расстояние
между выходным сечением лазерноrо пучка' и местом, на котором
плотность потока излучения или доза облучення снижены до макси-
мально допустимоrо уровня излучения.'
Н о м н н а л ь н а я о п а с н а я з о н а. Пространственная область,
в которой плотность потока излучения или доза облучения больше, чем
максимально допустимый уровень лазерноrо нзлучения.
5.2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОйСТВ
Всемирной орrанизацией здравоохранения (БОЗ) в 1977 r. опубли-
кована схема классификации лазерных устройств [1], которая peKOMeH
дована для применения. Принципнально эта схема исходит из трех ас-
пектов, которые в совокупности определяют вызываемую лазером опас-
ность и тем самым необходимость применения защнтных мероприятий
и дозиметричешоrо контроля:
опасность, Iюторая фактически исходит от л-азера;
производственная среда, в [{Оторой прнменяется лазер;
персоиал, IЮТОРЫЙ обслуживает лазер, н персонал, который может
облучаться rенерируемым им лазерным излучением.
Однако построен не схемы определяется rлавным образом первым
аспектом, потому что, с одной стороны, второй и третий аспекты очень
сильно зависят от применения лазера, и, с друrой стороны, в большин-
стве случаев достаточна оцеика первоrо аспекта AJIfI ОllредеJ[епия СООТ-
ветствуюших защитных мер и дозиметрическоrо [{OlIТроля. Друrая oc
новная идея схемы IUIассификации состоит в том, чтобы в значнтельной
степени освободить пользователя блаrодаря предложенной форме де-
ления на классы от lIеобязательно необходимых трудоемких н сложных
измерений параметров излучеиия или расчетов.
Основой классификации лазеров является их способиость вызывать
1313 счет воздействня прямоrо или оrpаженноrо луча поражение rлаз
и кожи.
УстаИОl3лены следующие классы лазеров по степенн опасности re-
нерируемоrо ими излучения.
Класс 1: без рнска. Лазерные системы, выходиое нзлучение кото-
рых не представляет опасностн для rлаз и кожи.
Класс 2: незначительный риск. Лазерные системы, которые рабо-
тают в видиМой области спектра и прн иормальных условиях не явля-
ются опасиыми.
Класс 3: умеренный риск. Лазерные системы, у которых заrлядЫ-
ванне в прямой нли зеркально отраженный луч может быть опасным
для rлаз. Этот класс лазеров разделяется на два подкласса: 3, а и 3, б.
причем лазеры, относящиеся к подклассу 3, а, являются только тоrда
опасными, коrда нх луч собирается с помощью допо-лнительноrо опти-
ческоrо устройства.
Класс 4: высоКий рнск. Лазерные системы, у которых даже диф-
фузно отраженное излучение может быть опасным, или их луч преk
ставляет серьезную опасность для кожи, или существует опасность воз-
иикновения пожара.
В табл. 5.3 приведены классы опасности лазерных устройств для
каждоrо днапазона длин волн.
т а б л и ц а 5.3. Классификация лазеров по степени опасности
rенерируемоrо ими излучения и соответствующие диапазоны длин волн
I у JJьтрафИОJIе- Диапазон Д.ilИН ВОЛН
Вl1ДИМЫЙ I инфракрасный I ннфракрасный
I TOnЫ А В+С
Возрастание Класс Класс I Класс 1 Класс 1
степени опас Класс 2
ности j{ ласс 3, а Класс 3, а Класс 3. а Класс 3, а
Класс 3. б Класс 3, б Класс 3, б Класс 3. б
Класс 4 Класс 4 Класс 4 Класс 4
Классификация лазерных устройств на отдельные классы по сте-
пени опасности происходит прежде Bcero по следующим параметрам.
1. Для всех типов лазеров необходимо знание длины волны или
диапазона длин волн и определение времени воздействия лазерноrо
излучения.
2. Для непрерывных 11 импульсно-периодических лазеров требуется
знание средней выходной мощности.
3. Для классификации НМIlУЛЬСНЫХ лазеров также необходимо зна-
ние общеrо потока излучения в импульсе (пиковая мощность), длитель-
н{)сти импульса, частоты повторения импульсов и дозы облучення.
4. Для классификаuин лазеров с расширяющимся пучком наряду
с указанными выше параметрами необходимо знание энерrии излучения
и максимума уrла, на который направление взrляда 011(лоняется от
IпtrаЬеаш viе\viпg. т. е. ПОЛноrо, прямоrо заrлядывания в луч.
К л а с с 1 л а з е р н ы е [1 р и б о рыб е з о п а с н о с т н. К это-
му классу лазеров относятся лазеры, излучение которых не вЫзывает
повреждений, потому что их мощность или энерrия за рассматриваемый
для классификации промежуток времени ниже пороrовых значений
(значения, при которых еще не наступает поражение орrанизма, в лн
тературе на анrлийском языке обозначаются как Рехетй или Qехеmрд.
Под промежутком времени, рассматриваемым в классификации и реrла
ментируемым промежутком времени, следует понимаTh самое продол-
жительное время воздействия лазерноrо излучения на человека в тече-
ние рабочеrо дня.
Pexempt И Qexempt определяются с точки зрения предотвращеиия по-
ражения при рассмотрении наиболее неблю'оприяпюrо случая (\vorst
case analysis). При этом следует учитывать, используется лазер с рас-
ширенным пучком или нет. Для большинства лазеров Pexempt И Qexempt
определяются прн данных УСЛОВИЯХ с помощью примерноrо расчета
в виде пронзведения аЬ, причем а предельное значение для дозы
прямоrо облучения rлаза за время облучения t max , Ь площадь пре-
дельноrо отверстия, определенная для предельноrо значения.
Однако освоБОlКдение таких лазеров без риска от дозиметрическо
ro контроля относится только к спецнфической лазерной опасности, но
не к друrим опасностям, связанным с эксплуатацией лазера.
К л а с с 2 л а з е р н ы е при б о Р ы с м а л о й о п а с н о c
ть ю. К ЭТОМУ классу лазеров (Lоw risk классу) относятся лазеры
с малой мощностью, которые работают в видимой области спектра.
У этих лазеров возможно прямое ПОllадание луча в rлаз при очень тща
тельном соблюдении контролируемых условий экспонирования. К ним
относятся:
непрерывные лазеры (400 700 нм), нзлучаемая мощность которых
превышает Pexempt для реrламентнруемоrо промежуша (0,4 мкВт для
t max >O,25 с), но не больше 1 мВт;
сканирующие лазерные системы (400 700 нм) и импульсно-перио-
днческие лазеры, которые хотя н MorYT превышаTh соответствующее
значение Pexempt для реrламентируемоrо промежутка, но не зиачение
для времени облучения 0,25 с.
Класс 3 лазерные устройства сумереиной
о п а с н о с т ь ю. Этот класс лазеров (Моdеrаtе risk-класс) охваты-
вает лазеры средней мощности, у которых не разрешается прямое за
rлядывание в луч л.азера. К ним относятся следующне типы лазеров:
лазеры ИК- (1,4 мкм 1 мм) и УФ-диапазонов (200 400 нм),
мощность которых для реrламентируемоrо промежутка хотя и превы
шает Pexempt, но не среднюю мощность 0,5 Вт при tmax>0,25 с или
значеипе дозы облучения 10 Джjсм 2 при tmax 0,25 с;
непрерывные лазеры илн нмпульсно-периодические лазеры в види-
мом диапазоне (400 700 нм), У которых превышается Рехетр! для
tmax 0,25 с (1 мВт для непрерывных лазеров, которые, однако, не мо-
rYT нзлучать среднюю мощность 0,5 Вт при tmax>O,25 с);
импульсные лазеры в ближнем ИК-диапаЗОllе (700 1400 им), re
нерируемая энерrия которых больше Qexemp! и меньше 10 Дж/см 2 или
У которых следует считаться с появлением диффузноrо отражения из-
лучения, лежащеrо выше предельных значений и поэтому опасноro для
орrанизма человека;
непрерывные Jlaзеры и импульсно-периодические лазеры, работаю-
щие в. ближнем ИК днапазоне (700 1400 им), мощность которых боль-
ше Рехеmр! для реrламентируемоrо промежутка, но которые не MorYT
rенерировать среднюю мощность более 0,5 Вт при t max >0,25 С.
Класс 4 лазерные устройства с повышениой
о п а с н о с т ь ю. Этот [{ласс лазеров (Нigl1 -risIн(Ласс) охватывает
мощные лазеры, прямой, а также зеркально или дуффузно отраженный
луч которых представляет значительную опасность как для rлаз, так
и для кожи. К ним относятся следующие типы лазеров:
лазеры УФ (200 00 нм) и дальиеrо ИК-диапазонов (1,4 мкм
J мм), у которых для t max >0,25 с средняя мощность превышает 0,5 Вт
нлн значение дозы облучения 10 Дж/см 2 при tшах 0,25 с;
лазеры ВИДИМОI'О (400 700 нм) и ближнеrо ИК-диапазонов (700
1400 нм) со средней мсщностью БО,1ее 0,5 Вт при t max >0,25 с или до-
зой облучення более 10 Дж/см 2 ; к таким лазерам также относят ла-
зерЫ, у которых во время их работы MorYl возникать диффузные ОТ-
ражения излучеиия, превышающие предельные значения.
Вообще, следует обращать внимание на то, что разделение снаб-
женных экранирующими устройствами лазеров на классы только Tor-
да оправдано, если они эксплуатируются с этими защитными средства-
ми. Если это не имеет места, то лазер относится к более высокому клас-
су по степени опасности.
Лазерные устройства, которые I\IIOrYT работать на нескольких дли-
нах волн, классифицируются по длинам волн, на которых можно ожи-
дать наибо.IJbШУЮ опасность.
5.2.3. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ЭКСПОЗИЦИИ ПРИ
IВОЗДЕйСТБЮll ЛА3lEРiюrо ИЗЛУЧЕНИЯ
В последние roAbJ в разных странах достиrнут значительный ПРО-
rpecc в усилиях по установлению предельно допустимых уровней ла-
зерноrо облучения, при недостижении которых исключаются поражения
rлаз и кожи. Это развитие привело, наконец, к тому, что Всемирная
0 r'!!!};3<ЩИh здравоохранения (ВОЗ) в 1977 r. рекомендовала соответ-
ствующие предельные ЭКспозиции [Exposure limits (EL)] [1]. Прн раз-
работке этих материалов рабочая rруппа ВОЗ по лечебным эффектам
лазернOI'О излучения исходила прежде Bcero из апробированных значе-
ний Аmеricап Nаtiопа1 Standards Institute (ANSI) [6]: Правда, здесь
также еще сохранились некоторые недоработки, особенно в тех слу-
чаях, коrда зиачения недостаточно биолоrически обоснованы или ба-
зируются на экстраполяцни. Проблематичнымн являются этн значения,
например, для диапазонов длин волн, для которых имеют место фото-
химические эффекты (экспозиции rлаз и кожи в УФ-области спектра,
а также долrовременные экспозиции rлаз и кожи в видимой области
спектра). В этих случаях предельные значения должны расматривать-
ся, скорее, ка!{ осторожные рекомендацни.
Прн превышеиин указанных предельных значений сильно коллн-
мированное лазерное излучение с высокой энерrией может вызвать MrHO-
венное поражение, которое у rJ;аза opraHa, наиболее сильно подвер-
rающеrося опасности прн [Jоздействии лазерноrо излучения, может
привести к нарушеиию функции зрения.
Измерения, но чаще Bcero расчеты по определению уровней энер-
rетическоЙ экспозиции, освещенности, энерrетической яркости и (или)
плотности потока излучения в плоскости роrовой оболочки rлаза обыч-
но nроводились для конкретных условий применения (например, фоку-
-Сирующие, преломляющие и отражающие среды на пути луча, возмож-
НОсти облучения и т. д.).
Эти условия следует однозначно описывать и оrоваривать в разра-
батываемых специфических требованиях по охране здоровья и труда.
В табл. 5.4 5.7 приведены предельные значения для rлаз и кожи
В зависимости от различных параметров (см. также TGL 30 690/01).
Т а б л и ц а 5.4. Ориентировочные зиачения предельно допустимоЙ
энерrетической экспозиции (Дж{см 2 ) и(или) энерrетическоЙ
освещенности (Вт/см 2 ) rлаз и кожи для лазеров, работающих
в непрерывном и(или) импульсном режимах, в УФ диапазоне
Прямое или зеркально отраженное
лазерное нзлучение и (или) рассеян-
Длина ВОЛНЫ, нм ДлИтельность ное или днФфузно отражениое
воздействия, с лазерное излучение
Дж/см" Вт/см"
УФ С 200 280 3.1O 3
УФ-В 280 302 3.1O 3
303 4.1O 3
304 6.1O
305 I,О.lO
306 1,6.1O
307 1О З.1О4 2,5.1O
308 4,0.1O
309 6,3.1O
310 1 ,О. ю
311 l,6.1O 1
312 2,5.1O 1
313 4,O.IO 1
314 6,O.IO 1
УФ-А 315 400 1O 1{)& 1,0
103 3 .104 1 ,0.1O 3
т а б л и ц а 5.5. Ориенrировочные значения предельно допустимой
эиерreтической экспозиции и(или) энерrетической освещенности (прямой
или зеркальио отраженныЙ луч) rлаз для непрерывных и(или)
импульсных лазеров в видимой и инфракрасной областях спектра
Длина волны, нм
I ДлИтеJJЬНОСТЬ воздей- I Энерrетическая I Энерrетическая
ствия. с ЭКСПО3НЦ,ИЯ, Дж/см 2 освещенность,
Вт/см'
Видимый днапа
зон
400 700
400 550
550 700
400 700
1O 9 1 ,8.IO p
1 ,8.1O 1О
1 104
10 t 1
t 1 104
101 3.1O4
5.1O 7
1 ,8. Ю 3 t 314
1O 2
1 8.1O 3 [314
, Ю Св
Ю 6 Св
Длина ВОЛНЫ, н"
I Длительность Боздей I
СТПИЯ, с
п родолженuе табл. 5.5
Эиерrетическая I ЭиерrетИческая
ЭI<СПОЗИЦИЯ, ДЖ/СМ' ОСБеlffri СТЬ'
Инфракрасный
диапазон А
700 1 060
Ю6 1400
700 1400
1O 9 1 ,8.10
1 ,8.1O !i 103
1O 9 5.1O !!
5 . 1O 103
103 104
5.1O 7 С Т
],8,]O CT
5.1O 6
9.1O 3 [3/4
З,2.1О 4Ст
f l1нфракрасный
диапазон В + с
1400 106
1О 9 1O 7
1O 7 1O
10
1O
0,56 tЦ4
0,1
Примечание. CT""10 2<\ 6.4 НМ, l,, Б НМ; CB 1 для 400 HM "';;;;;
:::;; fi5n; Св :OO,OJ5( . 559) цля 550 НМ ;;;; '" ;;;;; 700 нм, :\. в НМ; tl IO С ДЛЯ
400l1М ;;;;; "':;;; 550 11М, tl 10.100,020, 550) с для 550 НМ;;;;; '" ;;;;;70О 11М, "' B ВМ.
т а б л и ц а 5.6. ОриеНТИРОВОЧНblе значения предельно допустимой
энерrетической экспозиции и(или) энерrетической освещенности
(рассеянноrо или диффузно отраЖенноrо излучения) для rлаз от
HenpepblBHoro и(или) ИМfiУЛhсноrо лазеров в видимой и инфракрасной
областях спектра
Длнтельность ЭнерrетИ'Iеская яркостЬ/освещенность
Длина ВОЛНЫ, им воздействия, с
Дж/(см' . ср) ВТ/(СМ' . ср)
Видимый диапа
зон
400 700 1O 9 1O 10 [113
400 550 1O 104 21
550 700 10 ti 3,83 [3/4
550 700 t 1 104 21 Св
400 700 104 3. 104 2,1 . JO 3 Св
Инфракрасный
диапазон А
700 1400 1О 9 IO 1О,С т , 1/3
700 ] 400 1О JOЗ з,83С т t 314
700 1400 1O 3.104 0,64 С Т
. т а б л и ц а 5.7. Ориентировочные значения предельно допустимой
8нерrетической экспозиции и энерrетической освеLЦенностИ для ко1КИ от
пазеров, работаюLЦИХ в непрерывном и(или) импульсном режимах,
в видимой и инфракрасной областях спектра
Энерrети ческая экспозицня/
Длина волны, и'\l Длительность энерrетическая освещепность
воздействия, с
Дж/см' I Вт/см'
ВИДИМЫЙ диапазон и 1O 9 1O 7 2. 1O
инфракрасныЙ А 400 10 ? 1O 1 , 1 t 1l4
1400 10-- 3. 104 0,2
ИнфракрасныЙ диана. I
зон В+С 1400 106
1O 9 3.1О4
См. табл. 5.5 н 5.6
т а б л и ц а 5.8. Предельный уrол n зависимости от времени облучения
Длительность Предельный уroл, Длительность Предельный уrол,
ооздеilствия, с мрад Еоздействия, с мрад
1O 9 8 1O 5,7
1O 6 5,4 IO J 9,2
1O ? 3,7 1 15
1O 6 2,5 10 24
1O 1,7 102 24
1O 4 2,2 103 24
1O 3 3,6 1()4 24
т а б л и ц а 5.9. Энерrетическая OCBeLЦeHHOCTb в зависимости от
потока Р А Вblходноrо лазерноrо излучения и диаметра пучка d o
Поток 'з-
лучения
р А' мЕт
Энерrетическая освещенность, Вт/см", для диаметра пучка а о , мм
1,2 I 1,4 I 1.8 I 2
10
20
1 0,13 0,09 0,06 0,04 0,03 O,13.1O O,O3.1O 2
2 0,25 0,18 0,13 0,08 0,06 O,25.1O O,06.1O 2
3 0,38 0,27 0,20 0,12 0,10 0,38.1O О,lO.IО 2
4 0,51 0,35 0,26 0,16 0,13 0,51.1O !! 0,13. 1O 2
5 0,64 0,44 0,32 0,20 0,16 O,64.1O О, 16.1O 2
7,5 0,96 0,66 0,49 0,30 0,24 О, 96.1O 2 O,24.1O 2
10 1,27 0,89 0,65 0.39 0,32 1,27 .1O 0,32.1O
Важным дополнением является приведенный в табл. 5.8 (по данным
[1]) обзор значений предельных уrлов (в зависимости от времени об-
лучения), в пределах которых имеет место Intrabeaт vie'.ving, и С04
rласно этому предельные значения применены для наблюдения в пря-
мом луче.
Для работающеrо в непрерывном режиме Не-Nе-лазера (л ==
==632,8 нм) различной мощности в табл. 5.9 (по данным [7]) приведены
данные об установленных энерrетических освещенностях. Такие лазеры
часто применяются в лазерных указателях направления.
5.2.4. КОЛИЧЕСТВЕННОЕ РАССМОТРЕНИЕ КОНКРЕТНЫХ
УСЛОВИй ЭКСПЛУАТАЦИИ
Для оценки условий при конкретных применениях часто необхо-
димо количественное рассмотрение, при этом, однако, следует учиты-
вать, что такие рассмотрения должны служить основой для проведе-
ний мероприятий по охране труда, они должны быть выполнены на весь-
ма высоком научном уровне и исходнть из наиболее опасноrо или не-
блаrоприятноrо случая.
Из соотношения (5.3) получаем для ПJютности потока излучения
'Р, для пучка круrлой формы на расстоянии r от выходноrо отверстия
'Pr Р!А 4Р!( лd Ю. (5.5)
rде А поперечное сечение пучка; Р поток излучения; d o диа-
Метр пучка в выходном отверстии, при этом прежде Bcero пренебреrа.
ется расходимостью пучка и поrлощением в воздухе.
С учетом расходимости е и поrлощения в воздухе 1-1 приведенное
выше выражение изменяется следующим образом:
4Pe l-tr
'Pr
л(d о +- ,e)
(5.6)
Для поrлощения в воздухе на практике используются следующие
значения: хорошая видимость 1-1 IO 7 CM I, плохая видимость 1-1==
== 10 5 CM l, плотный туман 1-1== 10 4 CM l.
Для расширения пучка лазера на практике очень часто применя-
IOтся дополнительные оптические устройства, например телескопы. Ела-
rодаря этому первоначально полученный пучок расширяется.
Условия становятся более сложными, если, например, при исполь-
зовании цилиндрической линзы лазерный луч принимает эллиптическую
форму, так что в расчете следует исходить теперь не из круrлоrо, а эл-
Липтическоrо поперечноrо сечения пучка.
Указания к расчету минимальноrо безопасноrо расстояния приведе-
Вы в [7].
Минимальное безопасное расстояние '5 расстояние от выход-
ной апертуры Л8зерноrо пучка, на котором создается энерrетическая
освещенность, меньшая, чем предельно допустимая для прямоrо или
отраженноrо пучка (JлlrаЬеат viewing).
Минимальное безопасное расстояние можно ВЫчислить для различ-
ных СЛУ'Iаев следующим образом:
оптически свободно распространяющийся луч
's === o.. (VS 1),
е
(5.7)
rде S коэффициент ослаблении для оптически свободно распрост
раняющеrося луча;
расширениый телескопом луч
rs d T (V ST 1),
е т
rде ST коэффициент ослабления луча, расширенноrо телескопом;
расширенный цилиндрическо й линзой луч
rs ; (]ll+ 8Sz I), (5.9)
rде S Z коэффициент ослабления для луча, расширенноrо с помощью
цилиндрической линзы; 8 Z уrол расщепления пучка цилиндрической
линзой;
луч, расширенный телескопом и расщепленный цилиндрической
ЛИНЗОМ,
(5.8)
rs + : ( v 1 + O 8 т Sтz 1) , (5.10)
rде STZ коэффициент ослабления для расширенноrо и расщеплен
Horo пучка.
. Если выражение (J80j8 z )8 ,.8 TZ <0,1, то тоrда справедливо при-
ближенное соотношение
45
rS::::::8 dTS TZ ' (5.11)
Z
Коэффициент ослабления S 011юшение плотности потока излуче-
ния !р пучка к максимально допустимой плотности потока излучения
(см. табл. 5.5).
'т а б л и ц а 5.1 о. Минимальиые безопасиые расстояния для
Не-Nе-лазера непрерывноrо действия
Параметр Минимальное безопасное раССТОЯНt е, м
Поток излучеиия на Выходе 1 мВт 1 мВт 5 мВт 10 мВт
Диаметр луча 2 мм 1 мм 1 мм 1 мм
Расходимость луча 2' 2' 2' 2'
Оптически свободный лазер- 272 276 620 870
ный пучок
Лазерный пучок: 4100 4800 11700
с телескопом (20х)* 16700
с цилиндрической линзой 9,2 10 23 33
(8z 17°)
с телескопом и цилиндри 1,7 3,4 17 34
ческой линзой
· Атмосферным ПОf.nощеннем I1ренебреrается.
Т а б л и ц а 5.11. Зависимость отношения х эиерrетической
освещенности или эиер..етичеСJ(ОЙ ЭJ(СПО3ИЦИИ на сетчаТJ(е ..лаза
с оптически Вспомо..ательным средством и без Hero
Условие
dp>dO k
dp dOk
Объект неразре-
шаемый
( dObJ )
x J
d p
х>1
х === ( dObj ) ,
d Ok
Х === v2
Объект разрешае-
мый
( dObJ )
x ,
d p V
х<1
( dObj )
x
dOkV '
х===1
Для Не-Nе-лазеров (л 632,8 нм), работающих в непрерывном ре-
жиме, в табл. 5.10 приведены вычисленные минимальные безопасные
расстояния.
Предельными безопасными значениями являются значения, которые
установлены для открытых rлаз. Однако это несправедливо, если, на-
пример, измерения проводятся с помощью подзорных труб или друrнх
аналоrичJ-iО действующих оптических приборов. Независимо от Toro,
[;Д T р<:4.Ь u нрямом, отраженном или диффузно отраженном излучении,
MorYT появляться отчасти заметные усиления плотности потока излуче-
ния или уровня облучения. Поэтому при количественных рассмотрени-
ях необходимо принимать во внимание подобные ситуации. Для этоrо
следует учитывать: диаметр окуляра do k , диаметр ооъектива do bj , уве-
личение оптической системы V, диаметр зрачка d p (dp 0,270,8 см), от-
ношение энерrетической освещенности или дозы облучения на сетчатке
оптически вооруженноrо rлаза к энерrетической освещенности или дозе
облучения незащищенноrо rлаза.
В табл. 5.11 [2] приведены получающиеся СООТI ошения, нз кото-
рых можно исходить при соответствующих расчетах.
5.2.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕРЫ для ЗАЩИТЫ r ЛАЗ
Во всех случаях, I{Of-да при эксплуатации лазерных установок не
MorYT быть соблюдены предельные значения для ЭКСПОзиции rлаз, не-
обходимы специальные меры.
Ряд предложений, как, например, применение фототропных веществ
в защитных очках или ячеек Керра в качестве защитных выключателей,
оказались ненадежными и(или) требуют затрат времени. Поэтому ре-
комендуется применение, как и раньше, защитных очков с оптически-
Ми фильтрами. ТaJше поrлощающие фильтры предназначены для филь-
трации соответствующей длины волны лазерноrо излучения, однако
остальную область видимоrо излучения они должны пропускать по воз-
МОжности без ослабления. Отсюда следует, что не любой поrлощаЮIЩIЙ
фильтр прнменим для данноrо лазера, потому '1ТО существует Щ).,Щ.fси-
мость от I'енерируемой длины волны. Кроме Toro, толщина ФИЛЬТРil q.п-
ределяется энерrетическими параметрами лазера. Особой Проб- мой
при применении защитных оЧКоВ является термостойкость используе
Moro фильтра, поскольку поrлощенная доля cBeToBoro потока преобра
зуется в тепло.
Име.IШСЬ случаи, коrда стекло светофильтра разрушалось при по-
падании лазерноrо пучка. Следовательно, не только становится очень
ненадежной сама защита rлаз от воздействия лазерноrо излучения, но
и возникает опасность от осколков стекла. Причиной разрушения филь-
Тров является неблаrоприятное распределение энерrии по толщине филь-
тра. Простой расчет показывает, что, например, у стекла, предназначен
Horo для изrотовления светофильтров ВЕ 51 94 (стекольный завод
в Иене) толщиной 2 мм, больше 50 % проникающей энерr'ии поrлоща-
ется первыми 0,2 мм стекла. Поэтому возникают приводящие к разру-
шению термические напряжения, если не позаботиться о ступенчатом
снижении энерrии. Это Достиrается комбинацией различных стекол при
изrотовлении оптических фильтров: перед сИЛЬНО поrлощающим филь-
тром устанавливается слабо поr'лощающий.
На стекольном заводе в Иене изrотавливают стекла, подходя-
щие для светофильтров, используемых для защиты rлаз [8]. В част-
Ности, для установления типа фff.1Iьтра важное зиачение имеет ДJlина
Волны из.'Iучения лазера и требуемый коэффициент пропускания. В табл.
5.12 для некоторых типов лазеров приведены рекомендации по приме-
т а б л и ц а 5.12. Выбор оптических стекол для изrотовления
светофильтров народноrо предприятия G1aswerk в Пене для
использования п противолазерных очках
Длина волны, /
нм
I
Оптическое стекло для светофнльтров
Старое Обоз- I Новое Обозна- I
наченне ченне КОД
Тнп лазера
OaAs 840 ВО 18 ВЕ 51 94 662
ВО 23 ВЕ 46 94 654
Рубиновый 691 ВО 18 ВЕ 51-94 662
ВО 23 ВЕ 46 94 654
Неодимовый 1060 ВО 18 ВЕ 51-94 662
ВО 23 ВЕ 46 94 654
Удвоенная часто- 530 RO 1* RA 61 761
:та RG 1 ** RA 63 762
RG 2 RA 64 763
He-Ne 633 RO 12 ВЕ 41-82 644
Ar 515 RO 1* RA 61 761
RO 1 ** RA 63 762
RO 2 RA 64 763
* Бесцветное СТеКЛО.
** Темное стекло.
нению оптических стекол для изrотовления фильтров, причем ук.а-зыва-
ются выборочно различные типы. Так, например, для рубиновоrо лазера
(694 нм) применимо стекло как марки ВЕ 51 94, так и ВЕ 46------94.
Однако следует учитывать то обстоятельство, что стекло марки ВЕ
Ы 94 имеет более крутой спад объемноrо коэффициента пропускания
в красной области спектра по сравнению со стеклом Марки ВЕ 46 94.
Стекло марки ВЕ 46 94 имеет значительно более высокую теплостой-
кость. На рис. 5.3 приведены соответствующие кривые для объемноrо
коэффициента пропускания (см. разд. 1.2.2).
В качестве оправы для лазерных защитных стекол в торrовле име.
ются защитные очки (например, каталоr Nr 909) с боковой защитой
1:> ДlIина Оолны, ММ
'" !lльтрU{рuоле Видимый спрктр
E:>f тоВый спрктр Инrpрокрасныii спектр
'-'",
1:>'" "" '" :;;
E:
c\j ::;: """" t:() I::":н::::) c\i 1..(:) Q() C\1",*(Q
............ C\1C\1C\JC\iC\l
0,90
8E41 82 0,70
2мм 0,50
о,зо
0,10
0,90
BE51 9* 0,70
2ММ 0,50
О,ЗО
0,10
0.90
8Е46-94 0,70
2мм 0,50
О,зо
0,10 - _ W..
..
0,90
RA61/6J 0,70
2мм 0,50
о,зо
0,10
0,90
RАб4 0,70
2ММ 0,50 ' .
о,зо
0,10
J .
Рис, 5.3. Кривые BHYTpeHHero пропускания некоторых оптических цвет-
ных стекол для светофильтров стекольноrо завода Народноrо предпр и 5.l"
тия, Иена, rермания
[9]. Из большоrо набора выпускаемых в разных странах лазерных за-
щиТНых очков в табл. 5.13 [2] приведены некоторые йх типы. Следует
i:>братить внимание на то. что у защитных очков, выпускаемых фирмой
American Optica1, имеется возможность использования сменных комби-
наций фильтров с помощью передвиrаемой рамки в оправе очков.
Интересным является вариант лазерных очков фирмы Glепdаlе
Optica1, Вудбери, Нью-Иорк (рис. 5.4 и табл. 5.13 [2]). Для этих по
конструкции весьма леrких лазерных защитных очков поrлощающи е
фильтры применяют в виде пластмассовых пленок фирмы Аmеricап
cyanamid. Кроме Toro, этот поставляемый в виде широкой пленки пласт-
Массовый материал также хорошо приrоден для экранирования опас-
ных областей.
Т а б л и ц а 5.13. Противолазерные очки
I ;.. :.: :i
о '" ",1:;
<:
1:: :;; "''''
.. '" ,,<:
.. Цвет '" <: '8
Тип лазера о '" о
'" '-' '" "'''
'" Q) '" '-'о
о "'* »:.:
"", '" 1::"
1:: ........ " 8...:
" r= <:
1-- О'" h[ t::
Фирма American ОрНсаl
GaAs 585 22 840 35
Рубиновй 8 694
Неодимовый 584 11 1060 46
Неодимовый 693 8,5 1060 5
Nd (удвоенная 6,4 530
частота)
С0 2 -лазер 680 50 10600 100
Не-Nе-лазер 581 4 633 10
GaAs-лазер 5,5 840
GaAs-лазср 580 4 840 27,5
Аr-лазер 598 9 515 23,8
Аr-лазер 599 8 515 24,7
Фирма G!endale Optica! (о'!Ки Laser Guard)
Не- Nе-лазер 1 Темно-зеленыЙ 5 633 19,5
Рубиновый 2 Синий 6 694 19
Ne- N 4 -лазер 3 Фиолетовый 15 332 70
16 337
Аr-лазер 4 Оранжевый 16 488 59
11 514
GaAs-лазер 5 Светло-зеленый I 14 840 60
Nd 19 1060
* Оптнческая плотность OD Jg 0/1: 1.. ), 1; л нзмеряется на длнне волны лазер-
Horo излучения.
Наряду с применением ПОДХОДЯЩИХ защитных очков для соответ"
ствующей длины волны лазерноrо излучения и выполнением друrих тре-
бований, предъявляемых к персоналу, работающему в области дейст-
вия лазерноrо излучения (см. разд. 5.2.6), необходим медицинский кон-
троль, например офтальмолоrический осмотр лиц, занятых на работах
по обслуживанию лазеров.
Для этоrо принципиально следует исходить из Toro, что повреж-
дения rлаз под воЗдействием Jlазерноrо излучения часто трудно под-
даются диаrностированию, потому что они MorYT быть очень похожИ
на друrие повреЖl\ения, объясняющиеся друrими причинами; часто
пострадавшим даже не замечается, если, например, речь идет о незна
чительных повреждениях на периферии сетчатки.
Поэтому следует учитывать три основных требования
1. Каждый человек, работающий на лазерных установках И, воз
можно, в лазерноопасной зоне, перед началом работы подверrается оф-
тальмолоrическому осмотру для допуска к работе.
2. Этот персонал, соответствующим образом разбитый по классам
лазерной опасности (см. разд. 5.2.2), включается в постоянную оче-
редносТЬ меДИllинскоrо осмотра.
3. Если произошел действительный или подозреваемый несчастный
случай, связанный с облучением opraHa зрения и кожных покровов ла-
@
T"",'
400 600 800 1000 1200 1WO
/\,нм
о» n J\ 7
И, (' ", 2
300 500 700 900 1100 1300
/\,нм
Тип 3
Тип 4-
Тип 5
10
5
.'тО 500 700
11, нм
'
,]00 500 700
.I!,HM
..
300 500 700 900 1100 1300
71, нм
Рис. 5.4. Кривые оптической плотности различных лазерных защитных
очков фирмы Glendale Optical, Вудбери, Нью-йорк
зерным излучением, то пострадавший должен быть немедленно осмот-
рен офтальмолоrом.
Основные требования для защиты rлаз аналоrичны требованиям для
защиты кожн.
Соrласно данным [3] офтальмолоrический осмотр должен иметь сле-
дующий объем.
1. Исследования для фиксирования анатомических изменений;
осмотр век и наружных участков rлаза;
исследование преломляющих сред rлаз при расширенном зрачке;
исследование rлазноrо дна при расширенном зрачке.
2. Исследования для фиксирования фУНЮlИональных изменений:
проверка остроты зрения (для каждоrо rлаза);
проверка стереоскопическоrо зрения;
проверка восприятия цветов.
3. Подробная документаllИЯ, содержащая результаты объективноrо
обследования с фотоrрафией rлазноrо дна.
В качестве противопоказаний по обслуживанию лазеров указыва-
ются в [3]* следующие:
* Здесь принято целесообразным наряду с требованиями защитЫ
rлаз включить также требования защиты кожи.
rлазные болезни, которые под воздействием лазерноrо излучения MO
rYT осложняться;
одноrлазость; острота зрения <0,5 (5/10);
кожные болезни, которые вызываются особой чувствительностью
Кожи к свету или возникают под воздействием света;
болезни, протекающие с приступами;
проrрессирующие невролоrические заболевания;
психические заболевания;
беременность.
5.2.6. ОБЩИЕ МЕРОПРИЯТИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ
БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЛАЗЕРНЫХ УСТАНОВОК
в настоящее время еще не существуе1' законных положений, ох-
ватывающих всю широту охраны труда при обслуживании лазеров. РУ-
ководящие указания опубликованы в [4].
Рекомендации по технике безопасности при работах на sксперимен
тальных лазерных установках.
1. Производственное помещение:
1.1. Помещения, в которых находятся экспериментальные лазерные
установки, следует отмечать знаком лазерноЙ опасности «ЛАЗЕР»
TGL 30817 (рис. 5.5).
1.2. Вход в помещения, отмеченные зна-
ком лазерноЙ опасности, разрешается пер-
соналу, имеющему допуск на работу на ла-
зерной установке, в противном случае по
вызову или при случае по указанию.
1.3. Рабочее помещение должно быть
ярко освещено, чтобы препятствовать темно-
вой адаптации rлаз.
2. Рабочее место:
2.1. Экспериментальные лазерные уста-
новки должны быть так экранированы, что
бы исключить появление направлеиноrо пер
вичноrо и направленноrо вторичноrо излу
чения. Излучение источника оптической
накачки должно экранироваться светонепро-
ницаемым экраном.
2.2. На каждой экспериментальной ла
зерной установке должно быть указаине
о применении защитных фильтров для за-
щиты rлаз.
2.3. При оптической юстировке импульс
ных лазеров приборы накачки должны быть
выключены. Конденсаторы должны быть разряжены и закорочены, если
надежно не предотвращается случайныЙ поджиr ламп накачек друrими
средствами.
2.4. Если не представляется возможным экранирование эксперимен-
тальных лазерных установок указанным в п. 2.1 способом, то необхо-
димы следующие мероприятия:
2.4.1. у импульсных лазеров и лазеров, которые работают в неви-
димом диапазоне длин волн, рабочее СОСТОЯНие извещается оптическим
и(или) акустическим предупредительными сиrналами (принудительная
связь). Цвет оптическоrо сиrнала следует выбирать таким образом, что.
I
ЛАЗЕР
Рис. 5.5. Знаки лазерной
опасности «Лазер» 7
(внутренниЙ цвет знакоВ:
желтый)
бы знак оставался видимым, несмотря на защитные фильтры, использу-
емые для защиты rла-з.
2.4.2. Лазерный луч должен быть оrраничен определенным обра-
зом необходимой дли работы длиной.
2.4.3. Отражающие поверхности в области про хождения лазерноro
луча следует удалить или закрыть.
2.4.4. Даже с защищенными I'лазами не разрешается смотреть на
направленный лазерный луч.
2.4.5. Для защиты кожи должны быть предусмотрены подходящие
защитные средства для тела.
2.5. Исключение положениЙ, относящихся к мероприятиям по
пп. 2.1 2.4, разрешается только с письменноrо разрешения ответствен-
Horo лица.
3. Общие рекомендации:
3.1. Пер сон ал, связанный с обслуживанием и эксплуатацией лазер-
ных установок, должен проходить предварительные, а также периоди-
ческие, не реже 1 раза в rод, медицинские осмотры. При возникающих
нарушениях зрения пострадавший должен без приrлашения явиться
к врачу для медицинскоrо освидетельствования.
3.2. Данная рекомендация должна быть включена в инструкцию по
безопасности труда при эксплуатации лазерных устройств.
3.3. При выполнении работ на экспериментальных лазерных yCTa
новках следует руководствоваться соответствующими стандартами и по-
ложениями.
Эти рекомендации, относящиеся специально ({ экспериментальным
лазерным установкам, равным образом справедливы, конечно, также
для друrих, например коммерческих, лазерных устройств. Однако они
соперж"т только важнейшие меры и должны быть дополнены рядом
друrих указаний.
Лазерные установки или лазерные приборьi в зависимости от сте-
пени опасности и цели применения вснда должны иметь максимально
возможную техническую безопасность при их ЭКСПJIуатации. Средства
индивидуальной защиты следует при менять только в том случае, коrда
коллективные средства защиты не позволяют обеспечить выполнение
требований по безопасности труда.
Сиrнальная установка при закрытых помещениях должна показы
вать вне помещения режим работы лазерной установки.
Вне помещения должен находиться основной выключатель, KOTO
рый позволяет выключить все приборы в помещении, находящиеся на
лазериой устаиовке.
Помещении для конденсаторной батареи должны быть оборудова
иы блокирующими устройствами.
Для разряда конденсаторов должно быть предусмотрено специаль-
ное устройство.
Пронзводственное помещение должно быть обозримым.И иметь xo
роший порядок.
Стены рабочеrо помещения должны иметь по возможности светлую,
но матовую окраску.
Б рабочем помещении не должны находиться блестящие предметы.
Лазерноопасная зона должна быть точно оrраничена и промарки-
рована. По данным [7] лазерноопасная зона определяется по своей дли-
не с помощью мииимальноrо безопаСНОl'О расстояния r s и по ширине
расстоянием поперек направления распространения излучения по мень-
Шей мере 1,5 м от лазерноrо пучка (рис. 5.6).
. Если используются охлаждающие вещества, то должна быть пре
дусмотрена достаТОtшая приточно-вытяжная вентиляциЯ. Кроме Toro,
для работы с охлаждающей жидкостью должны быть подrотовлены
подходящие защитные средства (защитные щитки, рукооrрадители,
фартуки и т. д.).
Достаточная вентиляция также необходима тоrда, коrда при об
рэзовании УФ-излучения следует считаться с концентрацией озона п,
превышающей показатель предельно допустимой концентрапии токсич-
tloro вещества.
1
2
Iz)
Iz)
....
а)
rs
[
о) . j..
:
t
:
J
rs
Рис. 5.6. Оrраничение л:ззероопасной зоны:
а лазероопасная зона для пучка лазерноrо излучения. свободно распространяю-
щеrося в пространстве; 6 лазероопасн я зона пучка nазерноrо излучения, сфор-
мированноrо с ПОМОЩЬЮ телескопа; 1 лазf'р; 2 оrраждение пучка; 8 теле
СКОП
в рабочем помещении не должны храниться воспламеняющиеся
или взрывчатые вещества.
Если лазер работает с высокими напряжениями (предупреждаю
щий знак) свыше 15 кВ, то ДОЮIШЫ быть предусмотрены COOTBeTCT
вующие меры для защиты от возможноrо peHTreHoBcKoro излучения.
У импульсных J!азеров должно быть исключено инициирование слу-
чайных импульсов.
Лазерный луч по возможности сдедует проводить в закрытом испоЛ,
нении.
При свободном распространении лазерноrо пучка, особенно у ИМ
пульсных лазеров, при включении необходимо закрыват rлаза.
Перед включением лазера весь персонал, находящиися в помеще-
нии, должен быть предупрежден о предстоящем пуске.
Запрещается производить юстировку лазера снезащищенными rла-
зами.
Нельзя оставлять работающий лазер без наблюдения.
Противолазерные очки необходимо реrулярно и добросовестно кон-
тролировать на их оптическое действие. особенно после облучения из
лучением с высо!юй энерrией.
Таким образом, определена большая совокупность разлиЧНЫХ про
фИJ!актических мероприятиЙ, применение которых в отдельности зави-
СИТ от соответствующих условий применения. Поскольку не существует
общепринятых обязывающих законных полоя{ ний по охране труда
и даже эти положения всеrда до определенной степени остаются об
щими, и поэтому необходима их спецификация, то на ответственности
пользователя (только в дополнение ({ той, которую несет изrотовитель
лазерных устройств) лежит составление спеuиальных инструкций по
технике безопасности о соответствующем образе действия при работе на
лазерных установках.
Руководствуясь материаJ10М, опубликоваиным Международной ор-
rанизацией здравоохранения [1], необходимо еще обращать внимание на
следующие указания, которые должны содержать положения в подоб-
ных инструкциях по технике безопасности, при этом предполаrается по
возможности точная формулировка положений:
Кто является ответственным за всю зону?
КТО является ответственным за отдельную лазерную установку или
лазерНое устройство и тем самым за выполняемую работу?
КТО имеет право входить в эту зону? MorYT ли получить доступ
на эту YCTaHOBI{y также лица, не имеющие на это права?
К какому классу по степени опасности (см. разд. 5.2.2) следует от-
нести лазер?
Как пространственно оrраничена лазерноопасная зона? При этом
следует учитывать путь прохождения лазерноrо луча, а также опасное
излучение фона. Кроме Toro, необходимо еще проверить, устойчиво ли
установлен лазер или из за преднамеренноrоjнепреднамеренноrо дви-
жения возможно смещение лазерноопасной зоны. Следует ли считать-
ся с зеркальным и(или) диффузным отражениями (рис. 5.7, [5])?
Превышаются ли предельно допустимые уровни лазерноrо излуче-
: :я СЫ Jl1iCHO TGL ЗО 690{01? При этом следует Та!{же учитывать, под
держивается ли фокусирующее действие rлаз друrими оптическими
средствами.
r Лазер r
"=О
Лазер
Лазер
Рис. 5.7. Виды отражения лазерноrо излучения:
а ПЛОСКИЙ диффУЗНЫЙ отражатель; б [jЛОСJШЙ зеркальный отражатель; в
ВЫПУКЛЫЙ зеркальиый отражатель
Какие методы расчета следует использовать для получения оценок
предельно допустимых уровней лазерноrо излучения?
Какие существуют прочие опасности?
Какие мероприятия по техиике безопасности должны быть прове
дены?
Какие защитиые средства и для каких работ должиы использовать-
ся? (Уточняются, например, какие используются противолазерные оч-
IШ, на каких лазерах и при !{аких работах.}
Какие мероприятия по технике безопасности должны быть выпол-
нены для обеспечения правильноrо действия персонала (например, про
rpaMMa тренировок, инструкции по технике безопасности)?
Какие необходимы медицинские мероприятия, связанные с техни
I<ОЙ безопасности (например, осмотры для допуска к работе с лазер
ным излучением, очередность контрольных обследований)?
6. РЕrИСТРАЦИЯ ЭЛЕl(тромдrнитноrо
ИЗЛУЧЕНИЯ
Реrистрация электромаrнитноrо излучения от уф дО ИК спектраль-
ной области осуществляется путем наблюдения ero взаимодействия
с веществом. При этом используются калориметрические, фотоэлектри-
ческие и фотохимические методы, а также эффекты нелинейной опти-
ки. В зависимости от цели измерений и характерной особенности об-
наруживаемоrо cBeToBoro сиrнала применяются различные методы из-
мерения и соответствующим образом выбранные приемники излучения.
С внедрением JIазероВ облеrчены условия измерений, однако при
этом возник ряд новых проблем по сравнению со случаем обычных теп-
ловых источников света. Так, например, монохроматичность и KorepeHT-
ность вынужденноrо излучения обеспечивают лучшее разделение полез
Horo и ШУll10воrо сиrналов; одновременио реализуемые с помощью ла-
зеров высокие плотности энерrии и весьма короткие длительности из-
лучения ставят повышенные требования, например, к динамическому
диапазону и временному разрешению измерительноrо устройства.
6.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ
6.1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Подлежащие измерению характеристики излучения относятся к двум
классам: физические (радиометрия) и технические (фотометрия)
(табл.6.1).
Радиометрические величины описывают излучение независимо от
свойств детектора, применяемоrо для измерения.
Фотометрические величины связаны со спектральиой чувствитель-
ностью человеческоrо rлаза и соответственно этому оrраничены' види-
мой спектральной областью.
Пер е с ч е т р а Д и о м е т р и ч е с к и х (э н ер r е т и ч е с к и х)
и фотометрических характеристик
Основой для пересчета является [определенная Международной
комиссией по освещению (МКО)] относительная спектральная световая
эффективность V л (рис. 6.1), которая оценивается адаптированным
.энерrетич.еские велИ чины
т а б л и u а 6.1. Эиерrетич&кие и фотометрические величины
Фотометрические величины
Наименование
Энерrия излучения Q
(лучистая энерrия,
radiant . energy),
Дж
Поток излучения Ф
(radiant Пнх, radi
ant power), Вт
Энерrетическая сила
Света 1 (сила излу-
чения, fadiant in
tensity), Вт/ср
Объяснеиие
Энерrия. переносимая излучени-
ем:
1 Дж ) Вт'с,
1 кал 4,1868 Дж,
1 эВ 1,602.10 19 Дж
Энерrия излучения, деленная на "
время, также мощность излуче
ния (поток фотонов)
Поток излучения, отдаваемый ис-
точником излучения в телесный
уrол Q
Наименованне
Световая энерrия
Q (количество
света, quantity
of light), лм'с
СветовоЙ поток Ф
(1 ttminotts f1 нх) ,
лм
Сида света 1 (1 u
minotts intensi
ty), кд
Объяснение
Величина, пропорuиональная све
товому потоку и времени ero
действия
Мощность, излучаемая источни
ком света и оцененная относи
тельноЙ спектральной видно
стью дневноrо зрения Vlc чело
веческоrо rлаза
Измеренная в системе СИ: канде
ла сила света нсточника в за
данном направлении, который
испускает монохроматическое
излучение на частоте 540х
Х 1012 [и и сила света KOToporo
достиrает в этом направлении
1/683 Вт/ср, 1 KД 1 .лм/с
Продолжение Табл. 6.1
Наименование
Эиерrетическая яр-
кость L (ЛУЧИС-
тость, radiance),
Вт/(см 2 .ср)
Энерrетическая осве-
щенность (облу-
ченность, irradian-
се) Е, Вт/м2
Q == J Фdt; Ф == dQ/dt
Энерrетические веЛНЧИЕ:Ы
Объяснение
Сила света, с которой элемент
поверхности dA, излучателя из-
лучает в заданном направлении,
образуемая с нормалью к по-
верхности уrол 8,
Поток излучения, падающий на
элемент поверхности дА 2 прием
ника, причем направление пото-
ка излучения образует с нор-
малью к поверхности уrол 82
(также плотность потока фото-
нов)
l==dФ/dQ
Наименование
Яркость L (1urni-
папсе), КД/М
Освещенность Е
(Шurniпапсе) ,
лк
dl
L .
dA 1 cos 81
d 2 ф
dA 1 cos 81 dQ
Фотометрические велИЧИна
Объяснение
Фотометрически оцененная энер-
rетическая яркость света:
1нит (нт) I кд/м 2 ,
1 стильб (сб) 1 кд/см 2 ,
1
1 апостильб (асб) n кд/м 2
Плотность CBeToBoro потока, от-
несенная к поверхности:
1 люкс (лк) I лм/м 2 ,
1 футосвеча 10,764 лк,
1 фот (ф) )O4 ЛК
dФ 1
Е== cose == cose
dA 2 2 y 2
r расстояние между приемником
и источником света
При м е ч а н н я: 1. Отнесенная 11 интервалу длин воли d?" соответствующая величииа обозначается как спектральнаsr енер-
rетичеСК8Я яркость или спектральная яркость L'Л и спектральная 5иерrетическая освеIценность ИЛИ спектральная освещенность Е А -
2. ДЛЯ ПОНЯТИЯ плотнОСТИ потока эиерrии. плотносТи потока излучения, эне"рrетической СИЛЫ СВета и энерrетической яркости
часто применяется понятие интенсивности. Это поиятие также иснользуется в ЭТОЙ книrе. поскольку ОНО широко употребляется в
различных странах.
I{ свету человеческим rлазом к постоянному по длинам волн потоку из-
лучения, а также энерrетический эквивалент сВета Ма. Энерrетический
эквивалент света МО соответствует потоку излучения, который ВОСПрl!
нимается rлазом в максимуме кривой относительной эффективности V Л
иа длине волны л О,555 мкм как светоВой поток, равный 1 лм: Мо==
O,O0l464 Вт/лм. Обратное значение МО называется фотометрическим
эквивалентом излучения Ктах
683 лм/Вт, так что для излучения
произвольной длины волны В видимой
спектральной области справедливо
соотношение К КmахVл.., лм/Вт.
Измерения лазерноrо ИЗJlучения
характеризуются энерrетическими ве-
личинами. Часто используется также
понятие потока фотонов (paBHoro
числу фотонов с энерrией 11V за едини
иу времени) вместо потока излучения
и плотности потока фотонов (равной
числу фотонов с энерrией hv за еди-
ницу времени, отнесенному ({ облу-
ченной площади) вместо энерrети
ческой освещенности.
Для света с длиноЙ волны 'л энер
rия одноrо фотона равна:
1,24
11V ,
л
(6.1)
100
80
60
-:;:'40
.20
47
Рис. 6.1. Относительная вид-
ность монохроматическоrо из-
лучения V , человеческоrо rла-
за
[АС 7, длина волны, мкм; 11V
энерrия фотона, эВ.
!1ример. Для немодулированноrо
света с длиной волны 'Л О,555 мкм
имеем поток излучения 1 BT 680 лм 2,8.10[8 фотон/с:
с помощью высокочувствительной техники счета фотонов измеря-
ются потоки фотонов из нескольких фотонов в секунду.
Одиночный ультракороткий импульс излучения неодимовоrо лазе-
ра (л 1,06 мкм) с энерrией 20 мДж и длительностью 10 пс, сфокуси-
рованный на площади 0,01 см 2 , дает интенсивиость облучения
2'101, Вт/см 2 или плотность потока фотонов примерно 1030 фотои/
/(см 2 .с), которая, несмотря на весьма кратковременное воздействие,
уже может привести ({ разрушению оптических сред.
6.1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
На практике различают точе,чные и протяжеиные источники излу-
чения.
Точечный источник излучает по всем направлениям с одинаковой
Энерrетической силой света 1 dФ/dQ, а приемник, находящийся на
расстоянии " нормаль к поверхиости KOToporo образует с направлением
на Источник уrол 82, получает энерrетическую освещенность
E (l/r2)coSe2' (6.2)
Поско.IJЬКУ идеальныХ точечных источников излучения не существу-
ет, ТQ в большинстве случаев как компромисс ПРШlИмается, что излу-
чатель тоrда рассматривается точечныМ, коrда ero размеры составляют
не более 1 О % расстояния между источником излучения и детектором
Е коrда он излучает достаточно равномерно по всем направлениям.
Протяженные (плоские) источники излучения, которые излучают
соrласно закону JIамберта в полупространство с энерrетической силой
света dI LdAI cos 81 на элемент поверхности dA 1 (L энерreтическая
иркость), дают при площади излучателя А 1 на элементе поверхности
сА 2 на приемнике, находящемся на расстоянии r 01' источника излуче
IlИЯ, энерrетическую освещенность
Е == (LAl/r ) cos 81 cos 82' (6.3)
rде 81 или 82 уrол, который образует нормаль к поверхности излу-
чателя или приемника с общей соединительной линией.
Закон обратных квадратов расстояния. Содержащаяся в уравне-
ниях (6.2) и (6.3) зависимость освещенности от обратноrо квадрата
расстояния представляется важиой, Эта зависимость называется в све-
тотехнике основным фотометрическим законом и позволяет (например,
при калибровке приемников) реализовать с помощью простых измене-
ний расстояния определенные нзменения энерrетичес(юй освещенности
2 2
Y(/r'}, == Е 2 /Е 1 . (6.4)
6.1.3. ВИДbl ИЗЛУЧЕНИЯ
Источники MorYT испускать различные виды излучения:
непрерывное во времени илн сw-излучение (continuolls wave) в ви-
димой спектральной области называется постоянным светом;
периодически изменяющееся во времеии, в большинстве случаев
модулированное по интенсивности излучение, будь это rармоническое
колебание или последовательность импульсов (характеризуемая дли-
тельностью ИМПУЛЬса, частотой повторения и коэффициентом заполне-
ню] периода), в видимой спектральной области называется прерывистым
светом;
импульсы излучения (одиночные или в непериодической последова-
тельности) .
6.2. МЕТОДЫ РЕrИСТРАЦИИ [1]
6.2.1. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕrИСТРАЦИИ
При этом методе реrистраuии эиерrия излучения поrлощается и
преобразуется в тепло, которое затем вызывает измеиение температуры
в поr лотителе или изменение ero arperaTHoro состояния (табл. 6.2).
Повышение температуры измеряется:
непосредственно с помощью зависящих от температуры электриче-
с(шх свойств поrлотителя (например, изменения сопротивления, термо-
ЭДС, пироэлектрическоrо сиrнала);
косвенно с J10МОЩЬЮ чувствительноrо Э,lJемента датчика темпера-
туры (например, термисторов) в тепловом коитакте с поrлощающей
средой;
косвенно по изменению объема или давления (например, Жидкост-
ный калориметр, я']ейка rолея, акустооптический приемник).
Изменения состояния MorYT проявляться D виде изменения отно-
шения начальной и конечной масс компонентов, например, двухфазной
системы, СДИ8КО в практи({е реrистрации излу']ения этот метод вряд
ли найдет применение. ь качестве поrлотителя применяются как твер-
дые тела, так и жидкости и rазы.
Калориметрические методы измерения имеют то преимущество, что
они в значительной степени не зависят от длины волны и позволяют
проводить измерения без охлаждения датчика. Эти методы позволяют,
прежде Bcero, осуществить абсолютное определение энерrии излучения
и простую в принципе электрическую калибровку приемника.
Количество тепла /),Q вызывает повышение температуры /),Т в твер-
дотельном или жидкостном калориметрах с массой поrлотителя т или
увеличение объема /), V в жидкостном калориметре с плотностью поrло
тителя р соответственно:
/),Q Ср т/),Т рСр /),V / ,
(6.5)
rде С 1> удельная теплоемкость материала поr.10тителя при ПОСТОЯII
ном давлении; 13 объемный температурный коэффициент расширения.
Абсолютные значения энерrии и (при известном временном ходе)
также мощности измеряемоrо излучения получаются соrласно этому из
значений /),Т или/), V и величин Ср и т или С р , р и 13. Точность измере
ния энерrии, т. е. совпадсние /),Q с измеряемой энерrией излучения, за
висит от Toro, как хорошо устраняются потери тепла (обусловленные
отражением, теплопроводностью, переизлучением и конвекцией) и KOH
тролируются зависящие от температуры свойства калориметра (напри-
мер, удельная теплоемкость С р ).
6.2.2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РErИСТРАЦИИ
3',и методы основаны на непосредственном преобразовании излуче-
ния в электрический сиrнал, который измеряется при внешнем фотоэф-
фекте в виде фототока и при внутреннем фотоэффекте в виде фотопро-
водимости или фотоЭДС.
Применяемые фотоприемники являются квантовьiми полупровод
I:IИКОВЫМИ детекторами с высокой, ио спектрально селективной чувстви-
тельностью.
К фотоэлектрическим методам в широком смысле относится реrист-
рация УФ- и BaKYYMHoro УФ-излучений или непосредственно путем фо-
тоионизации rазов, или косвенно путем преобразования в длинновол-
IIОВУЮ спектральную область с помощью флуоресцирующих веществ
(салицилa'l натрия и др.).
Методом увелнчения фотонами (Photon drag rnethod) измеряет-
ся в виде фотоэлектрическоrо сиrнала rрадиент напряжения, который
возникает, например, в p или n леrированном rерманни блаrодаря то-
му, что проникающие при кратковременном облучении в материал фото-
ны отдают свой импульс свободным носителям зарядов, вызывая их
смещение.
6.2.3. ФОТОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РErИСТРАЦИИ
При этих методах используют инициирование определенных хими-
ческих реакций при воздействии лазерноrо излучеиия. При этом коли-
чество (например, при фотолизе нли фотосинтезе) возникающих про-
дуктов реакции служит в качестве однозначной меры дозы облучения,
т. е. произведения энерrетической освещенности на время облучения.
«ПриемнИ!ш» являются твердыми, жидкими и rазообразными веще-
Т а б .n и ц а 6.2. Методы реrистрации излучения
Методы и измерительная теХНИка
Свойства. преИмущеСТВенное примеиение
Приемники излучения и выделение
cиrнала
Калориметрический
Преобразование энерrии излучения в
хепловую, измеряется повышение
rrемпературы:
непосредственно путем использо-
вания энерrетических свойств по-
rлотителя, зависящих от темпе-
ратуры
косвенно с помощью термометри-
ческоrо чувствительноrо элемен-
та в тепловом контакте с поrло-
тителем
косвенно за счет изменения объ-
ема или давления
Тепловые и пироэлектрические
приемники, сверхпроводяший
болометр, измерение тока или
напряжения
Твердотельные и жидкостные ка-
лориметры в сочетании с термо-
электрическими датчиками, из-
мерение тока или напряжения
Ячейка rолея, оптоакустический
приемник, оптическое или элею'.
рическое измерение отклонения
мембраны
Сп ектрально-неселективные, измерение
непрерывноrо и импульсноrо излуче-
иия от Уф- до дальней ИК-области
спектра, работа при комнатной темпе-
ратуре или (сверхпроводящий боло-
метр) при температуре 1,5 20 К, ча-
стично с электрической калибровкой
Спектрально-неселективные, измерение
больших энерrий излучения, большие
постоянные времени, работа при (юм-
натной температуре, с электрической
калибровкой
аlирокая полоса частот (в зависимости
от наполняющеrо rаза), высокая лу-
чевая наrрузка, работа при комнатиой
температуре. измерение непрерывноrо
и импульсноrо излучений
<Ротоэлектрический
Образование свободиых носителей за.
ряда (фотоэлектроны, электронно-
дырочные пары) при 1I0rлощении
излучения (фотонов):
при внешнем фотоэффекте (фо-
хоэмиссия)
Вакуумные
приемники:
фотоэлектрические
при внутреннем фотоэффекте
(фотопроводимость, фотоЭДС)
ФЭУ, измере- Спектральио-селективные, высокая чув
ствительность, малые постоянные вре-
мени, работа при комнатной темпера
туре, калибровка с помошью оптичес-
Koro стандарта, измерение непрерыв-
Horo и импульсноrо излучений от Уф
до ближней И1<-области спектра
фотоэлементы,
иие тока
электронно-оптические преоб-
разователи и усилители ярко-
сти изображения, фотоrрафи
ческа я реrистраuия изображе
ния на экране или реrистра
uия изображения при MHoro
канальном анализе (ОМА),
усиление с помощью микро
канальных пластин (МПК)
Твердотельные фотоприемники:
фотодиоды, фотоэлементы,
фотосопротивления, измере-
ние тока или напряжения,
усиление тока в лавинных фо-
тодиодах
Фотодиодные лииейные и ДBYMep
ные матрицы, измерение тока
или напряжения
Обнаружение и усиление изображения,
спектрально селективное, работа при
комнатной температуре. измерения с
высоким времеиным разрешением с по-
мощью электронно оптическоrо затво
ра (gate) или щелевой развертки
(streak) ,
Спектрально-селективные, от УФ- дО
дальней ИК области спектра, работа
при комнатиой температуре, в И1< диа-
пазоне охлаждение детектора до 77
4 1<, высокая чувствительность, отчас-
ти малые постоянные времени, калиб-
ровка с помощью оптическоrо CTaH
дарта, измерение HenpepbIBHoro и им-
пульсноrо излучений
Реrистраuия изображения от Уф- до
ИК области спектра (оптическиЙ мно-
rоканальный анализ), при случае ox
лаждение на основе эффекта Пельтье
п родолженuе табл. 6.2
Методы и измерительная техника
Свойства. пренмущественное прнмеиеиие
Приемиики излучеиия и выделение
сиrнала
на основе эффекта увлечения фо-
тонами (передача импульсов
свободным носителям заряда в
кристалле)
Передающие телевизиониые труб-
ки Типа видикон (Si-мультиди
одная мишень и др.), измерение
тока или напряжения (видео
сиrна.n)
Gе-детектор увлечения фотонами,
измерение напряжения
Спектрально селективный, работа при
комнатной температуре, измерение
больших энерrий импульса в проходя
щем свете
Фотохимический
Фотолиз, фотосинтез вследствие воз-
действия излучения, количествен
ное определение фотохимических
продуктов реакции:
фотолиз солей серебра
Фотоrрафическая эмульсия, денси
тометрическое определение оп
тическоrо почернения
Реrистрация изображения. спектрально
селективный, интеrральное по времени
измерени€, при комнатной температу-
ре, малый динамический диапазон
При м е ч а н п е. Использование неДlIнейных ОП'l'ических эффеJ<ТОВ (методы НЛО) см. табл. 6.3.
ствами с определенной массой и плотностью, которые действуют как
интеrрируюшие по времени квантовые детекторы, а при реrистрации
измеияются в большинстве случаев необратимым образом.
Наиболее известным фотохимическим методом является фотоrра
фическая реrистрация путем фотолиза солей серебра (AgBr, AgC1, AgI),
которые дисперrированы (размер зерен равен примерно 1 мкм) В фо
тоrрафической эмульсия. Динамический диапазон фотоrрафической ре-
rистрации незначителен, кривая почернения (рис. 6.2) представляется
Рис. 6.2. Характеристическая кри-
вая:
РО падающая МОЩНОСТЬ излучения;
р tr проходящая МОЩНОСТЬ излучения
"(,2
"-
--..:.
""
11
":> O
3
2 1 О
19 (E.t)
линейной с постоянным наклоном "== 1 при изменении экспозиции Et не
более двух порядков, т. е. при этом имеет место линейная связь с фо-
тоrрафической оптической плотностью S pg.
Даже в пределах линейной области характеристической кривой
имеются отклонения от закона взаимозаместимости. Не безразлично,
.:""дается ли экспозиция Et высокой энерrетической освещенностью за
малые времена или за счет низких энерrетических освещенностей в те-
чение большоrо промежутка времени.
6.2.4. НЕЛИНЕйНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
(НЛО ЭФФЕI(ТЫ)
Эти эффекты используются в специальных методах измерений для
определения длительности ультракоротких импульсов лазерноrо излуче
Ния. Эти измерения осуществляются следуlOШИМ образом:
исследуемое излучеиие расщеплиется и направляется таким обра-
зом, что два частичиых лазерных пучка накладываются в оптически не-
линейиой среде и в ней возбуждается двух фотонная флуоресценция или
rенерируется вторая rармоника;
исследуемый импульс излучения используется как зондируюший
для определения реакции оптически нелинейной среды на возбуR(дение
аналоrичным интенсивным импульсом излучения; действие TaKoro быст-
poro переключателя может быть основано, например, на оптическом
эффекте Керра или на наСЫщающемся поrлошении.
Отдельные методы (табл. 6.3) различаются тем, что информация
может получаться из одноrо импульса или накапливаться в оптическом
стробоскопическом методе из мноrих импульсов (с помощью ступен-
чато задержанных относительно друr друrа повторяющихся импуль-
сов), или тем, что отдеЛьные пучки MorYT направляться коллинеарно
или неколлинеарно, или тем, появляется ли или нет паразитный сиrиал,
sатрудняlOЩИЙ расшифровку результатов измерений.
Достиrаемое временное разрешение определяется прежде Bcero (ме-
Т а б л и ц а 6.3. Возможности определения длительиости ультракоротких Jlазериых импульсов
на основе эффектов нелинеинои оптики
НеЛlilНеilное
взаимодействие
Типичное применение
Измернтельная техника
Характерные признакИ
Двухфотонная флуо-
ресценция (TPF) в
жидкостях
Наложение ДВУХ распространяющих-
ся навстречу друr друrу разделен
ных пучков в кювете с жидкостью.
фотоrрафическая или фотоэлект-
рическая реrистрация пространст
BeHHoro распределения интенсив
ности излучения флуоресценции
Одно импульсная
ка с фоном
техни- I
Измереиия с твердотелъ
ными импульсными
лазерами, например с
родамином 6G, в каче-
стве НЛО среды для
л. 1,06 мкм и л.
O,694 мкм
fенерация ВТОрОЙ
rармоники (rBf) в
кристаллах
Наложение двух оптически задер-
жанных по отношению друr к дру-
ry:
коллинеарных разделеиных пуч
ков с одинаковым направлением
поляризации (fBf первоro типа)
коллинеариых, перпендикулярно
друr друrу поляризованных пуч
ков (fBf BToporo типа)
неколлинеарных частичных пуч-
ков с одинаковым направлением
поляризации (rенерация суммар-
ной частоты)
Фотоэлектрическое измереиие энер
rии импульса
l\1ноrоимпульсная
ника:
с фоном
без фона
тех-
Измерения излучения
непрерывных лазеров
На красителях с само-
синхронизацией мод.
например. с помощью
кристаллов LiIО з и
KDP
'Оптнческий эффект
Керра в жидкостях
(оптический За-
твор)
Наложение интенснвноrо возбу);{Да
юшеrо (<<переключаюшеro») импуль
са с задержанным во времени и<'ме-
рительным импульсом. ячейка Керра
расположена между скрещенными
поляризаторами, фотоэлектрическое
измерение энерrии импульса
Мноrоимпульсная Tex
ника или одноимпульс-
ная реrистрация при
скрещенном ходе раз-
деленных пучков, без
фона
Твердотельный импульс-
ный лазер или непре
РЫВНЫЙ лазер на кра-
сителе с самосинхро-
низацией мод, напри
мер, с CS 2 в качестве
среды, обладающей
эффектом Керра
При м е " а н и е. В отдельных случаях используют эФФекты НЛО более ВЫсокоrо, чем второй, порядка, например, reHepa-
ЦИЮ третьей и qетвертой rармоник или возбуждение трехфотонной люминесценции.
Параметр
т а б л и ц а 6.4. Свойства тепловых прием ников и детекторов кваитов
Тепловые Прl МНИКИ
Детекторы кВантов
Чувствительность реrистра-
ции (интеrральная)
Временные характеристики
Обнаружительная способ
ность
Спектральная чувствитель
ность
Рабочая температура
Калибровка
Преимущественное примене
ние
Ннзкая
Очень большая (обнаружение несколь-
ких фотонов в секунду)
Очень маленькне постоянные времени
(до 1O 12 с)
Большие постоянные времени (от не-
скольких минут до нескольких микросе-
кунд, НИЖе в исключительных случаях)
Близко к теоретическому пределу (зависит от УСЛОВИЙ эксплуатации и измерения)
Широкая полоса частот, почти посто-
янная от УФ др дальней ИК-области
спектра
Комнатная температура, охлаждения
не требуется
Не зависит от оптических стандартов
излучения, электрическая калибровка
Реrистрация излучения в ИК и даль-
нем ИК-диапазонах, измерение высоких
энерrий в импульсе
Узкая полоса частот, длинноволновая
rраница зависит от структуры энерrети-
ческих зон материала детектора
Отчасти комнатная температура, для
измерения в ИК-диапазоне требуется
охлаждение от 77 до 1.5 К
Зависит от оптических стандартов из-
лучения
Измерения с ВЫСОКИМ временным раз-
решением и высокоЙ чувствительностью
от УФ. дО дальнеrо ИК диапазона
ханически устанавливаемой) оптической задержкой (30 MKM O,1 пс)
илн временем отклика оптически нелинейной среды (например, время
релаксации оптическоrо эффекта Керра в CS 2 составляет 2 пс).
Обработка результатов измерения крайне усложняется, если речь
идет не о простых формах импульсов, а о сложных по структуре им-
пульсах или rруппе импульсов.
6.3. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИЕМ НИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Тепловые приемники (табл. 6.4) имеют то преимушество, что они
резrируют независимо от длины волны измеряемоrо излучения только
иа энерrетическую освещенность. Их спектральная чувствительность оп-
ределяется свойствами поrлотнтеля и может сохраняться почти посто-
янной от Уф- до дальнеrо ИК диапазона длин волн. Эти приемники
не требуют охлаждения (исключение составляет сверхпроводящий бо-
лометр). ПО сравнению с квантовыми детекторами они имеют, в об-
щем, БОJ1ьшие постоянные времени и сушественно более низкую чувст-
вительность. Квантовые приемники (табл. 6.4) реаrируют на фотоны из-
меряемоrо излучения со спектральио-селектнвной чувствительностью,
ход которой и длинноволновая rраница определяются электронными
энерrетическими состояниями ма'Iериала детектора. Эти приемники из-
лучения характеризуются ВЫСОКОй предельной чувствительностью и ма-
лыми постоянными времени, однако при применении в ИК диапазоне
они должны охлаждаться (77 К в среднем, 4 К в дальнем ИК диапа-
зонах) для подавления тепловоrо возбуждения НОсителей зарядов.
Чувствительность
8==
Чувствительность обнаружения 8 приемннка
сw или эффективное значение сиrнала при емника
cw или эффективное значение падающей мощности излучения
(6.6)
s измеряется в А/Вт или В/Вт.
ВремеИНЬlе соотношения
Если измеряемая мощность излучения Р промодулирована во вре-
меии [P""P(t)], то временные характеристики приемника в общем слу-
чае можно представить с помощью RС цепи, а зависимость ero чувст-
вительности S от частоты модуляции выражается с помощью частот
ной характеристики:
1
8 (f) == 80
V 1 + (21tf't)
fде 80 чувствительность для постоянноrо света.
Постоянная времени 't""R8 является мерой инерционности, с КОТО-
рой приемник следует периодическим изменениям мощности излучения.
С помощью постоянной временн определяют rраничную частоту fg, при
которой полученный сиrнал спадает до 1/-{"2 от ЗНачения для посто'
(6.7)
яниОЙ мощности:
fg == 1/(2т),
т == RC.
(6.8)
При реrистрации отдельных ИМПУЛЬСОВ излучения временные ха-
рактеристики приемника определяются временем нарастания Ta 2,2 Т.
Та время, в течение KOToporo сиrнал u S нарастает от 1 О до 90 % CBoero
максимальиоrо значения, если приеМНИК освещается оптическим сиrна.
ЛОМ, описываемым функцией скачка Ри) o для t<O, P(t) 1 для
t;;;:.O, т. е. импульсом включения с бесконечно крутым фронтом (рис.
6.3):
fg Та 0,35,
Та == 2,2RC.
(6.9)
1,0
Us(t)
Рис. 6.3. Время нарастання сиrна-
ла Та, снимаемоrо с приемника из-
лучения
q:
ClJ
:ё
10-
о:: О, 5
Q."
о
t(s)
Постояиная времени Т приемника содержит две величины: посто-
янную времени первичноrо процесса реrистрации и постоянную време-
"" формирования сиrнала.
Шумы
Минимально обнаруживаемая энерrия излучения определяется ста.
тистическими флуктуациями, которые возникают в собствеино измеряе-
мом излучении и в излучении фона, а также при их преобразовании
в электрический сиrнал и при усилении. Эти статистические флуктуации
называются шумами и обусловлены тепловыми флуктуациями, а также
квантовой природой излучении и ero взаимодействием с BerцeCTBOM.
Различиые составляющие шума, которые следует учитывать при
реrистрации излучеlШЯ (рис. 6.4), вызывают статистические флуктуа-
ции в ВЫХОДНОМ сиrнале детектора. На ток сиrнала i s накладывается
составляющая шума i R , и каждое измерение характеризуется опреде-
ленным отношением сиrнал/шум SNR (signa1 noise ratio):
2
Мощность сиrиала N s is
SNR== == (6.10)
Мощность шума N R
rде чертой обозначеио усреднение по времени.
Отдельное измерение дает разумные результаты только для
SNR;;;:'l, н тем точнее, чем БОЛЬШе отношение N s/N R'
Случай SN R 1 соответствует пороrу обнаружения приемника. Из-
меренный сиrнал шумовоro наПР lжения UR i RRa 118 (В шири-
на полосы частот реrистрируюшеrо устройства) рассматривается так,
как будто бы этот сиrнал получается соrласНО соответствующей ЧУВСТ-
Вительности приемника S в результате воздействия определенной мощ-
НОСТИ излучения, заданной на входе приемника. Эта эквивалентная
МОЩНОСТЬ шума (ЭМШ) (поisе equiva1ent power NEP) характеризует
минимальную энерrию нзлучения, которая может быть измерена прием-
ником за время измерения t:
NEP == uR/(SVB).
(6.11)
2
4-
5 8
7
8
Рис, 6.4. Шумовые состаВЛЯЮЩие при фотоэлектрической реrистрации
пзлучения:
1 измеряемое ИЗлуqение; 2 фотоэлектриqескнlI эффект; 3 усиление тока: 4
взаимодействие с измерительиой цепью; 5 фотонный шум. паразитная засветка,
фоновый шум: 6 шум тeMHoBoro тока; рекомбинациониЫii шум: 7 шум усили-
ТеЛЯ (напрнмер, шум вторичиоil эмиссии): 8 Коитактиые шумы, тепловые шумы
NEP (измеренное в ВтjI"цl/2) зависит от длины волны измеряемо-
ro излучения 11 ширины полосы ча::тот В при обработке сиrнала, а так-
же от рабочей температуры Т Е приемника, от ero поля зрения (уrловой
апертуры) и поверхности приемника А, а также от температуры ОКРУ-
жающей среды Т Н и при данных УСЛОВИЯХ оТ частоты модуляции f
измеряемоrо излучения.
Удельная обнаружительная способность
D* == VA/NEP
(6.12)
приемника (см. fц l l2. BT I) характеризует ВОЗМОЖНОСТЬ приемника для
обнаружения и реrистрации предельно малых сиrналов. При этом по-
средством величины УА учитывается, '11'0 среднее квадратичное на-
2
пряжение шума и R У мноrих приемников пропорционально плошади
чувствительной площадки фотоприемника.
Величины D* и N ЕР требуют дополнительных данных об условиях
измерения (цветовой температуре Т F И частоте модуляции f измеряемо-
ro излучения, ширине полосы частот В реrистрирующеrо устройства),
а также параметров приемника (поле зрения, рабочая температура Т Е)'
ДЛЯ отношения сиrнал/шум при определенной мощности измеряе-
Moro излучения Р М справедливо соотношение
SNR == Р М D* 'У АВ .
(6,13)
10 8
3
1O 10
....
D:I
10 12
1
. I
В== 1 мrц
А == 1O 't см 2
4-
10 1't
011
1
10
lI,мкм
РИС. 6.5. Пределы чувствительностн по даиным [2):
J непосредствеииое фотоэлектрическое обнаруженне оптическоrо излучеиия; 2
идеальный полупроводииковый фотопрнемник (300 К, 2п); :з измеренне излуче-
ИИЯ с помощью тепловых приеМНИКОD (300 К. 2п); 4 нзмереиие излучения с по-
мощью оптическоrо rетеродинирования
Пределы чувствительности реrистрации (2)
Исходя из NEP, можно вычислить пределы чувствительности реrи-
страции, которые определяются только фотонным шумом измеряемою
излучения и тепловым излучением фона (рис. 6.5).
Непосредственная фотоэлектрическая
реrистрация
SNR. I получается предел чувствительности реrистрации
ИЗ
Р Mmin О
P Mmin == NEP == 2hvВ/ч.
Квантовый выход
Число эммнтированных в секунду фотоэлектронов
'1]==
Число падающих в секунду фотонов
Современные фотоэлектронные умножители с длинноволновой rpa-
ницей чувствительиости в видимом и ближнем ИК-диапазонах имеют
очень близкие пределы чувствительности к Р lv\min .
Идеальные фотоприемники
Для этих приемников NEP в У2 раза ниже, причем минимальный
предел чувствнтельности (NEP"",3.10 lO Вт) имеет место в области
вблизи А=- 10 мкм.
Пределы чувствительности тепловых приемников
Спектрально-широкополосные тепловые детекторы по своей пре-
дельной чувствительности еще сильнее оrраничены тепловым фОНОВЫМ
излучением.
На практике влияние излучения в тепловых и фотоэлектрических
приемниках ИК-диапазона снижается блаrодаря тому, что уменьшается
их поле зрения и спектральная полоса пропускания сужается (напри-
мер, С помощью фильтров) до диапазона длин волн измеряемоrо излу-
чения.
(6,14)
Оптический rетеродинный прием
Для определенных задач измерений (например, в оптической систе-
ме передачи информации) применяются rомодинные и rетеродииные
методы детектирования шнрокополосноrо модулированноro по интен
сивности KorepeHTHoro излучения. При этом волна измеряемоrо излуче
иия смеIllивается с излучением лазерноrо rетеродина на ЧУВСТDительиой
площадке фотодетеlпора таким образом, '11'0 может быть измерена
разностная частота в качестве промея(уточной (относится к диапазону
высоких частот).
Калибровка приемников
Приемники излучения должны быть прокалибровзны для получе
ния количественных результатов измерения. Калибровка означает оп-
ределение абсолютной чувствительности обнаружения или индикации
S детектора относительно определенных УСЛОВИЙ измерения, а именно:
длины волны 'л измеряемоrо излучения [спектральная чувствитель-
ность S ('Л)];
частоты модуляции f измеряемоrо нзлучения [частотная xapaKTe
ристика S т];
допустимой энерrетической освещенности (динамический диапазон,
область линейности отклика приемника ).
Результаты калибровки выдаются в качестве характеристики при-
емника и уточняются путем указания условий измерения и эксплуата-
ционных параметров.
Калибровка должна периоднчески повторяться, поскольку все де-
текторы подверrаются старению и при этом отчасти обратимым обра-
БОМ, однако в Болыllнствеe случаев необратимо изменяют свои свОйства.
Сама калибровка ПРОИСХОДИТ следующим образом:
непосредственно с помощью оптическоrо образuовоrо источника из
лучения (тепловые источ[{ики, т. е. абсолютно черное тело или серый
излучатель, спектральная энерrетическая сила света которых 1,." из-
вестна и соответствует законам излучения Стефана Больцмана
н Планка; лампы на парах металла для более короткцх длин волн);
косвенно путем сравнения с друrими калиброванными детекторами.
Ослабление излучения
Как для определения линейной области детекторов, так и для из
мерения мощности излучения, которая лежит BbIIlle предела лучевой
наrрузки приемника, необходимо определенное ослабление излучения.
Это осушествляеrся с помошью следующих методов:
поrлощения в приrодных для этоrо оптических средах, которые ни
флуоресцируют, ни «переключаются» (которые по отношению к ПЛОТ
ности падаюшеrо потока фотонов не имеют нелинейности);
френелевскоrо отражения от rраницы раздела на соответствуюших
делителях пучка (рис. 6.6), т. е. на ТОНlШХ сте[{лянных или кварцевых
пластинках в УФ- и видимом спектральных диапазонах, на тонких rep-
маниевых пластинках в ИК-диапазоне длин волн;
использования закона обратных квадратов после диффузноrо от-
ражения на рассеивающих поверхностях (например, из BaSO. или
MgO);
частичноrо выделения излучения после рассеяния в шаре Уль-
брихта.
Преимущество последних трех методов состоит в том, что коэффи-
циент ослабления зависит только от rеометрических величин (уrол па-
дения, расстояние, апертуриое поле) и С помошью эти_х величин мож-
но варьировать и достаточно точно устанавливать коэффициент ОСЛаб
ления измеряемоrо излучения.
Рис. б.6. Ослабление излучениЯ
с помощью отражения от rpa-
ницы раздела на тонкой стек-
лянной пластинке (п 1,5):
а перпенднкулярно поляризоваl!-
ный свет; 6 параллельно поляри-
зованный свет
1,0
.."
Е::
..,
0,8
'"
.., 0,6
O,
"-
'"
I::
a2
t:j ,
с:5
о 30 БО 90
!:Jаол паf}ения а, rрпд
6.4. ПРИЕМНИКИ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕПРЕРывноrо И ИМПУЛЬСНоrо ИЗЛУЧЕНИЯ
6.4.1. ТЕПЛОВЫЕ И ИК.ФОТОПРИЕМНИКИ
Чувствительность обнаружения тепловых и ИК-фотоприемииков
определяется через обнаружительную способность DЧл) (рис. б.7).
Тепловые приемники (табл. 6.5) выдают электрический сиrнал:
пропорциональный разности теМП рi:lТУР АТ в виде электрическоrо
напряжения, обусловлеиноrо термоЭДС при иаrреве места ЩIИ мест
соединений двух различных металлов или полупроводников (термоэле-
мент), в виде изменения сопротивления металла (болометр), в виде
изменения сопротивления полупроводника (термистор);
пропорциональный rрадиенту температуры dT /dx в виде электри-
ческоrо иапряжения, обусловленноrо термомаrиитной силой, перпенди-
КУЛЯРНОЙ продольным rрадиентам температуры и поперечному маrнит-
ному полю (детектор Эттинrсrаузена Нерста);
ПРОПОРilиональный изменению температуры во времени dT /dt в ви-
де электрическоrо напряжения, обусловленноrо поверхностным заря-
дом, который индуцируется в пироэлектрическом материале ниже ero
точки Кюри за счет обусловленноrо температурой изменения поляриза-
ции (пироэлектрический детектор).
В калориметрах применяются тепловые приемники рля измереиия
повышения температуры поrЛО'fJ:lтеля (стеклянная пластина, конус 11з
металла зли rрафита), определяемоrо в большинстве случаев как раз--
Ность между температурами данноrо и идентичиоrо ему BToporo поrло-
1'Ителя, который находится при той же температуре окружающей сре-.
ДЫ, но не облучается лазерным излучением.
Тонкопроволочные калориметры (<<rнездо» в виде ловушки, конуса
ИЛи из параллельных проволочек) являются собственно болометры, у IЮ-
Т а б л и ц а 6.5. Тепловые приемники и калориметры
Спект- Макси
ральный Площадь Чувствнтель Постоян мальная
Приемник диапазои, приемни ность обнару- ная BpeMe плотность
мкм ка, мм 2 жения ни*l, МКС 9нерrllИ*2,
ДЖ/СМ.
Термоэлемент, тер- O,2 0.1 IOB 1()9*З 1()l
мостолбик, бо :> 100 1O Е> 104
по метр
Сверхпроводящий зо O,I )()Ц 101 * ",,1
болометр*4 9100 1O
Ячейка fолея <1 5 20 1()9 1()lO*3 104
100
Оптоакустический 2 >30 1 >IОЗ 1О 10*З :;,.10з !>1O
детектор
Пироэлектричес- O,l <1 107 1O9*3 , <:.; lО з <1
кий детектор*в >100 Е>1()З О, 1 МI<ДЖ* 1
Конический боло- <1 ",,80 200 1()З <1
метр из тонкой >20 мкДж*
проволоки
Калориметр с Me O,2 ",,10 ::>5 мкДж* <:.;106 <0,3
таллическим KO Е>20
нусом*в
Калориметр с твер- O,265 80 300 !;>100 ",,106 4 1O*
дотельным по- >2 мкДж*
rлотителсм
(стеклянная
пластина, . спе-
циальный MaTe
риал)*в
Калориметр с жид O,5 500 30мкВlдж* ::>3.10 50
костиым поrло- ::>3
тителем
.., Характеризует время установления сиrнала (время восстановлення между
двумя следующнми друс за друrом импульснымн засветками может быть во
Мносо раз больше).
*. Для импульса длительностью 20 не.
*' D*, см.rц J/2/ BT .
*. Рабочая температура 1,5 21 к-
*' Допустимая наrрузка для нмпульсной засветки пикосекундной длнтельно-
сти до 10" Вт/см 2 .
*. С электрическоll калнбровкой.
1013
1012 /
/
/6
/
/
/
1011
"
....
::r
L.. 1
i
*O 1010
3
109
1
10
100
.iI,мкм
Рис. 6.7. Обнаружительная способность D*(л) различных тепловых и
ИК фотоприемников:
1 идеальныll тепловой приемник (300 К); 2 пироэлектрическиll детектор (ТО5);
3 ячейка rолея (заштриховано: rермозлектрические приемники); 4 HgCdTe
( qo КJ: 5 HgCdTe (77 К. БО О ); 6 идеальный полупроводниковый Фотоприем-
НИК (300 К, 2:n); 7 Pb5 (195 К. I кrц); 8 In5b (195 К, 900 rц); 9 Oe: Zn
(4,2 К, 800 rц); 10 Ое: Cu (4,2 К. 900 rц. БО О ); 11 Ое: Au (б5 К, 900 rц);
12 51 (77 к)
торых металлическая нить одновремеиио служит в качестве поrлотите-
.ля измеряемоrо излучения.
В общем случае калориметры имеют сравнительно низкие чувстви-
тельности и большие постоянные времени. Но они отличаются большой
Стойкостью к облучению и поэтому особенно подходят для измерения
импульсов лазерноrо излучения с ВЫСОКОй энерrией или мощностью.
Пироэлектрический детектор с выСОКОй чувствительностью и малой
постоянной времени занимает особое положение среди тепловых прием-
ников. Пироэлектрнческий детектор состоит из тонкой пластинки. раз-
резанной перпендикулярио направлению поляризаuии материала и яв-
ляющийся непосредствеино поrлотителем. или изменение ее температу-
ры достиrается за счет поrлощения в слое, lIапыленном на одной стороне
Пластинки. Обнаружительная способность и частотная характерис-
ика пироэлектрическоrо детектора су[Цественно зависят от наrрузочно-
1'0 сопротивления Ra (рнс.6.8).
13 качестве материала для пироэлектрических приемников использу-
ютсп также кристаллы. как, напрнмер, турмалин, сульфат триrлицина
(T(jS) , таиталат лития или стронциево бариевый ниобат (SBN), поли-
Меры (как, например, поливинилфторид PVF 2 ) и различные керамики,
например. из свинцово-цирконатнаrо титана та.
Рис. 6.8. Пироэлектрический дe
тектор:
о схеМа (СО собственная емкость'
Са емкость измерительноrо контура:
Ra сопротивление наrрузкн); б ча-
стотная характеристика, по даиным [3].
СВет
1
2
.J
4
1
50п
10:1
....
со
'-
""
.,; 10
..,
!i1 10 1
I
10 3
$>
10 5
10 103 105 107
р) МоuуЛl1рующая частота, rц
Рис. 6.9. Si р i п-твердотель
ный фотодиод:
Ra сопротивление наrрузки; 1 ме-
таЛЛИческий контакт; 2 слой с про-
водимостыо р-типа; 3 область про-
страиствеllноrо заряда; 4 сЛой с
проводимостью n'типа
Посколы<у пироэлектрические детекторы обладают наряду с cer-
нетоэлектрическими также и пьезоэлектрическими свойствами, то на их
обнаружительную способность может оказывать влияние МИКРОфОННЫЙ
эффект. По истечении большоrо времени чувствительность должна BOC
станавливаться путем реполяризации применяемоrо материала.
ИК-фотоприемники (табл. 6.6) в большинстве случаев являются по
л}'проводниками с ЗОНОЙ р n-переХода вблизи поверхности (рис. 6.9).
В области этоrо р n.перехода поrлощенные фотоны с энерrией hv co
здают электронно-дырочные пары, которые разделяются под воздейст-
вием высоких внутренних напряженностей полей и создают в качест-
ве фотоэлеl<трическоrо сиrнала этих фотодиодов:
напряжение, вызваННОе фотоЭДС (детектор работает без прило-
женноrо напряжения);
снижение под влияНием фотопроводимости -на несколько порядков
BbJcoKoro TeMHoBoro сопротивлення диода (при напряжении, приложен-
ном в направлении запирания).
Т а б л и ц а 6.6. Фотоприемиики ИК диапазона
МатерИал детектора I
Тнп
детектора I
I Область I Рабочая темпера- I
спектра. мкм тура. К
Площадь прием
ника, мм 2
I Детектнрующая спо I Время устаиов
собиость. см. [ц 1/2/вт ления. ис
Р
G
Н
е FD, FE O,4 I,9 77; 295 0,01... >20 1 010 1 011 ::;..1
рhоtоп drag 1 20 295 1 1O 103 0,1
е:Аи FW <1 9 77 I 109 1010 } 1...>1O
е:Аи, Sb (p Typ) FW 1,5 9 77 1010
е:Аи, Sb (п Тур) FW <1 3,5 77 О,OJ 1 5. 1011
eHg FW 2 14 4; 28 <:2.1010
е:Си FW 1 29 4 6. 1010
Ge:Zn FW 2 З8 4 1,5.1010
i FD O,3 I,15 200 400 <О,1...>1QO 5.1O 1 .1O 14 <0,5... >503
FE 0,2 1,15 200 400 1...>100 5. 1O 13 1O 14 ::;..10...>103
AFD O,3 I,15 200 400 0,05 O,5 1O 1 3.1O 1 <0,5 4
InSb FE 1 5,6 77 <O,I 6 1010 1O11 100
FW 1 7 77; 295 0,05 5 108... > 1010 >100
PbS FW 0,5----4 77; 195; 295 0,01... >100 1010 8.1011 1O"
PbSe FW 1 6 77; 195; 295 0,06... >100 109 3.1O10 ::;..103
ЬSпТе РО, FE <5 12 77 <0,0I 6 \O9 4 .\010 20 103
aAISb FD 1 1,7 295 O,I 0,2 50 %4 <10
gCdTe" FW 1 5 77; 295 } }
FW 6 14 '77 0,025. .' >4 109. .. > 1011 ::;..50
FW 9 20 77
CdS FW O,4 O,9 295 <!1.. .>100 1014 ::;..10"
G
G
G
G
G
G
S
I FE фотоэлемент (фотодиод без напряженин смещения. фотовольтаический режим). FD фотоднод (на диод подается 06--
ратное напряжение. режим фотопроводимости). FW фотосопротивлеиие, AFD лавинный фотодиод.
. ЭМШ, Вт/ rц 1/2.
з Для KpaeBoro (edge on) исполнения <0.1 Ис.
· Квантовый выход 1] при обратном смещении 1 В.
5 Область .спектра D' зависит от состава Hgl X Cda;'f.e,
Фотодиоды характеризуются высоким квантовым выходом и воз-
можностью выбора при изrотоплении ширины их р n-перехода. Эти
фотодиоды применнмы (например, при оптическом rетеродинном прие
ме) для нзмерений при высоких частотах модуляции а;;'40 frц)_
Трудности вызывает усиление (из-за малой плошаДИ приемника) сла
боrо сиrнала (частично компенсируется с помощью предварительиоrо
интеrраJlьноrо усилителя), а недостатком является необходимость ох-
лаждения до 77 или 4 К для средней или дальней ИК-областей спектра.
Кремниевые фотодиоды занимают особое положен не среди TBepдo
тельных фотоприемников, поскольку нх спектральная чувствительность
простирается от ближнеrо ИК-диапазона через весь видимый до ближ
Hero УФ-диапазона. Кремниевые фотодиоды обладают выrодными своЙ-
ствами (спектральная характернстика, высокая обнаружительная спо
собность, малая постоянная времени и диапазон линеЙности, простира-
ющийся на более чем девять порядков), что связано с отработанной
технолоrией нзrотовления. Кремниевые фотодиоды в так называемОМ
краевом исполнении, у которых облучение происходит не через слоЙ
леrирующей примеси, а сбоку непосредственно в р n-переход, чувстви-
TeJlblrbJ до длнн волн 1.",,0,25 мкм и имеют времена нарастания Та<
<100 пс.
Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением фотоэлек-
трическоrо сиrнала в несколько сот раз, так как возникающие вначале
носители заряда ПОД действием приложенноrо в иаправлении запира-
ния напряжения ускоряются и образуют за счет ударной ионизации
друrие электронно-дырочные пары. Поскольку усиление и темновой ток
зависят от напряжения смещения, то в большинстве случаев становится
проблематичным стабильный режим работы лавинных фотодиодов
с большим динамическим диапазоном.
Фототранзисторы подобны обычным плоскостным транзисторам, но
имеют прозрачное к свету «окно». Возникающий при освещении в зоне
базы пространственный заряд приводит к усиленной эмиссии из эмит-
тера и тем самым к усилению фотоэлектрическоrо сиrнала в 50 100 раз;
постоянная времени у фототранзисторов лежит в диапазоне 10 6 с.
Фоторезисторы, преимущественно в форме тонких слоев, имеют вы-
сокую чувствитеJIЬНОСТЬ в видимом, в ближнем и среднем ИК-диапазо-
нах, но существенно более высокие постоянные времени по сравнению
с полупроводниковыми приемниками с р n-переходом. Фоторезисторы
прежде Bcero применяются для постоянноrо и для медленно изменяю-
щеrося во времени излучения.
6.4.2. ДЕТЕКТОРЫ С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Эти детекторы представляют собой вакуумные трубки, которые име-
ют на внутренней стороне оптнчески прозрачноrо окна (стекло, кварц.
сапфир, LiF и др.) или на массивном металлическом электроде тонкий
слой полупроводниковоrо материала в качестве прозрачноrо или непро-
зрачноrо фотокатода. Спектральная чувствительность фотокатодов
5(л) выражается в А/Вт (рис. 6.10).
Фотокатоды (табл. 6.7) [5, 6]. К уже классическим сурьмино-цезне-
вому (5l1) и кислородно-цезиевому на серебряной подложке (51) фо-
токатодам в последнее время добавлены новые, высокоэффективные
фотоэмиттеры: мноrощелочной фотокатод с повышенной чувствитель-
ностью в ближней ИК-области спектра (ERMA extended red тиltiаl-
kaIi) и прежде Bcero катоды на основе соединения АщВ v (например,
Т а б л и ц а 6.7. Фотокатоды
Материал эмиттера I
Материал окна
Тип катода' I
Обозначеиие
Л шах ' мкм
Л . мкм
Термоэлектрониаи
эмиссия. А/см-.
Ag O Cs Стекло, кварц D, А S 1 0,8 1,2 <10-----1
Bj Ag O Cs Стекло D SlO 0,45 0,75 "'" 1O 14
Sb Cs Стекло, кварц А S 4, S 5 0,40 0,66 "'" 1O 1
Sb Cs Стекло D S 11 0,44 0,66 "'" 1O 1"
Cs Те Кварц, LiF D 0,25 0,355 <5.1O 16
CsI LiF D 0,16 0,22 <5.1O 16
Sb K Cs Стекло, кварц D,A Двухщелочной 0,40 0,67 <]1O 16
Sb Na K Cs То же D,A S 20, трехще- 0,40 0,85 "'" lO t
Sb Na' K Cs лочной
Стекло D S 25; ЕРМА 11 0,53 0,88 1O 1:!
ЕРМА III 0,575 0,92 <!10-----!:!
CaAs УФ-стекло А 0,85 0,93 <]10-----13
GaAsP Сапфир А 0,20 0,70 "'" 10-----14
УФ-стекло А Тип 1 0,40 0,98 <з1О 13 1O 14
Тип II 0,40 1,03 lО lз 1O 14
Тип III 0,40 1,10 1 0 13 1 0-----14
InGaAsP Сапфир А 0,30 1,15 5.1Q------1
I А катод, работающий на отражение; D полупрозрачный Фотокатод.
- Соответствует 1 % максимума.
· При температуре 295 1<.
GaAs) с сильно ПОниженной за счет Cs или Cs 2 0-адсорбата работой
выхода (NEA negative electron affinity), выrодные свойства которых
получаются, правда, с более высокими затратами на изrотовление та-
Них фотокатодов.
Все фотоэмиттеры обладают также током термоэлектронНОй эмис-
сии ith, зависящим от площади катода и температуры. который про-
является в виде TeMHoBoro тока i D приемника.
Фотоэлементы (табл. 6.8, рис. 6.11) или вакуумные фотодиоды.
Фотодиоды имеют только фотокатод и расположенный против Hero на-
100
10
....
са
"
ос:(
х
t.;)
1
0,2
0,*
0,6
0,8
)t, мкм
Рис. 6.10. Фотоэлектрическая чувствительность S(л) различных фото-
катодов:
J Cs Te (окно из LiF); 2 Ag O Cs(5 1); 3 Вi Ag O Cs (5 10); 4
Sb Cs (5 11); 5. 5Ь К: Nз Сs (5 20); б 5Ь I< Сs; 7 ERIvlA 111; 8
GзАs; 9 InG3As 1; 10 InGaAs 111
i f
Рис, 6.В, Фотоэлемент (а) и вольт-амперная характеристика (6)
и А
Т а б л и ц а 6.8. Фотоэлементы и фотоэлектронные умножители
"", "'''' CU "''''
;:a о'" '" "''''
O '" '" ЭМШ. Максимальиы/!
CU ",:1:"
Детектор gi!J u <:",Ф <: Вт/rц\/2 :I: анодны/! ток, А
<:'" . D '"
r:: ""'" ::f u
1::" ;>., I:Q ""...
Иsмерительный ;;;.\ } 10 . >\0 "по .'
фотоэлемент IO ' \ >52; 3
Бипланарный ...0,5 ;;;'0.1
Фотоэлемеит
Обычные ФЭУ ...\ 4 16 \05 \08 ] >\0 ";lo ,l
Быстродейству >0.2 4 14 10. \C8 IO .. >0.1 0.05 >\2; 5
ющие ФЭУ
ЕХН-фотоумно 0,2 4 6 От \0. до 1O 1O' >0.\ o,05 o,\2
жители >\0. O,02 >12; 3
ФЭУ с МКП O,2 O,5 1 2 \0. \07 >0.5
I Для lIепрерывноrо режима.
· Для импульсноrо режима.
· В зависимосТII от площадн катода или МКП.
· Для Аg О Сs-катода больше в 10' раз.
· Для сильноточных ФЭУ (типа ЭЛУ) до более 5 А.
ходящийся под положительным потенциалом анод, который собирает
эмиттированные фотоэлектроны, так что во внешней сиrнальной цепи
измеряется фототок if. Анодное напряжение и А должно быть таким
БОЛnШЕМ, чтобы работа фотоэлемента происходила в области насыще
ния ero вольт амперной характеристики if f(и д), т. е. чтобы все
эмиттированные электроны отсасывались и не образовалась область про.
cTpaHcTBeHHoro заряда, которая препятствует эмиссии последующих но-
сителей заряда из фотокатода или их попаданию н'а анод. Количество
эмиттированных фотоэлектронов зависит от rеометрии катода и анода
и определяет максимальное значение ij, которое может быть измерено
в линейном режиме без оrраничения пространственным зарядом. Для
реrистрации непрерывноrо излучения значение i f составляет максималь-
но 10 5 AjCM 2 , а требуемые значення для Ид ДОстиrают 50 100 В.
Короткие импульсы .лазерноrо излучения измеряются с помощью
коаксиальных фотоэлементов [7] (рис. 6.12), с которых при напряже-
ниях на аноде u А несколько киловольт снимают импульсы фототока до
нескольких ампер на квадратныЙ сантиметр без разрушения катода.
Приемник излучения имеет круrJIЫЙ непрозрачный катод и параллельно
ему расположенный анод, выполненный в виде сетки. Это устройство
образует вход коаксиальной линии передачи, которая соединена или He
посредственно с отклоняющей системой электронно лучевой трубки ос-
циллоrрафа (без усилителя), работающеrо в реальном масштабе вре-
мени, с широкой полосой пропускания В, или со входом стробоскопиче
cKoro осциллоrрафа.
Фотоэлектронные умиожители (ФЭУ). ФЭУ (табл. 6.8, рис. 6.13)
имеют между фотокатодом и анодом систему следующих друr за дру-
rOM динодов, на которых постепенно примерно на 100 400 В нарастает
напряжение. ФЭУ позволяют получить быстрое и с низким уровнем
шума усиление блаrодаря тому, что электрон выбивает 3 5 вторичных
электронов, которые со своей стороны обусловливают эмиссию вторич
ных электронов на последующих динодах, и т. д. С помощью ФЭУ
с 10 16 каскадами умножения достиrается усиление от 104 до боль-
ше чем 108. Временное разрешение ФЭУ определяется прежде Bcero
разбросом времени пролета электронов, который испытывают фотоэлек-
троны и вторичные электроны на своем пути к аноду. Оптимизирован-
ные ФЭУ обычной конструкции (диноды отражательноro типа) имеют
времена нарастания Та неск.QЛЬКО 10 9 с.
2
J
СВет
1 и/( u(t)
1
Рис. 6.12. Коаксиальный фотоэлемеит:
I окно; 2 аиод; 3 катоД, работающий на отражеиие; d расстояние между
анодом н катодом
СВет
1 2 J
4,
1 2 а
4-
ЦФЭ!/
Рис. 6.13. Фотоэлектронный умножитель:
1 ПOJ1упрозрачныi! фотокатод; 2 фокусирующий электрод; 3 система дино.
дов; 4 ано.!!
Быстродействующие ФЭУ (рис. 6.14). В динамическом электронном
умножителе со скрещенНЫМИ полями (ЕХН ФЭУ) [8] используется
комбинация действующих перпеНДИЕУЛЯРНО друr друrу электрическоrо
поля Е и маrнитноrо поля Н, блаrодаря чему электроны от одноrо OT
ражательноrо динода всеrда снова фокусируются на друrом ДИНоде.
Времена нарастания составляют т.;;;;.120 пс.
1
3"
4- 3
1 (j 8
Рис. 6.14. Быстродействующие фотоэлектронные умножители:
а ЕхН ФЭУ; б сильиото<шые ФЭУ ЭЛУ; в ФЭУ с МКЛ; 1 окно; 2
маrиИтное поле: 3 анод; 4 система дннодов; 5 катод, работающий на от-
r--::': I.C:Iii1t; б полупрозрачный катод; "1....... ФОКУСИРУЮЩИЙ электрод; в микрока
Нальная пластина (МК:П)
Сильноточные нмпульсные ФЭУ обеспечивают по сравнению с дру-
rими фотоэлектронными умножителями в 102 103 раз более высокие
токи (1 10 А) в импульсе на выходе блаrодаря тому, что усилеине
происходит в нескольких параллельно расположенных системах дино-
дов. В этих приборах времена нарастания достиrают т а ::(1 НС, И коак-
сиальные фотоэлементы MorYT подключаться к нечувствительным вы-
сокоскоростным осциллоrpафам с широкой полосой пропускания.
Новое поколение фотоумножителей связано с переходом от отра-
жательных к пропускающим динодам. Более ранние подходы с ТОН-
кими пористыми слоями из КС! (0",,50 на ступень с помощью вторич-
ных электронов внутри пор каналыюrо типа) были заменены на фото-
умножители с микроканалыIмии п.1астинами (МКП). Микроканальная
пластина [9] (МСР тiсrо сhаnпеl plate) состоит из большоrо числа
ПЛОТНО расположенных друr около друrа стеКЛЯIIНЫХ трубочек диамет-
ром 12 40 мкм и ДЛИНОЙ 1 2 мм, внутренние стенки которых имеют
высокий выход вторичных электронов (рис. 6.15). Размещенные в плот-
ноупаковаиных устройствах, онн не требуют электронно-оптической фо-
кусировки и дают в фотоумножителях (и также в усилителях яркости
изображещ я) коэффициенты усиления a 103+ 106 на каскад при вре-
менах нарастания т.",,500 пс для однокаскадноrо фотоумножителя
сМКП.
Электронио оптические преобраЗОБатели и усилители яркости Изо
бражеиия (табл. 6.9). Под преобраЗОВalШем изображения вообще сле-
дует пони мать три различных процесса [1 О]:
Т а б л и ц а 6.9. Электронно-оптические преобразователи (ЗОЛ)
и усилители яркости изображеиия (УЯИ)
ИсполнеиИе
Двухэлектродный ЭОП
с электростатической
фокусировкой
Двухэлектродный
с однородным
ростатическим
(плоский ЭОП)
Двухэлектродный УЯИ
с электростатической
фокусировкой (BVD)
Двухэлектродный УЯИ
с маrнитной фокуси-
ровкой
Четырехэлектродный
УЯИ с электростати-
ческой фокусировкой
(БVТ)
Двухкаскадный УЯИ,
ВУТ, сочлененный с
помощью вод с двух-
электродным УЯИ
(BVD)
ДвухкаскаДIlЫЙ УЯИ с
маrнитной фокусиров-
кой
ЭОП
элект-
полем
Трехкаскадный УЯИ,
3 плоских ЭОП, сочле
ненных с помощью
ВОД
Однокаскадный УЯИ с
МКП с электростати
ческой фокусировкой
Однокаскадный УЯИ с
МКП с однородным
электрическим полем
Диаметр
ФОто-
катода,
мм
1O 25
18 75
18 25
40 160
30 38
40 144
18 25
18 50
18 40
Электронио-
оптическое
отображеиие
1:0, 75
1:1, по
стоянное
1 : 1, посто-
янное
1: 1
постоянное
1: 1
постоянное
38
1:0,
1 :0,7
варьируемое
У сИJIеиие по
свету (коэф-
фициент пре-
образования) .
кд/лм
Простраи-
ственное
разрешение
Б центре
изображе-
НИЯ, пар
линий/мм
1:0,3
1:0,6
варьируемое
1 :0,8 1: 1
постоянное
1 :O,6 1 :0,8
постоянное
1: 1
ПОстоянное
От 0,4 до
Е;>О,6
60 80
25 50
25 35
28 35
60 65
60 125
75 90
200 3OO
3O 40
3500 4000
25 30
1500 40oo
55 60
12000
30 35
1O 1()41
20 35
1O 5 .1041
"'=125
Коэффициент преобразования измерен с источником света с вольфра
мовой нитью накаливания Tp 2850 К.
I Усилеиие МКП.
перевод оптическоrо Изоора;1Кения (при известных УСЛОВиях уси
ленное по яркости) 13 друr6е 6птическое йзображение: электронно-оп-
ТRческое преобразование изобра>кения или усиление без или с времен-
ным разрешением;
перевод оптическоrо изображения (при известных условиях УС,илен-
ное) в зарядовое изображение: фото- и пироэлектрическая техника пе-
редачи телевизионноrо изображения;
l/аi!аЮЩl1е
3ЛЕнтроны
е
а)
!
2
Рис. 6.15. Умножение вторичных электронов при пропускании через мик-
роканальные пластины:
а микроканальная пластина (МК:П); б одииочиый канал; 1 мнкроканалы;
2 ВХОДНОЙ электрод; 3 внутренняя стенка канала, эмиттирующая вторичные
электроны; 4 вторичные электроны; 5 выходиой электрод; б люминесцеит.
ный экран или мноrоанодная rl!ишень; 7 8 ИСТОЧНИКИ высокоrо напряжения
трансформация визуально невидимоrо изображения в видимую спек-
тральную область: рентrеновские и тепловые методы трансформации
изображения с оптическим или электрическим выходом.
Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) 'и усилители ярко-
сти изображения (УЯИ) являются приемниками излучения в виде ва-
куумных трубок, которые в качестве существенных функциональных
элементов содержат полупрозрачный фотокатод, устройства для уси-
ления и временной развертки, а также выходной люминесцентный эк-
ран. Эти приборы в стационарном случае обеспечивают однозначное
соответствие между элементом поверхности dA К: входноrо фотокатода
и элементом поверхности dA L выходноrо люминесцентноrо экрана, а их
функция преобразователя определяется применяемыми при данных ус-
ловиях механизмами переIfоса изобра>кения и усиления яркости света.
Перенос изображения происходит:
с переменным масштабом изображения с помощью электронно оп-
тическоrо отображения с фотокатода на люминесцентный экран (через
промежуточные элементы усилителя);
с фиксированным отображением 1: 1 в плотноупакованных уст-
ройствах с плоскопараллельным фотокатодом, микроканальной пласти-
ной (МКП) и люминесцентным экраном с электростатическим перено-
сом носителей заряда;
путем :юмбинации устройств электронно оптическоrо формирования
изображения, фотокатод l\1КП и устройства с близким расположе-
нием МКП люминесцентный экран.
Усиление света достиrается за счет уменьшения изображения с фо-
токатода на люминесцентный экран, высоких fСКОРЯЮЩИХ напряжениЙ,
усилеиия фототока.
Работоспособность ЭОП и УЯИ определяется их разрешающей спо-
собностью. Разрешающая способность измеряется в числе пар линий на
миллиметре (п. л/мм) и определяет, сколько пар линий на каждом
миллиметре черно белоrо штриховоrо растра, заданноrо на фотокатоде,
можно еще отдельно различать на люминесцентном экране.
Практические исполнения электронно-оптических преобразователей
и усилителей яркости изображения (рис. 6.16) осуществляются в Биде
однокаскадных и мноrокаскадных устройств с эЛектростатической и элек-
тромаrнитной фокусировкой.
1
3
4-
5
J 6
о)
Рис. 6.16. Усилители яркости изображения с МКП:
а усилитель ярКОСТИ изоБРl1жения с мкп и 9лектростатическоl1 фокусировкоl1
изображения; б УСИJJитель яркости изображения с мкп с прямым переносом
изображения; J волокоино оптическиn диск С полупрозрачиым фотокатодом;
2 фокусирующий электрод; 8 микро[(анальная пластина; 4 волоконно-опти-
ческий диск С люминесцентным экраиом; 5 окно с полупрозрачным фотокато-
дом; Е окно с люмииесцентным экраном
MHoroKaMepHbIe ЭОП с электростатической фокусировкой изобра-
жения. Свет, испускаемый or первоrо ЭОП, переносится на следую-
щИй фотокатод BToporo каскада If т. д. Люминесцеитный экран н под
ключенный последовательно фотокатод или находятся в одной BaKYYM
ной трубке и образуют трехслойный преобразующий элемент, называ
емый в анrлийской литературе «люминофорно фотокатодным сэндвичем,>,
с переrородкой из тонкой слюдяной пленки .или волоконно-опти'
ческоrо ДИСI<а (ВОД) в качестве общеrо держателя (преимущестиенно
маrнитная фокусировка), или принадлежат отдельным камерам ЭОп,
которые соединяются с малыми потерями света с помощью ВОД, KO
торый содержит примерно 20000 стеклянных волокон/мм 2 (использует-
ся преимущественно электростатическая фокусировка).
Усилители яркости изображения с мкп. Эмиттированные с фото-
катода первичные фотоэлектроны умножаются за счет эмиссии вто-
ричных электронов в одной нли нескольких последовательно располо-
женных МКП н после этоrо попадают на ВЫХодной люминесцентиый
экран (электростатическая фОКУСllровка, устройство с плотиым располо-
жением МКП люминесцентноrо экрана).
Усилитель яркости изображения с электрическим сиrнальныM вы-
ходом. В этом случае люминесцентный экран замеиен или мноrоанод-
Ной структурой, нли мишенью с накоплеиием заряда в передающей те-
.левизионной трубке.
6.4.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИй С ВЫСОКИМ ВРЕМЕННЫМ
РАЗРЕШЕНИЕМ [11]
в завИсимости от TOrO, идст речь об одиночных или периодически
повторяющихся коротких световых импульсах, применяются методы
измерения в реальном масштабе времени или электронные и оптическйе
стробоскопические методы измерения (табл. 6.10).
Осциллоrрафические измерения в реальном масштабе времени. ЭтI'
измерения позволяют определить форму импульса, ero мощность и энер-
rию во временном интервале, равном долям наиосекуиды. .
Максимальное временное разрешение (Та"" 100 пс) при осцилло_
rрафических измерениях в реальном масштабе времени достиrается с по-
мощью относительнО нечувствите.;JЬИЫХ F.оаксиа.1ЫiЫХ фотоэлементов
и широкополосиых осциллоrрафов без усиления сиrнала.
Термоэлектрические и пироэлектрические быстродействующие прй
ем ники излучеиия такЖе позволяют получиТI> временное разрешение
в диапазоне 10 9 с, очевидно, с сильно уменьшенной чувствительностью
(S<IO s В/Вт).
Термоэлектрические и пироэлектрические детекторы с высоким вре-
менным разрешением часто изrотавливаются методом осаждения тон.
ких пленок и поэтому особенно чувствительны к лучевым переrрузкам.
Стробоскопические осциллоrрафические измерения. Для проведе_
ния стробоскопических измерении иеобходимы периодически повторяю-
щиеся импульсы с частотой следования от нескольких rерц до несколь-
ких килоrерц. Стробоскопические измерения позволяют определить фор-
му импульса, а также выполнить чувствительные измерения мощно-
сти и !!ерI'ИИ с повышенным временным разрешением до 10 Il с (рис.
6.17),
!
\
\
li\Jr\
о)
0) 1
I
O
e"""""""-
О)
l l l l, t
\ \ \ ,
\ \ \ ,
АЛJ\L
1:
................
O...............o
,..
t
Рис. 6.1 7. Стробоскопический метод измерения:
а запускающиЙ импульс; б измеряемыЙ импульс с точкоЙ отсчета; в изо-
бражение импульса, сформированноrо из выборочных значениЙ
Поскольку достиrаемое временное разрешение стробоскопических
измерений выше, чем временное разрешение существующих в настоя-
щее время прием ников излучения, то также можно ЭТим способом экс-
периментально определить их постоянные времени.
Т а б л и ц а 6.1 О. Методы измереиий с высоким временным
разрешением
Метод измереНИЯ
I Временное I Мощность Изме- I
разреше ряемоI'О излучения ОrранИченИе времениоrо
ИИе, пс PMmln' Вт разрешеиия оБУСЛОВЛЕНО
Осциллоrрафическая
реrистрация нм-
пульсов:
фотодетектор +
+осциллоrраф,
работающий в ре-
альном масшта
бе времени
фотодетектор+
+стробоскопи-
ческий осиИЛJJO
rраф
фотодетектор +
+интеrратор с
узкополосным
фильтром
eTOД развертки:
электронно JПТИ-
ческая камера с
щелевой разверт
кой, измерение
одиночноrо им-
пульса
камера с щеле
вой разверткой,
синхроскан
(Sупсhrоsсап)
( фотоrрафичес
кая реrистрация
или с помощью
ОМА-системы)
Метод корреляцион
ных измерений на
основе нелинейной
оптики:
двухфотонная
флуоресценция
rенерация второй
rармоники
100 500 Е> 1
<100 Е>О,I
<200 <0,01
<0,5 О, I l
<10 <0,05
0,3 105
<0,1 1O 4 1O
( < 1O 6 для
сw импуЛьСнЬrо
излучения ПИRО
секундноrо
диапазона)
Ulириной полосы
пропускания осцил
лоrрафов
Временем нараста-
ния сиrнала, сни-
MaeMoro с фотоде
тектора
Ulирииой полосы про
пускания интеrра
тора
Разбросом фотоэлект
ронов по энерrин и
направлениями BЫ
лета из фотокато-
да, уменьщением
пространственноrо
разрешения за счет
усиления яркости
изображения
Дрожанием при на-
ложении импульсов
Юстировкой
оптическим
рованием
жения
резкости)
Мехаиической уста-
новкой оптической
задержки
пучка,
форми-
изобра
(rлубиной
Масса измерения
п родолженuе табл. б .10
I Временное I Мощность изме- I Оrраничение времениоrо
разреше ряемоrо излучення разрешення обусловлено
иие, пс РМ IlIln , Вт
Техника высокоско-
ростных затворов:
электронно-опти
ческий Затвор
(времяанализи-
рующие ЭОП)
оптический за-
твор (электрооп-
тический эффеК1'
Керра)
50
1O 4
Быстродействием
электронной опти-
ки
2
1O IO :.!
Временем релаксации
керровской среды
Устройства для электронно оптической хроноrрафии с импульсной
линейной разверткой изображения. Эти устройства служат для опре-
деления длительности и формы одиночных импульсов и периодически
повторяющихся импульсов света. Используемые камеры с щелевой раз-
верткой работают с электронно-оптическими преобразователями, кото-
рые имеют отклоняющую систему и устройства Д,lЯ усиления и ВЫДают
или оптический, или электрический выходноН сиrнал (изображение на
люминесцентном экране или видеосиrнал). Достиrаемое с помощью ка-
меры с щелевой разверткоЙ временное разрешение оrраничено постоян-
ной времени '(PE 10 I3 С внешнеrо фотоэлектрическоrо эффекта,
а ,aKl1\e разбросом времени пробеrа электронов от катода к аноду,
обусловленным разбросом начальиых скоростей электронов.
Времяанализирующий преобразователь с люминесцентным экраном
(рис. 6.18). В этом преобразователе происходит пре<:бразование дли-
. .7"
r,: э.
2'
4
6'
Рис. 6.18. Электрон но-оптическая камера с щелевой разверткой:
1 reHepaTop разиертки; 2 отклоняющие пластины: 3 МКП; 4 люминесцент-
ный экращ 5 ускоряющий электрод; 6 фото кат од
трльности измеряемоrо излучения, падающеrо на ВХОДНОЙ фотокатод,
в АЛИНУ пути на выходном люминесцентном экраие, а распределение
ЯjЖОСТИ возникающей люминесцентной полосы (streak), определенное
в направлении отклонеиия, соответствует временному профилю им-
пульса. Для получения BbJcoKoro BpeMeHHoro разрешения необходимо
усиление яркости изображения, которое происходит до ЛlOминесцентно.
[о экрана (например, с помощью Nl.КП).
ЭОЛ с кремииевой диодной матрице" (рис. 6.19). В этом приборе
полоска изображение отклоненных во времени фотоэлектронов, уско-
1;
8
1234-5
5
КXXXXXXXJ
tZ;1I
Рис. 6.19. ЭОП с кремниевой диодной матрицей Tempora1disperse Sеп-
sorrohre (TDS R6hre) по данным (12):
I flОJIупрозрачный фотокатод; 2... аиод с щелевоЙ диафраrмоЙ; 8 электрод за-
..вора; 4 ОТКJIОИЯЮЩИЙ электрод; 5 маrнитная JIинза: 6 кремниевая MHoru-
АНодная мишеиь; 7 маrнитиая ОТ!{JIоняющая и фокусирующая катушка; 8 си-
стема формирования электронноrо луча
ряясь, направляется не на люминесцентный экран, а на кремниевую мно-
rодиодную мишень передающей телевизионной трубки типа ВИДИКОНа.
В кремниевой мноrодиодной мишени за счет ударной ионизации про-
исходит умножение носителей заряда (примерно 103 при энерrии фото-
электронов 10 кэВ), а потенциальный рельеф усиленноrо таким обра-
зом изображения обрабатывается по принципу оптическоrо MHoroKa-
иальноrо аиализа (см. разд. 6.5.3).
Метод «синхронизированной линейной развертки» [13]. При реrи-
страции методом щелевой развертки перllодически повторяющихся
ультракоротких световых импульсов можно записать друr над друrом
большое число изображений, если временная развертка синхронизиру-
ется с помощью электрическоrо или оптическоrо запуска с частотой
следования импульсов. Блаrодаря этому также можно повысить ди-
намический диапазон воспроизведения профиля импульса.
Эффекты нелинейной оптики используются для определения дли-
тельиостей импульсов до 10 14 с. Измерения требуют сравнительно не-
значительных аппаратурных затрат. однако вообще необходимы более
высокие мощности излучения по сравнению с прямыми фотоэлектричес-
кими методами.
Двухфотонная флуоресценция (TPF two photon fluоrеsсепсе).
Длительность коротких одиночных импульсов определяется преимуще-
ственно с помощью ТРЕ В измерительном устройстве (рис. 6.20) изме-
ряемый импульс расщепляется с помощью светоделительноrо зеркала
на ДВе части одинаковой интенсивности, которые накладываются друr
иа друrа в измерительной кювете при их встречном распространении.
Блаrодаря двухфотониому поrлощению возбуждается иаходящийся
в кювете раствор I<расителя. Интенсивиость флуоресценции больше в об.-
ласти наложения обоих импульсов, чем вне ее, и измеряется сбоку I!Н
теrральная картина флуоресценции как функция пространственпой
координаты z (направление распространения излучения), например, фо
тоrрафическим способом. Полученный таким образом след TPF СООТ"-
Рис. 62п Схема измерения методом двухфотонной люминесценции
(TPF -схема) :
1 50 '!'о-ное зеркало; 2 100 '!'о-ное зеркало; 3 кювета; 4 прнемное устройст-
во (камера, ОМА)
ветствует корреляционной функции BToporo порядка, которая позволя-
ет судить по значению ПОЛУШИРИIfЫ ZTPF области наложения о дли-
тельности I'J.t измеряемоrо импульса. Если пр нять для измеряемоrо
импульса, например, rayccoBY форму, то справедливо соотношенне
м == 1/2 пl'J.zтрр!С,
(6,15)
rде n показатель преломлеиия растворителя: с скорость света.
rеиерация второй rармоники (rBr SHG). Периодически повторя
Ющиеся короткие импульсы исследуются rлавным образом путем нзме-
рений SHG (SHG sесопd hаrmопiс gепеrаtiоп). При этом измеряе-
мое излучение так}Ке расщепляется на две части одинаковой интенсив-
нОсти (рис. 6.21), которые для получения переменной оптической задер-
жки проходят различные пути. Эти пучки фокусируются на тонком
кристалле KDP, оси KOToporo орнентироваиы таким образом, что eo
rЛасованная по фазе SHG измеряемоrо излучения происходит точно
в одном направлении тоrда, коrда оба импульса достИrают одновре-
Менно кристалл. Блаrодаря ступенчатому изменению их относительной
вадержки достиrается более или менее полное перекрытие, и в соот-
ветствии с измеияющейся интенсивностью второй rармоники снова полу-
ается корреляционная функция BToporo порядка измеряемоrо им пуль-
Са. Из этой полуширины В случае rауссовой формы нмпульса получа-
ется полуширина I'!.tSHG измеренноrо профиля SHG:
l:.t == M SHO /V2: (6.16)
s 4-
Л '
л.
8 7
9
Рис. 6.21. Устройство для измерения второй rармоники:
"!J 50 '!'о-ное зеркало; 2 прерыватель; 8 оптическая задержка (с помощью ша-
rOBoro двиrателя); 4 оптика, формирующая нзображение; 5 кристалл: б
ФЭУ; 7 lосk iп (сиихроиный)-усилитель; 8 миоrокаиальны!! анализатор; 9
дисплей
6.4.4.МЕТОДЫ РErИСТРАЦИИ ЛАЗЕРНоrо ИЗЛУЧЕНИЯ
С ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
Повышенные чувствительности обнаружения и точности измерения
достиrаются, если комбннируются определенным образом выбранные
приемники излучения и специальные методы обработки сиrнала.
Образование среднеrо значения сиrнала по методу Бокскар (Вох-
car) [14], являющееся обобщением чувствительноrо к фазе узко полос но-
ro (10сk iп) метода измерения, позволяет надежно реrистрировать пе-
риодически ПОВТОРЯЮЩиеся искаженные шумовыми процессами импульс-
НЫе сиrналы при отношениях сиrналjшум внлоть дО SNR<;I : 50. Этот
метод объединяет высокое временное разрешение (в области порядка
lO IO с) за счет стробоскопическоrо считывания измеренноrо сиrнала
с улучшением отношения сиrналjшум в каждой точке измерения, на-
пример, в V N раз за счет линейноrо усреднения измеренных значе-
ннй, реrистрируемых с охватом всякий раз N следующих дрyr за дру-
rOM периодов сиrнала.
Современные интеrраторы с УЗJ{ОПОЛОСНЫМ фильтром выполняются
В варианте двухканальных измерений. В качестве нриемников излуче-
ния для измерения по методу Бокс кар приrодны все детекторы, кото-
рые по временному разрешению и амплитуде сиrнала СООТВетствуют
входным значениям при данных условиях использования прибора.
В измерениях эиерrии одиночных импульсов или последовательности им-
пульсов достиrают высокой чувствительности блаrодаря интеrрированию
с непосредственным последующим усилением сиrнала прием ника. Ин-
теrрирование происходит в тепловых приемниках отчасти уже вслед-
ствие больших постоянных времени образования сиrнала (калориметр),
у пироэлектрических и фотоэлектрических детекторов электрически пу-
тем заряда измерительноrо конденсатора. Современные пироэлектри-
чесКИ е и Фотоэлектрические измерители энерrии (рис. 6.22) работают
+
Ra
Рис. 6.22. Схема при бора для измерения энерiии:
I фотодетектор или пироэлектрический дете({тор; 2 измеряемая емкость и со-
противление наrрузкн; 8 усилнтель; 4 выходной сиrиал
с питанием от батарей и хорошо экранированными измерительными ro-
ловками.
В настоящее время пороrовая чувствительность составляет 10 6 Дж
на одиночный импульс для пироэлектрическоrо измерителя энерrии
и :::;;;IO 12 ДЖ на одиночный импульс для фотоэлектрическоrо измери-
теля энерrии (с вакуумным фотодиодом) .
Счет фотонов [15] становится возможным блаrодаря быстродейст-
вующим ФЭУ с высоким коэффициентом усиления вторичиых электронов
и низким темновым током i D (рис. 6.23). В измерительиом устрой-
стве для счета фотонов (рис. 6.24) напряжение сиrнала и А усилива-
ется и сравнивается с опорным напряжением URef' Результатом изме-
рения по методу счета фотонов является число зареrистрированных
в единицу времени импульсов (соuпts), точность счета фотонов опре-
деляется числом полученных в еДИIIИllУ времени тем новых отсчетов
(точнее, их флуктуациями во времени). Достиrаемая таким образом
максимальная пороrовая чувствительиость составляет иесколько фото-
НОВ в секунду.
Счет фотонов схемы совпадения. Техника счета фОТОНОВ позво-
ляет кроме счета фотонов определить также временное распределение
ИХ попадания на детектор и тем самым экспериментально сделать вы-
вод о корреляции фотонов в тепловом или лазерном излучении. Из-
мерение осуществляется с помощью счетчиков фотонов. Выходы их
соединены со схемой совпадения, в которой формируется сиrнал прн
одновременном поступлении сиrналов (т. е. в пределах времени совпа-
дения /)"tк.)' Измеряемое излученне расщепляется на две части однна-
ковой интенсивностн с помощью светоделителя, от KOToporo оба детек-
тора удалены на одннаковое расстояние. Для пары (одновременно из-
лученных) фотонов существует 50 %-ная вероятность Toro, что каждый
нз них принимается соответствующим детектором.
Результатом измерения является число совпадений, определенных
в единицу времени. Точность измерения зависит в основном от разре-
шающеrо времени схемы совпадения /)"tK"" 'O 9 с, которое в свою оче-
редь, определяетсн амплитудой сиrнала ФЭУ.
Рис. 6.23. Диапазон настройки ФЭУ
дЛЯ счета фотонов:
сиrнальные импульсы;
,....... ............ ...... импульсы темново['о тока
107
"" 106
105
....
. 10"
::::>,
103
'::,
102
101
<\)
..i!; 100
1,0
1,1 1,2
l1 ФЭ !J' кВ
1,3 1,1;
1
2
Рис. 6.24. Измерительное устройство
для счета фотонов:
1 Фотоэлектронный умножитель; 2 уси-
питель; 3 опорное напря}кение; 4 ДНСа
КРИ'1Инатор; 5 стандартный импульс; б
счетчпк; 7 цпфро.аналоrовый преобразо-
ватель; 8 цифровой выходной сиrиал;
9 аиалоrовыЙ выходноЙ сиrнал
4
Б'
8
g
6.5. РЕrИСТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИИ
Целью реrистрации, вообще rоворя, является реrистрация и изме-
рение двухмерных распределений Е (х, у) энерrетических освещенностей.
При этом обычная фотоrрафическая съемка и.зображения во все
возрастающем об'ьеме заменяется фотоэлектрическим методом реrистра-
ции, при котором в настоящее время во все возрастающем об'ьеме про-
исходит переход от электровакуумных приемников изображений к инте-
rральным с большим количеством элементов 'fвердотельным приемни-
кам изображения.
Параметрами приемников изображения иаряду с пороrовой чувст-
вительнОСТью являются пространственное разрешение и прежде Bcero
динамический диапазон, в котором обрабатываются различные интен-
сивности элементов изображения. Временное разрешение достиrается за
счет периодической реrистрации изображения (1 O 2 .l 0 5 с), приме-
нения оптическоrо.или электронно-оптическоrо затвора (10 4 10 lOc)
или линейной разверткн (10 8 10 12 с). Важиейшие приемники для
реrистрации изображения приведены в табл, 6.11.
6.5.1. ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ [16]
Передающие телевизионные трубки типа суперортикона и видикона
переносят распределение яркости оптическоrо изображения в соот-
ветствующий потенциальный рельеф на мишени с накоплением электри-
ческоrо заряда, который считывается по строкам сканирующим элек-
трониым лучом н преобразуется во временную посл.едовательность элек-
трических сиrнальных нмпульсов Особенно выrОДные условия для
применения в измерениях этоrо известноrо принципа телевизионной пере-
дачи изображения преДОСТliвляет видикон с кремниевой мноrодиодной
мишенью (рис. 6.25) и комбинация средств современиой микроэлеК4
1234-
[(а
т
1
1fj
l/f
6' 7 8
j/ / /
I I с::6
5
11
12
13
Рис. 6.25. Виднкон с кремниевой мноrодиодной мишеНЬЮI
1 входное окно; 2 кремниевая мноrОДИОДная мишень; 3 тормозящая сеткаl
4 анод; 5 электронный прожек:rор; 6 отклоняющая катушка; 7 фокусиру-
Ющая катушка; 8 'корректирующая катушка; 9 выходиой видеосиrнал; 10
развертывающий луч; [1 р+-днод; 12 обедненный слой; 13 резнстивныii
слой; 14 окисный слой; 15 п + слой
Т а б л и ц а 6.11. Характеристики приемников с электрическим выходным сиrН8.rrом
для обработки изобра1Кений
ПирО9лектри-1 Пиро 9лектриче-
l(ремииевый Si-П3С-фотоди- Si-фотодиодиая ский преобразо.
ватель в виде
Приемник мноrодиодиый SIТ-ВI!ДИКОИ одная лннейка линейка с УЯИ и ческий види-\ линейки фото-
видикон Мl(П кои (пирикон) чувствительиых
элементов
Площадь прием- 9,6 мм Х 12,8 мм Фотокатод диа- Строка: Фотокатод ди- Диаметр 35 ммхl мм
ника (формат метром до 40 M i 2,5 ммхО,5 мм, аметром 25 мм 16 мм (строка из 32
изобра1Кения) матрица: до элементов)
16 ммх20 мм
Число элемеитов ",,5.105 ",,6'104 Строка: 128------- Строка: 256, ""3,5.104' Строка: 16 12
изобра1Кения > 1024, матри- 512
ца; >500х500
Размер элемента Диаметр 12 20 Диаметр зо Диаметр 15 Например, 0,1 ммхl мм
изображения мкм 40 мкм 25 мкм; 50 мкм Х
20 мкмх274 2 Х400 мкм
мм 2
Чувствительность 8,3.10 9 hv/CM 23 ; 5,5.10 7 hv/cM 23 ; 1,573.10 8 hv/ lOhv/OT- <0,2 Кб; ",,3 MKAjBT
оптималь-
2400hvjOT- ",,2hvjOT- jCM 23 счет 3 : ный для
счет:!: 4 счет 3; 4 8 14 мкм
8
Спектральная
ластъ
Об-, 0,з.......1,I5 мкм
I 0,3 0,85 мкм
I
I 0,3 1,15 мкм
I 0.3 0,85 мкм
Динамический 50Q----.-.I000 500 1000 200 500
диапазон 104 : 11 104 : 11 4000: 18 > 100 : I 104: 1
Шум 1,5соuпts 9 1,5counts 9 1000 электро- < 1 фотоэлект
нов 5 рона З
Частота опроса >5 М[ц 15 М[ц O,05 10 М[ц 10 мксjэлемент 1 Mfu 10 ru
и з ображення > 10 Kru
( 200 ru)
Пространствениое 18 п. л./мм tО
разрешение
10 п. л./мм 1О
40 60 % ЧКХ 25 п. л.jмм
на частоте
10 Mru
5 п. л.jмм
, в зависимости от чувствительности (температурное разрешение).
· Для применения ОМА в спектроскопии.
· л 5507600 нм.
· На канал и считывание (режим работы ОМА).
6 На канал и считывание.
· Даниые в виде температурноrо разрешения.
7 В режиме работы ОМА (интеrрнроваиие по времени).
· Лииейка фотодиодов охлаждается термоэлектрическим способом.
. Усредненное по времени значение, измереиное при 6,25 cMX12,5 см, считывание в ТеЧf>ние 30 МС.
!О l'J[убина модуляции Чl(Х 50 %.
троники (Si lIла арная техиика) и обычной техники электронной
лампы.
Пороrовая чувствительность кремниевоrо Мноrоднодноrо видикона
может быть увелнчена в 102 103 раз путем включения электростати-
ческой снстемы электронно-оптическоrо преобразователя. В суперкрем-
никоне (SIT-виДикоие; SIТ siliсоп illtепsifуillg target) кремниевая
мноrодиодная мишень работает не как фотоприемник, а как усилитель
яркости изображения (рис. 6.26). Часть конструкции, относящаяся
1 2 3 4-
(
5'
з-!
Рис. 6.26. SIТ-видикон:
1 входное окио С полупрозрачным фотокатодом; 2 ускоряющий электрод
(Gate): 8 фокусирующий электрод: 4 кремниевая мишень; 5 видикон
к электронно-оптическому преобразователю, предоставляет две допол-
нительные возможности для работы SIТ-видикона:
с помощью управляюшей сетки MorYT запираться фотоэлектроны,
летящие к мишени усилителя, и быстро освобождаться (время сраба-
тываиия затвора составляет несколько 10 8 с);
С помощью отклоняюшей снстемы фотоэлектроны MorYT сканиро-
ваться по SIТ-элементу по принцнпу лннейной или круrовой развертки
(tempora1disperse sепsоrrбhrе).
Друrие типы видиконов имеют изrотовленные по обычной лампо-
вой теХНОЛоrии напыленные слои (например, CdSe, СdZпТе, PbS) в ка-
честве фотоприемникаjмишени с накоплением заряда. Однако такие ви-
дикоиы менее приrодны для измерительных целей по сравнению с види-
коном С кремниевыми мноrодиодныМи мишенями и применяются в спе-
циальных случаях (иапример, вне спектральной чувствительности
кремния).
Значительное расширение спектра (рис. 6.27) при реrистрации изо-
бражения позволяет получить пироэлектрический видикон [17] (назы-
вается также пириконом) ВНДIIКОН С пирозлектрическим чувствитель-
ным элементом в качестВе приемника излучения и мишени с накопле-
нием эарЯДа. .
1,0
..,
Е:
. '"
1::>...<>
Е:'"
",-<>
<U"
0,5
""ci5
,!gE:
......
1
10
' , t>fI<M
Рнс. 6.27. Относительная спектральная чувствнтельность пироэлектриче-
cKoro видикона с различными материалами для окна, по данным [17]
1 таллий тиобромид (I<:RS 5); 2 rеРМ8НИй (8 14 мкм); 8 сульфид цинка
IIRTRAN-2)
6.5.2. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Твердотельные приемннки изображення [18] являются интеrральны-
ми с большнм числом элементов полупроводниковыми приборами, ко-
торые объеднняют в одном устройстве три функции: фотоэлектричес-
кой реrистрации изображения, хранения и считывания. Принцип действня
"П;Л приборов состоит в том, что неосновные носители заряда на-
капливаются и транспортируются на поверхности полупроводника (в ос-
новном кремний, реже соединения тнпа III V). В завнсимости от
образовання сиrнала разлнчают приборы с зарядовой связью (ПЗС)
и зарядовой инжекцией (CCD charge coupled device; CID charge injec.
tion device) (рис. 6.28).
СОет
lшl /; <// ... у'
............. eee ее '.:::.. п"' .J
\... ...J 't
5) 11
а)
рис. 6.28. Устройства с переносом заряда:
а ССО (прибор с зарядовой связью, П3С); б CID (прибор с инжекцией за
ряда):'
, метаJlЛический контакт; 2 изоляцнонный слой; 3 обеднеиный слой; 4
кремний с проводимостью р-типа
Чувствительные элементы расположены или в виде фотодиодной
строки (256 1024 диодов), нли фотоднодной матрицы (lOOX 1 oo
>500Х500 днодов). Чувствительность обнаружения кремниевых
твердотельных приемников нзображения соответствует чувствнтельно-
сти однночных кремнневых фотодиодов. Повышенне чувствительности
возможно, если ДОПОЛнительно включается УЯИ с волоконно-оптиче-
скнм выходом. Решения, аН8лоrнчные SП-принципу (т. е. бомбардиров-
ка кремниевой диодной матрицы сильно ускореннымн фотоэлектрона-
ми), находится еще в стадии лабораторноrо изучения.
В rибридной техинке используются таКЖе пироэлектрнческие чув-
ствитеЛьные элементы при созданин линейных и матричных фотопри-
емников, правда, с более значительными размерами «элементов нзо-
бражения» и более медленным считываиием по сравнению с при бора-
ми с зарядовой связью [19].
6.5.3. ОПТИЧЕСКИЙ мНоrОКАНАЛЬНЫй АНАЛИЗ (ОМА)
Важные применення техники реrистрацип изображения в сочета-
нии с лазерным излучением возникают в оптической спектроскопии.
Здесь речь идет о реrистрации спектров, т. е. об измерении одномерных
распределений интенсивностн излучения Е (1).) f:j,E(x) в выходной плос-
кости спектроrрафа. Первые усилия по замене фотоrрафической реrист-
. рации на фотоэлектрическую привели к сложным приборам, в которых
исследуемый спектр реrистрируется илн периодически одним приемнн-
ком, илн одновременно несколькими дискретными детекторами. Последнее
названное решение характеризует принцип оптическоrо MHoroKa-
нальноrо аналнза (ОМА optica1 тиШсЬаппеl апаlуsis). Изображе-
ние разлаrается на элементы /1х, которые относятся к соответствующе-
му измерительному каналу н KaH8JJY обработки сиrнала. Эта измеритель-
ная техника успешно внедрялась с тех пор, как наряду с передающнми
телевизионными трубками и твердотельнымн приемниками изображения
в распоряжении появились работоспособные чувствительные элементы,
а с помощью микроэлектроники удалось осуществить достаточно быст-
рую обработку большоrо объема информацни.
Система оптическоrо мноrоканальиоrо анализа с передающей теле-
ВИЗИОНИой трубкой [20] (рнс. 6.29). Спектр отображается на фоточувст-
вительный сЛой трубки и преобразуется там в соответствующий потен-
циальный рельеф. ОбрабОТI{а потенциальноrо рельефа осуществляется
построчно «перпендикулярно» развертке спектра, т. е. в направлении
спектральных линий, так что каждая лнния шириной /11>. относится
к соответствующей строке разложения. В случае KpCMHHeBoro вндикона
с мноrодиодной мишенью размером 12,5 MMXIO мм из 500 строк (каж-
дая по 400 элементов изображеиия) имеет место одновременная реrист-
рацня спектра с ПОМОIЦью 500 измернтельных каналов и каналов обра-
ботки снrнала. Результатом измерения является число отсчетов на ка-
нал, которое пропорциона.1JЫЮ заряду строки и тем самым прямо про-
порцнонально энерrетической экспозиции P M /1t. Максимальная чув-
ствятельность обнаружения соответствует (при /1t 33 мс) нескольким
тысячам фотонов на отсчет (COUllt) при использованин обычноrо крем-
ниевоrо мноrодиодноrо вндНкона и нескольким десяткам фотонов на
отсчет при применении SП-трубкн (рис. 6.30).
Двумерный режим работы. Путем соответствующеrо управления
ДЛИНой строки, обрабатываемой при каждом считывании мншени, мож-
но разложить площадь изображения на «rорнзонтальные» частичные
"
Рис. 6.29. Система ОМА, по данным (19]:
I полихроматор; 2 кремниевый мноrодиодный видикон; 3 аналоrо-цифровоl!
преобразователъ; 4 запоминающие устройства А, В; 5 цифро аналоrовый пре-
образователь; б реrИСТРИРУlOщее устройство; 7 цифровое печатающее устрой-
ство; 8 дисплей
1O 1
10 2
..,
<>
1O 3
'"
10 "
с;
1O 5
0,2
Si /'1HOzoi}{joiJH6Ie
f}Ui}UKOH6I
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
lI,мкм
Рис. 6.30. Сравнение чувствитель-
ности обнаружения системы ОМА
с кремниевым мноrоанодным ви-
диконом и SIТ-видикона, по дан-
ным [20]
1D 1
1::
ю 2
. 10 3
'"
1D 1f
'"
1O 5
0,2
0,6 0,8
II,MKM
0,4
1,0 1,2
Рис. 6.31. Сравнение чувствитель-
ности обнаружения системы ОМА
с линейкой ПЗС и линейки пзс,
сочлененной с усилителем яркости
изображения, по данным [21]
области (tracks), содержанне сиrнала которых относится к разлнчным
накопителям А, В... (по 500 каналов каждый).
Система оптическоrо миоrоканальноrо анализа с твердотеЛЬНЫI\f
приемником изо6ражеиия [20]. В этой системе спектр проецируется на
линейку П3С нз 512 или 1024 элементов, которые имеют прямоуrоль-
ную форму шнриной 25 мкм и высотой 0,4 >2 мм, чтобы использо.
вать, принимая во внимание большую чувствительность метода реrист-
рациИ, высоту спетральных лнний (рис. 6.31). Работоспособность системы
оптическоrо мноrоканальноrо анализа с лннейкой ПЗС-фотоприем-
инков вообще сравнима с работоспособностью системы с видиконом.
Путем подключения УЯИ с помощью волоконно-оптических дИсков мож-
Но улучшить параметры системы, как и в случае SIТ-трубки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[( предисловию
1. Вайнштейн Л. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы.
М.: Советское радио, 1966.
2. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и проблема расходимости
JJазерноrо излучения. М.: Наука, 1979.
3. Ищенко Е. Ф. ОткрытЫе оптические резонаторы. М.: Советское
радио, 1980.
4. Fолдобuн. И. С. и др.//Квантовая электроника//1989. Т. 16.
С. 1957.
5. Зельдович Б. Я., Пuлипецкuй Н. Ф., Шкунов В. В. Обращение
волновоrо фронта. М.: Наука, 1985.
6. Расульскuй В. В. Обращение волновоrо фронта при вынужден-
ном рассеянии света. М.: Наука, 1990.
7. Dijkkaтp D., Venkatesan Т., Wu Х. е. a.//AppI. Phys. Lett. 1987.
Vo1. 51. Р. 619.
8. Feile R.//Physica С. 1989. Vol. 159. Р. 1.
9. Fusion Technology. 1987. Vol. 11.
10. Owechko Yu.//IEEE J. Quапt. Electr. 1989. Vol. 25. Р. 619.
к zлаве 2
1. Quantenelektronik Еiпе Einfuhrung iп die Physik des Lasers/
Вruппеr W., Rad10ff W., Junge К. 2. Аиfl. Berlin: УЕВ Deutscher Ver-
lag def Wissenschaften, 1977.
2. Lasertheorie, 1, Н/Раиl Н. Веrliп: Akademie Ver1ag, 1969.
3. Laser Theory/Haken Н. Веrliп (West), Heidelbel'g, New York:
Springer Verlag, 1970.
4. Laser kurz und bundig/Tradowsky К. Wfirzburg: Vogel Ver-
lag, 1979.
5. Quantenelektroпik. OpHk I1nd Laser/Grau О. К. Wiesbaden: Vie-
weg & Sohn, 1978.
6. ТипаЫе Lasers and App1ications/hrsg. von М :юrаdiап А. Berlin
(West), Heide1berg, New York: Springer Ver1ag, 1976.
7. Laser. Physikalische Gпшdlаgеп und АпwепduпgsgеЫеtе/Lепgу-
еI В. А. Stuttgart: Berlin Union, 1967.
8. Lichtverstarker uпd oszi1latoren//Ross D. Frапkfl1rt/Маiп: Aka.
demishe Verlagsgesellschaft, 1966.
9. Laser Handbook, Vo1. I/Аl"rесЫ F. Т., Schulz Dubois Е. О. Ams.
terdam: North Holland РиЫ. Со. 1972.
10. Lаsеr/К1ееп W., МiШеr R. Berlin (West), Heide1berg, New York;
Springer Verlag, 1969.
11. Вайпштейп Л. А. Открытые резонаторы для квантовых reHepa-
торов света//Журн. эксперим. и теорет. фнз. 1963. Т. 44. С. 1050 1067.
12. Laser beams апd rеsопапtоrs/Коgеlпik Н., Li Т. Iп: Appl. Ор-
tics.5 (1966) 10. S. 1550 1567.
13. Unstable optical resonators for laser аррliсаtiопs/Siеgmап А. Е.
In: Proc. ШЕЕ. 53 (1965) 3. S. 277 287.
14. Unstable optical rеsопаtоrs/Siеgmап А. Е. Iп: Аррl. Optics.
13 (1974) 2. S. 353 367.
15. Modes in unstable optica1 rеsопаtоrs апd Jens waveglIides/Sieg-
'1lап А. Е., Апаthооп R. Iп: IEEE J. Ql1antum Еlесtrопiсs. QE 3 (1977) 3.
S. 156 163.
16. Микаэлян А. Л., Тер Микаэлян М. л., Турков ю. r. Оптичес-
кие [енераторы на твердом теле. М.: Советское радио, 1967.
17. Laser Parameter Меаsш-еmепts Handbook/Heal'd Н. G. New York,
London: Jоhп Wiley & Sопs Iпс., 1968.
18. Белосточкий Б. Р., Любавекий /О. В., Овчинников В. М. Осно-
вы лазерной техники. М.: Советское радио, 1972.
19. Solid State Laser Епgiпееriпg/Коесhпеr W. Iп: Sрriпgеr Seri-
es in Optical Sсiепсеs. Уо1. 1. Berlin (West), Heidelberg, New York.
Sрriпger Vеrlаg, 1976.
20. Laser program аппuаl repol.tsfhrsg. vоп Соуlе Р. Е. California
Uпivеrsitу, 1976. Lаsеr РI'оgrашm Jahrbuch.
21. Eigensthaften vоп Neodymlasern fiir die optische Nachrichten-
technik/Kruh1er W. W. Iп: NасhriсЫеп Elektronik 32 (1978) 1. S. 5 9.
22. Камuнскuй А. А. Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1975.
23. ТиnаЫе Room Теmреrаtш-е cw Laser Action in 0'3+: GdScA1
Garnet/Drube J., Struve В., Huber G. In: Opt. Соmmuп. 50 (1984) 1.
s. 15.
24. Rooт Teтperature Operation 01 the Vibrol1ic КZпF з : Cr 3 +
Laser/Brauch U., DI1П U. In: Optics Lett. 9 (1984) 10. S. 441.
25. Gas Lase1's/Вlcoт А. L. New York, Lопd.оп, Sydney: Jоhп Wi.
ley & Sопs Inc., 1968.
26. Intl'oduction to Gas Lasel's: Popu1atiol1 Iпvеl'siоп Mechanismsl
WiПеtt С. S. OxIOl'd: Pergamon Press, 1974.
27. Gas Lase1's/Garrett С. О. В. New York McGraw HiII Book
Соmрапу, 1967.
28. Principles 01 Laser Plasma/hrsg. vоп Bekefi G. New York, Lоп-
dоп, Sydney: Jоhп Wi1ey & Sons Iпс., 1976.
29. ТаЫе 01 Laser Lil1es iп Gases апd Vapors/Beck R., Englisch W.,
Gurs К. Веr1iп (West), Heidelberg, Ne\v York Sрriпger Vеl'lаg, 1976.
30. Review 01 U1tl'avio1et 1aser pl1ysics/Rhodes С. К. Iп: IEEE
J. Ql1antum E1ectronics. QE 10 (1974) 2. S. 153 174.
31. Exciтel' Lasers/11fsg. von Rhodes С. К. Berlin (West) , Heidel.
berg, New York Springel' Ver1ag, 1979.
32. Gaseous lоп Lasel's/Davis С. с., Кing Т. А. hrsg. von Good.
wiп D. W. In: Advances in Quапtum Е1есtl'ОПics. Lопdоп, New York:
Academic Press, 1975.
33. Gasdyпaтic Lasers. Ап Апtl'оduсtiоп/Апdеrsоп, jl'., J. D. New
У ork, San Francisco, Lопdоп: Academic Press, 1976.
34. Cheтical Lasel's/Kompa К. L. Berlin (West), Heide1berg, New
York: Springer Ver1ag, 1973.
35. Cha1'acteristics of CO Laser/Bl1aumik М. L., Lancina W. В.,
Мапп М. М. Iп: IEEE J. Quantum E1ectronics. QE 8 (1972) 2. S. 150.
36. Review 01 high power СО 2 1asers/De Maria А. J. Iп: Proc. IEEE.
61 (1973) 6. S. 7Зl 748.
37. High pressure pulsed moleculaJ" .lasers/Wood Н. D. R. In; Proc.
IEEE. 61 (1974) 3. S. 355 397.
38. Far Iпf1'ared Mo1el;u1ar Lasers/Coleman Р. D., In: ШЕЕ J" QtI-
antl1m Еlесtrопics. QE 9 (1973) 1. S. 13()........138.
39. Pl'esent and future problems сопсеrпiпg lasel"s in the far in[ra
red spectral region/Co1eman Р. D. In: J. Opt. Soc. Ат. 61 (1977) 7.
S. 894 901.
40. Gain of High PressUl"e СО 2 Lasers/Chang N. С., Tavis М. Т.
In: lЕЕЕ J. Quantum Electl"onics. QE 10 (174) 3. S" 372 375.
41. Аблеков В. К., Денисов В. Н., Любченко Ф. Н. Справочник по
rазодинамическнм лазерам. М.: Машиностроение, 1982.
42. АбиЛЬСllитов Т. А., Велихов Е. П., Толубев В. С. н др. Мощные
rазораЗрЯДНЫе СО 2 -лазеры и их прнменение в технолоrии. М.: Наука,
1984.
43. Итоzи науки/Под ред. Мириманова Р. [. Радиотехника, т. 14,
ч, 1, 1978
44. Sieтens te1eeom report. Уо1. 6, Okt. 1983.
45. Single mode lasers for optica1 coтml1nications/Botez О. lп:
Proc. IEEE. 129. 1 (1982) 6. S. 237 251.
46. Single frequency semicollductor lasers/ ВеН Т. Е. Iп: ШЕЕ
Spectrum. 20 (1983) 12. S. 38 45.
47. Quantuт Well Неtеrоstruсtше Lasers/Ho10nya1< N., Коl-
bas R. М., Duputs R. D., Dapkus Р. D. Iп; ШЕЕ J. Ql1antum Electronics.
QE 16 (1980) 2. S. 170 185.
48. Conference proceedings 10tl1 Ешореап Сопfеrепсе оп Optical
Communication. Sept. 3 , 1984.
49. Инжекционные лазеры/JТруды ФИАН, т. 141. М.: Наука, 1983.
50. Seтicoпductor Lasers and Heterojunction LED's/l\.ressel Н., But
ler J. К. New York: Academic Press, 1977.
51. InGaAsP laser diodes/Gregory Н. О. In; SPIE. 244 (1980).
S. 1l3 121. InGaAsP Laserdioden.
52. Hetel'ostl'UctU1'e 1asers/Gasey Н. С. New York: Academic Press,
1978.
53. Halbleiter Lasel'/Rieck Н. KarISl"ul1e: Bral1n, 1967.
54. Halbleiter Injektionslaser/Grote N. In: Physik iп unserer Zeit.
В (1977) 4. S. 103 1I4.
55. Der Halbleileriпjektioпslaser I1nd sеiпе Апwепduпg/Н"аhт J.,
Junge К. In: radio fernsel1en elektronik. 28 (1979) 2. S. 7l 75; 178 183.
56. Recent Progress iп Semiconductor Lasers/Nannichi У. In; Jap.
Jошп. Appl. Phys. 16 (1977) 12. S. 2089 2102.
57. Recent Advances in Lead Chalcogenide Diode Lasers//AppI.
Phys. 20 (1979) 2. S. 189 206.
58. Dye Lasers/ScЫifer F. Р. Berlin (West). Heidelberg. New York:
Springer Verlag. 1977.
59. Physics оЕ dye lasers/Shank С. У. lп: Rev. Mod. Phys. 47 (1975) 3.
S. 649 657. .
60. Laser fUr ultrakurze Lichtimpu1seJНermann J., Wilhe1m В. Ber.
Пп: Akademie Verlag, 1984.
61. ТиnаЫе distributed feedback dye 1aser/Shank С. V., Bjork.
holm J. Е. In: Appl. Phys. Lett. 18 (1971). S. 395 396.
62. ТиnаЫе picosecond pulse generation Ьу опе N z laser pumped
self switched distributed feedback dye laser/Bor. Zs. In: ШЕЕ J. Qu.
8nt. E1ectr. QE 16 (1980). S. 517 520.
63. Generation оЕ continuously tunabIe IR I"adiation Ьу means оЕ
difference frequency mixing оЕ nitrogen laser and dye laser radiati-
оп in LiIO з [К6пig R., Rosenfeld А., Ngvy Нuщ Mory S. In: Opt. Соml11.
24 (1978). S. 190 194.
64. Ramaп frequency shifting: А simple effjcient way to VUV and
IR generation[Brink О. J., Proch О., Basting О., Но1а К, Lokai Р. In:
Laser und Optoe1ektronik. 14 (1982). S. 41-----48.
65. Progress in ТипаЫе Lаsеrs[WеШпg Н., Fr6hlich D In: Fest-
ko.rperproblel11e. 19 (1979). S. 403 425.
66. First Operation оУ а Free Electro!l LaserjDeacon О. А. G. а. o.
In: Phys. Rev. Lett. 37 (1977) 16. S. 892 894.
67. The Free E1ectron LaserjWashington: Nationa! Academy Press;
1982.
68. Free Electron Lasers and their Applications[Doblasch Р. и. а
In: Optics and Lasers in Engineering. 4 (1983) 2. S. 91 119.
69. The Free Electron Laser[Renieri А. In: Endeavour. 8 (1984) 1.
S. 35 43.
70. Der Free Electron LaserjLanghoff Н. In: Physik in unserer
Zeit. 13 (1983) 3. S. 87 93.
71. Lasera electrons libres sur аппеаи de stockage dans le domaine
visiblefБulardon М. In: J. Optics 15 (1984) 4. S. 254 261.
72. New sources оУ high power coherent radiation[Sprangle Р.,
СоНеу Т. In. Physics today. 37 (1984) 3. S. 44 52.
73. Special issue оп free electron laser[In: Proc. ШЕЕ Journal оУ
Quantum Electronics QE 19 (1993) 3.
74. fудзенко Л. Н., Яковенко С. И. Плазменные лазеры. М.: Атом-
издат, 1918. .
75. New Laser Systems[Si1fvast W. Т., Wood О. R. In: J. de Physi-
que. 41 (980) 11. S. C9 439 C9 444.
76. Recombination Lasers in the Vacul1m UltrаviQI tt[SШvаst W. Т.,
Wood Q. R. 1П! Laser Techniques for Ехtrеще Ultravi6Iett Spectroscopy.
New York: Anlerican Institute of Physics, 1982.
77. Posslbilities оУ Amplification оУ Ultraviolet and Soft X Ray
Radiation in а Recomblning Plasma[Boiko V. А. In: J. Quantum Electr.
JQE 20 (1984) 3. S. 206 217.
78. Recombination laser transition i expanding plasmas оУ Mg,
Са, Си, Zn, Ag, Cd, In, Sn, РЬ, and Bl[Sllfvast W. Т., Wood О. R. Iп:
Optics Letters 7 (1982) 1. S. 34 36.
79. Chemical and Gasdynaтic LasersjUltee С. J. In: Laser Напд.
book[hrsg. von Stitch М. L. Amsterdam: North Hol1ang Publishing Со.,
1979.
80. Баш/щн А. С., Нzuшuн В. Н., Ораевскuй А. Н., Щеzлов В. А.
Химические лазеры. М.: Наука, 1982.
81. Mode lockiпg оУ lasers[Smith Р. W., Duguay М. А., Ip-
реп Е. Р. Oxford: Pergamon Press, 1974.
82. Generation and measurement оУ орНсаl pu!ses as short as lб
fsjFujiтoto J. G., Weiner А. М., Ippen Е. Р. In: Арр!. Phys. Petters.
44 (1984) 9. S. 832 834.
83. ABS der Optik{hrsg. von Mutze К Leipzig: VEB F. А. Brock-
haus Verlag, 1961.
84. Principles оУ Optics{Born М., Wolf W. Oxford: Pergal110n Press,
1968. .
85. Optical constants and ref1e,ctance and trasmittan<;e оУ eva,pora-
ted aluminiuт in tht; visibIe and uItravioletjHass G., Way!onis J. Е. 10:
J. opt. Spc. Ат. 51 (1961) 7. S. 719т,:--722.
86. The optical ёоnstапts оУ silver, gold, copper and aluminium.
1_ The absorption coefficient x/Schu1z L. G. In: J. opt. Soc. Аm.
44 (1954) 5. S. 357 362. .
87. The optical constants оУ siIver, gold, copper and aluminjum. 1.
ТЬе absorption coefficient x/Schulz L. G. In: J. Opt. Soc. Ат. 44 (1954) 5.
S. 362 368.
88. The optical constants оУ si1ver, gold, copper and aluminium. 11.
1Ъе index ОУ refraction n/SchuIz L. G., Tangherlini F. R. In: J. opt. Soc.
Ат. 44 (1954) 5. S. 362 368.
89. Optical const nts of metaIs in the infrared/Beattie J. R- In:
Phil. Mag. 46 (1955) 373. S. 235 245.
89. The optical constants оУ а single I;rystal Qf germanium/Ave-
[у 1), О., GIegg Р. L. In: Proc. РЬув. Soc. В66 (1953) 6. S. бl2 513.
fJQ. J(изель В. А. Отр жение света. М.: Наука, 1973.
91. Федоров Ф. Н., Филипов В. В. Отражение и преломление света
прозрачными кристаллами. Минск: Наука Техника, 197IJ.
92. Refractive indices оУ ammonium dфуd.rоgеп phosphate and ро-
tas ium dihydrogen phosphate befvleen 2000 А and 1,5 tm/Zernike F.
J. Opt. Soc. Аm. 54 (1964) 10. S. 1215 1220.
93. справочник по лазерам//Пер. с аиr л. Под редакцией А. М. Про-
корова, т. 1. М.: Советское радио, 1978.
94. Measureтent of the feffactive indices of sevefa! crystal/
Bond W. L. In: J. Appl. Phys. 36 (1965) 5. S. 1674 1677.
95. Large nonlineaf optical соеШсiепts and phase matche.d second
harmonic generation in LiIOg/Nath G., Hausiil11 S. In: Аррl. phys. Lett.
14 (1969) 5. S. 154 156.
96. Refractive index as а function оУ temperature in LiNbO/Bo-
yd G. О., Bond W. L., Carter Н. L. In: J. Appl. Phys. 38 (1967) 4.
S. 1941 1943.
97. Syпthetic proustite (AggAsSg): А 'neVl crystal for optical т1-
xing/Hulme К. F., Jones О., Oavis Р. Н., Hobden М. V. In: Appl. Phys.
Lett. 10 (1967) 4. S. 133 135.
98. Report Contract ОА 36 039 SG 71 131/Caldvlell R. S. Purd-
пе University, 1958.
l( елаве 3
1. Шуберт М., Вильеельми Б. Введение в нелинейиую оптику. Пер
1: иемецкоrо. Под ред. М. А. Ковнера. М.: Мир. ч. 1, 1973; ч. 2, 1979.
2. Nichtlineare Optik/Paul Н. (WTB Nr. 99, 100) Berlin: Akademie
Verlag, 1973.
3. Noпliпear Optic5!hrsg.von Harper Р. G., Wherrett В. S. Lon-
don: Academic Press, 1977.
4. Quantum Electroni,<s/11rsg. von Rabin Н, Tang С. L. Nevl York:
Academic Press, 1975, Bd. 1.
5. Qиаntит E1ectronics/Yariv А. New York, London, Sydney: John
Wiley & Sons Inc., 1968.
6. Handbook оУ Lasers/hrsg. von pressley R. J. Cleveland: ТЬе Che.
mical Rubber Со., 1971.
7. Nonlinear Infrared Generation/hrsg. von Shen. Y. R. Berlin
(West), Heidelberg, Nevl York: Springer Veriag, 1977.
8_ Noпlinear Optics of free atoms and molecules/Hanna с., Yura-
ticl1 М. А., Cotter О. Berlin (West), Heideiberg, Nevl York: Springer
Verlag, 1979.
9. Нелинейная спектроскопия. Под ре.д. Н. Бломберrена/Пер. с анrл.
Под ред. С, А. AXMa:roBa. М.! Мир, 1979.
10. Сверхкори кие световые импульсы. Под ред. С. Шапиро:/Пер.
с анrл. Под ред. С. д. AXMaHOBa. M.: Мир, 1981.
11. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М. Высшая шко-
ла, 1983.
12. Дмитриев В. Т., Тарасов Л. В. Прикладная нелинеиная оптика,
1982.
13. /ntroduction to nonIinear laser spectroscopy/Levenson М. D. Ne\v
York: Academic Press, 1982.
14. Physical Properties о! Crystals/Nye J. Р. London: Oxford Press,
1960.
15. НиКО20СЯН д. Н. Кристаллы для нелинейНОй оптики//Квантовая
электроника, 1980. Т. 4. С. 5 26.
16. Neue Serie, Gruppe III, Band 2/Landolt Bornstein. Berlin
(West). l1eidelberg. N w York: Springer Verlag, 1969.
17. Coupled Mode Theory for Guided Wave OpticsfYakiv А. In:
J. Quantum Electron 9 (1973) 9. S. 919 933.
18. /ntegrated Optics and пеw wave рЬепоmепа in optical wavegui-
des/Tien Р. К. In: Rev. Mod. P11YS. 49 (1977) 2. S. 361 420.
19. Nonlinear optical phase natching properties о! КТiOР0 4 /
ии У. S. и. а. In: General Electric Technical information Series
Nr. 82RDOl6, Febr. 1982.
20. Quaпtum Techl1010gy Data SIJeet 716/Mai, 1983.
21. KTP ein neuer Kristall fiir Nd YAG Laser/Вing R. In: La
ser Ilnd Optoelektronik. 16 (1984) 1. S. 54.
22. Material, for optical harmonic generation/Adhav R. S. In: La-
ser РосиБ 19 (1981) 6. S. 73 76
23. Measurement о! ultrafast рЬепоmеl1а in the femtosecond time
domain/Shank С. V. In: Science. 219 (1983) 3. S. 1027 1031.
24. Фишер Р., Ремnель С. Деформация автокорреляционнои функ-
ции и ее восстановление{/Изв. АН СССР. Сер. физ., 1985. Т. 49. .N 7.
С. 1442 1449.
25. /maging with short optical pulses/Diels J. с., Fontane J. J.
In: Optics and Lasers in Engin. 4 (1983) 2. S. 145 165.
26. Paraтetric generation о! tunable picosecond pulses in the те-
dium infrared U5ing AgGaS2 crystals/Elsaesser Т., Seilmeier Д., Kai-
ser W. 111: Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 4. S. 383 385.
27. ТипаЫе ultraviolel generatioп Ьу sum frequency mixing/
bunning D. Р. In: Laser Focus. 14 (1978) 5. S. 72 76.
28. Воронин Э. С., Стрuжевс/шй В. Л. Параметрическое преобразо-
вание инфракраСНОI'О излучения с повышением частоты и el'o при мене-
ние//УФН, 1979. Т. 127. В. 1. С. 99 133.
29. Фишер Р., Кулевскuй Л. А. Оптические пара..\1етрические rеие-
раторы света (обзор) .//Квантовая электроника, 1977. Т. 4, .N'9 2.
С. 245 289.
30. Оеnеуааоn о! picosecond light continua Ьу parametric fourpho-
ton interactions in liquids and solids/Penzkofer А., Kaiser W. In: Op
tical Quantum E1ectron. 9 (1977) 2. S. 315 349.
31. Erzeugung von frequenzveranderlicher koЫirenter VUV Strah-
lung/Wallenstein R. In: Laser und Optoelektronik. 14 (1982) 3. S. 29 39.
32. ТиnaЫе XUV radiation generated Ьу nonresonant frequency trip.
ling in Neon/Lago Д., Wallenstein R. In: Optics Соmтип. 49 (1984) 4.
S. 297 301.
33. Generation of 35,5 пm coherent radiation/Bokor J., Bucksba
ит Р. Н., Freeman R. R. In: Optics Letters. 8 (1983) 4. S. 217 219.
34. Raman Frequenzverschiebung: Ein einfacher und wirkungsvol
ler Weg zu VUV ипд IR Strahlung/Bri.nk О. J., РтосЬ О., Bas-
ting О., НоЫа К., Lokai Р. In: Laser und Optoelektronik. 14 (1982) 3.
S. 41 48.
35. High efficiency pulse compression Wit11 intracavity Raman os-
cil1atorsjFrey R., Ое Martina А., Pradere F. In: Optics Letters.
8 (1983) 8. S. 437 439.
36. Нigh efficiency laser pulse compression Ьу stiщulаtеd Bri1
10uin scatteringjDamzen М. J., Hutchinson М. Н. R. In: Optics Letters.
8 (1983) 6. S. 313 316.
37_ The Three Wave Interaction in Nonlinear Optics/Enns R. Н.,
Rangmekar S. S. In: Phys. Stat. Sol. (Ь) 94 (1979) 1. S. 9 28.
38. Raman Spestroscopy/Long О. А. New York: McGravI НiII
Book Со., 1977.
39. Proceedings оУ the sixth international conference оп Raman
spectroscopy/hrsg. von Schmid Е. о. и. а. Bangladore, 1978. London:
Heyden, 1978.
40. Third Order Optical SusceptibiIities of Liquids and SolidsjHel
Iwarth R. W. In: Progr. Quantum Electron. 5 (1977) 1. S. 1 68.
41. The ultrafast optica1 Кеп schutterjDugnay М. А. In: Progr. in
Optics. 19 (1976). S. 163 193.
42. Laser fur uItrakurze Lithtimpulse/Herrmann J., Wilhelmi В.
BerIin: Akademie Ver1ag, 1984. .
43. Solitions in optical fiЬеrs/МоlIепаuеr L. F. u. а. In: l"aser Fo
cus. 18 (1982) 4. S. 193 198.
44. Femtosecond white light contiuum pulses/Fork R. L. и. а. In:
Optics Letters. 8 (1983) 1. S. 1 3.
45. Optical fiber telecommunications/Stolen R. Н. hrsg. von Mи
ler S. Е. NevI York: Academic Press, 1979. S. 125 150.
46. Nonlinear integrated optics/SohIel' W. In: New directions in gui-
дед wave and coherent optics/hrsg. von Ostrov/sky О. Оеп Haag. N.
Naphoff. 1984. S. 449 479.
47. Paraтetric amplification and osci1Iation/Suche Н. In: New di-
rections in guided waves and coherent opticsfl1fsg. von Ostrowsky О. Ое"
Haag: N. Naphoff, 1984. S. 481 494.
48. Fiber Raman Laser/Stolen R. Н. In: Fiber and Integrated
Optics 3 (1980) 1. S. 21 51.
49. Nonlinear Optics in fibers and near infrared frequency conver
sIon/Lin СЬ. In: SPIE 355 (1983). S. 17 26.
50. Stiтulated Brillouin scattering in monomode орНсаl ПЬеrjСоt-
{ет О. In: J. Opt. Commun. 4 (1983) 1. S. 10 19.
51. Deтonstration оУ image transmission through fibers Ьу optical
phase conjugation/Dunning G. J., Lind R. С. In: Optics Letters.
7 (1982) 11. S. 558 560.
52. Generation and measurement of орНсаl pulses as short as 16 fSj
Fujimoto J. G. и. а. In: Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 9. S. 832 834.
53. The solition laser/Mollenauer L. F., Stolen R. Н. In: Optics
Letters. 9 (1984) 1. S. 13 15.
54. Signal transmission Ьу орНсаl soIitions in monomode fibers/Ha-
segawa А. и. а. In: Proc. IEЕЕ. 69 (1981) 9. S. 1l45 1150.
55. Nonlinear optical techniques for surface studies/Shen У. R. In:
Novel materials and techniques in condensed matter. Paris: EIsevier,
1982. S. 193 207.
56. Optique поп lineaire et surfaces/Richard О. In: Апп. Phys. (Ра-
r1s). 8 (1983) 2. S. 273 300.
57. Nonlinear optical probes at interfaces/Heinz Т. F., Тот Н. W. к.,
Shen У. R. In: Laser Focus. 19 (1983) 5. S. 111 115.
58. Laser Spectroscopy VI/hrsg. von Weber Н. R., Luthi W. Berlin
(West), Heidelberg, NeVl York: Spfinger Verlag, 1983. S. 286 309.
59. Optieal bistabi1ity/Smith S. D., Abl'aham Е. In: Abvances in
Laser spectroscopy. NeVl York: Рlеп.ит Press, 1983. S. 369 380.
60. Optieal bistable devices: the basic components оУ аН optical
computers/Gibbs Н. М., МсСаН S. L., Venkatesan Т. N. С. In: Optical
Engin. 19 (1980) 4. S. 463 468.
61. Optisehe Вistabilitat: Ein Weg zum optischen Computer?/Sor-
se! А., Meystre Р. !п: Phys. В1atter. 40 (1984) 6. S. 143 148.
62. Progress in bistable optica! devices/Garmire Е. Jn: SPIE.
176 (1979). S. 12 16.
63. Dyпaтie nonlinear optics il1 semiconductors/Mi11er D. А. В. Iш
Laser Focus. 19 (1983) 7. S. 61 68.
64. Quasi two dimensiona1 excitons in GaAs/GaAIAs sеmiсопduс-
tor тиШрlе qual1tum vlelI structures/C11em!a D. S. Iп: He1v. Phys.
Acta. 56 (1983) 2. S. 607 637.
65. Optieal bistability using semiconductor materia1s/Fischer R. 1щ.
Conference Proceedings «International Schoo1 оп Coherent Optics».
Jena, 1985. S. 18 23.
66. Оп the physieal Iimits оУ digital optics switching and Iogic е!е-
ments/Smith Р. W. In: BSТJ. 61 (1982) 8. S. 1975 1993.
67. Optieal phase confugation/hrsg. von Fisher R. А. Nevl Yorkl
Academic Press, 1983.
68. Aetive optics: А new technology for the control оУ light/Har-
dy J. W. Iп: Proc. IEЕЕ. 66 (1978) 2. S. 6Ы 697.';)
69. Nonlinear optical phase confugation/ln: Optical Engi1'I.
21 (1982) 2. S. 156 280. .
70. Coherent light amplification and phase confugation with photo.
refractive materials/Giinter Р. In: J. de Phys. 44 (1983) 4. C2 141 C2
147.
71. /тage projection with nonlinear optics/Levepson М. D., СЫ-
ang К. In: IВM J. Res. Develop. 26 (1982) 2. S. 160 170.
72. Сап phase coniugate resonators enhance Iaser performance?/
Giu1iano С. R. и. 11. In: Laser Focus. 19 (1983) 2. S. 117 122.
73. Nonlinear adaptive optics/GuiIiano С. R. !п: Agard Conference
Proceedings, Nr. 300, 1981, S. 35/l 35/13. .
74. Laserspektroskopie/Letochov W. S. In: WTB Nr. 165. Веrliщ
Akademie Verlag, 1977.
75. Grundlagen und Techniken der Lаsеrsреktrосkорiе/Dещtrб-
der W. Ber1in (West), Heide1berg, New York: Springer Verlag, 1977.
76. Laser in der Chemie (КорУ U. Frankfurt/M.: otto SaIIe Ver-
Iag, 1980.
77. Frequeney modulation spectroscopy/Bjorklul1d G. с., even-
son М. D., Lench W. In: Аррl. Phys. В 32 (1983) 1. S. 145 152; SPI
286 (1981), S. 153 159.
78. Photoaeoustie Spectroscopy/Rosencwaig А. !п: Adv. E1ectron.
Electron Physics. 46 (1978). S. 207 311.
79. Pulsed optoacoustic spectroscopy оУ condensed mat!er/l' .'
tel С. К. N., Тат А. С. In: Rev. Mod. Phys. 53 (1981) 3. S. 517 550.
80. Хартуне к., ЮРi3ейт Р. Исследование свойств оптотермическ.рrо
приемника.//Квантовая электроника, 1978. Т. 5. .N 8. С. 1825 1827:
Опт. и спектр, 1979. Т. 6. В. 6. С. 1169 1172. .
81. Optogalvanic spectroskopy/Goldsmith J. Е. М., Lav;\er J. Е.
In: Contemp. Phys. 22 (1981) 1. S. 235 248.
82. Elekironisch gesteuerte, absolute Wel1enlangeneichung von Im-
pulslarbstoff1asel'n/Michailow Е. и. а. In: Peingeratetechnik. 31 (1982) 6.
S. 251.
83. Optogalvanische Spektroskopie/Behrens Н. О., Guthohrlein G. Н.,
Юihпеr В. In: Laser und Optoelektronik. 14 (1982). 1. S. 27 30.
84. Laser excited atomic f1uorescence spectrometry vlith electrother-
таl atomizer a method lor sub ppb element analysis/Tilch J., Piit-
zold Н. J., Palk Н., Schmidt К. Р. In: Соl1. Spectr. Int. 24 (1985).
S. 324 325.
85. Progress in ТипаЫе Lasers/Wel1ing Н., Prohlich D. In: Fest-
korperprobIeme. 19 (1979) S. 403 425.
86. Spectroscopy оп localized and cooled ions/Toschek Р. Е., Neu-
hauser W. In: Atomic Physics. 7. (1981). S. 529 552.
87. Cohereпt shectroscopy оп single atomic system/Dehmelt Н. In:
J. de Phys. 42 (1981) 12. S. C8 299 C8 305.
88. Einzelne Ionen lur die dopplerfreie Spektroskopie/Toschek Р. Е.,
Neuhauser W. In: Phys. BI. 36 (1980) 1. S. 198 202.
89. Nichtlineare kohi:irente Raman Sреktrоskорiе/Юеlеr W. In:
Laser und Optoelektronik. 15 (1983) 3. S. 213 228.
90. The тeasureтent and analysis 01 heterogeneneous emission Ьу
multilrequency phase and modulation f1uorometry/Jameson D. М., Grat-
to Е., Наl1 R. D. In: Appl. Spectr. Rev. 20 (1984) 1. S. 5 106.
91. Vibratioпal dynatnics 01 liquids and solids investigated Ьу pico-
second light pulses/Laubereau А., Kaiser W. In: Rev. Mod. Phys. 50
(1978) 3. S. 607 665.
92. Picosecond Spectroscopy: Methods and ApplicationsjVon der Lin-
de D. In: Festkorperprobleme. 19 (1979). S. 387 403.
93. Feтtosecond spectroscopy and chemistry/Shank С. V., Gre-
епе В. 1. In: J. СЬет. Phys. 87 (1983) 1. S. 732 734.
94. Picosecond phenomena/hrsg. von Eisenthal К. В. и. а. Berlin
(West), Heidelberg, Nevl York: Springer Ver1ag, 1982.
95. New ехреriтепts in lemtosecond condensed matter spectrosco-
py/Shank С. V., Hirlimann С. In: HeIv. Phys. Acta. 56 (1983) 2. S. 373
381.
96. Laser vaporization in atomic spectroscopy/Dittrich к., Wеп-
nrich R. In: Prog. analyt. atom. Spectrosc. 7 (1984) 2. S. 139 198.
97. Летохов В. С., Мур С. Б. ЛазерНое разделение изотопов.//Кван:
товая электроника, 1976, Т. 3. .N'2 2. С. 248 286; 2 3. С. 485 516.
98. Летохов В. С. Селективное действие лазерноrо излучения на
вещество.//УФН, 1978. Т. 125. В. 1. С. 57 96.
99. / sotopentrennung durch Laser Photochemie/Gusten Н. 1п: РЬу-
sik in unserer Zeit. 11 (1972) 2. S. 33 43.
100. Cheтical Laser Induced Isotopically Selective Reaction 01
tICI/Arnoldi D., Kaulmann К., Wo1fram J. In: Phys. Rev. Lett.
34 (1975) 26. S. 1597 1600.
101. Басов Н. Т., Ораевскuй А. Н., Панхратов А. В. О кинетике
J)азерохимических реакций.//Квантовая электроника, 1976. Т. 3. .N'9 4.
С. 814------822.
.102. /nfrared laser specific reactions involving boron compounds.
Trimerisation 01 tetrach10rethylene sel1sitived Ьу borol1 trichlorid/Bach-
тапп Н. R., Rinck R., NOth Н, Котра К. L., In: СЬет. Phys. Lett.
45 (1977) . S. 169 171.
103. Collisionless Multiphoton . Dissосiаtiоп 01 SF 6 : А StatisticaI
Thermodynamic Process/Black J. G., Yablonovitch Е., Вloembergen N.
In: Phys. Rev. Lett. 38 (1977) 20. S. 1131 1134.
104. Васильев Б. и., Вишняков Н. А., Талочкин В. Т. 11 др. CpaB.
н'ение эффективности возбуждения различных типов колебаний моле
кулы CCI 4 в мощном ИI< поле.//Письма в ЖЭТФ, 1979, Т. 30. В. 1.
С. 29 32.
105. Летохов В. С. Нелинейные селективНые фотопроцессы в ато-
мах и молекулах, М.: Наука, 1983.
106. Spectral characteristics of the SF 6 molecules excitation Ьу а
strong IR lasel' field at continuously tuned radiation frequency/Alimpi-
ev S. S. и. а. In: Optics Соттип. 31 (1979). S. 309 312.
107. Resonance structure of mu1tiple photon excitation iп syrnmet-
ric and asymmetric tops/Borsel1a Е. и. а. In: Chem. Phys. Lett.
101 (1983) S. 86 92.
108. /nfrared Laser photochemistry of Silane/Deutsch Т. F. lт
J. Chem. Phys. 70 (1979) 3. S. 1187 1192.
109. Князев И. Н., Кудрявцев Ю. А., Кузьмина Н. п., Летохов В. С;
Изотопически-селективная ФОТОДИССОllиаllИЯ молеl<УЛ СF з I при MHoro-
фотонном колебательном и последующем электронном возбуждении
лазерным излучеиием.//Журн. эксперим. и теорет. физ., 1979. Т. 76.
В. 4. С. 1281 1292.
110. Photofragтent fluorescence following ultraviolet laser muШ-
photon excitation/Flotakis С. In: ОрНсаl Engin. 22 (1983) 5. S. 554 557.
111. UV Photolyse von Naphtalen mittels Excimerlasers/Winkel-
тапп G. и. а. In: Zejtschirft fur Chemie. 23 (1983) 11. S. 417 418.
112. Deposition of Chromium films Ьу muШрhоtоп dissociation of
chromizim hexacarbony/Mayer Т. М., Fisanick G. J., Eichelberger IV,
Т. S. In: J. Аррl. Phys. 53 (1982) 12. S. 8462 8469.
113. Aus: Laser Focus. 15 (1979) 7. S. 28.
114. Suттary Abstract: Laser induced chemical etching of metaIs
and semiconductors/Houle F. А.; Chuang Т. J. In: J, Vac. Sci. Technol.
20 (1982) 3. S. 790 791.
115. Laser etching of inorganic materials/Chuang Т. .J In: Inter!'
паНопаl Conference of Laser Pl'ocessing and Diagnostics Applications
in Electronics Materials. Linz, 1984.
116. Dynaтics of Ablative Photodecomposition of Polymer Filmsf
Srnivasan R. In: Int-ernational Conference of Laser Processing and
Diagnostics Applications in Electronics Materials. Linz, 1984.
117. Laser photochemical processing for microe1ectronics/Ehrlich О.
J. и. а. In: Japan J. Appl. Phys. 22 (1983). S. 161 166.
118. 1R Laser Photo Assisted Deposition/Hanabusa М., Юkuеkl Н.,
Iwanga Т. In: International Conference оп Laser Processing and Diag-
поstiсs Applications in Electronics Materials. Linz, 1984.
119. Creation and detection of free radical intermediated in sili-
son etching Ьу laser ехсНаНоп techniques/Joyse S. А. и. а. In: Internatio-
паl Conference оп Laser Processing and Diagnostics Applications in
Electronics Materials. Liпz, 1984.
120. Laser Microphotochemistry for use in solid state electfQnicsf
Ehrlich О. J., Osgood R. М., Deutsch Т. F. jr. In: ШЕЕ. J. of Quantum
Electr. QE- 16 (1980). S. 1233 1243.
. 121. Suттary Abstract: Grovlth of Si and Ge thin films Ьу Iщ;еr-
induced chemical vapor deposition/Andreatta R. W. и. а. In: J. Vac. вы.
Technol. 20 (1982). S. 740 741.
122. Surface catalyzed photochemical reactions of physisorbed mol(&_
cules/Chen С. J., Osgood R. М.. In: Appl. Phys. А31 (1983). S. 171 182.
123. Physics 01 1aser photochemical wrШпg/Gitgеп Н., СЬеn С. J.,
Krchnavek R., Osgood R. М. In: Internationa! Conference оп Laser
Processing and Diagnostics AppIications in E1ectronic Materials. Linz,
1984.
124. New chemical mechanisms und so1id state device appIications/
EhrIich Е. J., Tsao J. У. In: Internationa! Conference оп Laser Pro
cessing and Diagnostics AppIications in E!ectronics Materia!s. Linz,
1984.
125. Silane purification via !aser induced chemistry/C!ark J. Н.,
Anderson R. G. In: Арр!. Phys. Lett. 32 (1979) 1. S. 46 49.
126. Амбарцумян Р. В., Торохов Ю. А., ТРU20РО8UЧ С. Л. Очистка
веществ в rазовой фазе ИК лазерным излучением.//Квантовая электро-
ника, 1977. Т. 4, N 1. С. 171 173.
127. О mеlшnizmе !azerohimiceskih reakcij/Oraevsku А. N., Pankra
tov А. В. In: Preprint. 37 (1919). Moskva: Lebedev lnstitut.
128. КрЮ/Ю8 П. Т., ЛеТОХО8 В. с., Матвеец Ю. А. и др. Селектив-
Ное двухступенчатое возбуждение электронноrо состояния орrанических
молекул в водном растворе пикосекундными импульсами света./JКваи-
товая электроника, 1978. Т. 5, N 11. С. 2490 2492.
129. Вiological Effects 01 LaSel" Radiation/Fine S., Юеiп Е. In: Adv.
Medic. Вio!. P11Ys. 10 (1965). S. 149 226.
130. ТиnaЫе Lasers and AppIications/hrsg. von Nl.ooradian А., Jae
ger Т., Stokseth Р. BerIin (West), Heidelberg, New York: Springer
Verlag, 1976.
131. Verwendung von FarbstoffIasern bei der spektra!en Erlorschung
der Fotoreaktivierung von Mikroorganismen/Anders А., Lamprecht 1.,
Laskowski W., Yasui А. In: Laser+E!ektrooptik. 8 (1976) 1. S. 22 24.
132. Fast Raman Spectroscopy 01 Cytochrome с using Intracavity
Resonance Raman Amp!ification/Fabian Н., Lau А., Werncke W., I_enz К.
In: СЬеm. Phys. Lett. 48 (1977) 3. S. 607 610.
133. Nichtlineare Absorption des Ch1orophyll а in vitro und in
vivo/Leupold О., Voigt В., Mory S., НоНmапп Р. 3. Iпt. Lasertagung
ILA 3, Dresden, 28.3. bis. 1.4.1977. Vortrag К 48.
134. Oxygen Recombination Юпеtics fo!owing Laser Photo!ysis 01
Oxyhemog!obin/McCray, J. N. In: Вiocbem. Biophys. Res. Соmm.
47 (1972) 1. S. !87 193.
135. Laser in der experimentel1en ZeIlforschung/Rieske Е., Gross
О. W., Kreutzberg G. W. In: Laser+E!ectrooptik. 9 (1972) 2. S. 44 45.
136. Messung der Ubertragungseigenschaften einze!ner SehzeIleri
der Fliege mitte!s LED/Enger Е., Smo!a U. In: Laser+E!ektrooptik.
9 (1977 )2. S. 47 51.
137. New Laser System used in Biomedica! Studies/N. N.: Spectra РЬу-
sics Laser Revievl. In: Laser Focus. 13 (1977) 6. S. !9 20.
138. Laser Focus. 12 (1976) 7. S. 26.
139. Der vollautomatische e!ektrooptische Ana!ysator LARC™ lur
weif3e B!utkorperchen (Corning G1ass Works)/N. N. In: Laser+E!ektro--
opHk. 5 (1973) 3. S. 22 23.
140. The Laser in FIuorescent Microscopy or Watch that Lymphocy-
te/Bergquist R. In: E!ectro Optisal Systems Design. 6 (1974) 7.
S. 24 27.
141. Laser in der Bio!ogie/CaIlahan Р. S. In: Laser+E!ektrooptik.
1 (1975) 2. S. 38-------39.
142. Farbstofflaser пеие spektroskopische Lichtquellen lur Wissen-
schaft und Technik/K5nig R., Diete! W., Grassme W. Iп: Feingerate-
technik. 27 (1978) 7. S. 313 3!6 und 28 (1978) 9. S. 402 405.
14;:J. Laser Micropro!>e Mass Analysis of Organic MateriaIs/НiI1en-
kamp Р., UnsOld Е., Kaufmann R.., Nitsche R. In: Nature. 256 (1975) 7.
S. 1l9 120.
144. Laser Fluorescence Analysis 01 Chromatograms: Sub Nanog
[ат Detection о! Aftaloxins/Berman М. R., Zere N. R. In: AnalyticaI
Chemistry. 47(1975)7. S. 1200 1201.
145. Microspectro F1uorometry/Kohen Е., ThoreII В., Kohen С., SaI
топ J. М. In: Adv. ВioI. Med. Phys. 15(1974)6. S. 271 297.
146. Кinetics о! H D Exchange {п Adenosin S P, Adenosin
3'5' Р and Loly R.iboadenyl Acid stydied Ьу Laser Raman Spect-
roscopy/Thomas G. J., Liramenio J. In: Вiochemistry. 14(1974) 11.
S. 5210 5217.
147. Pulsed ТипаЫе Lasers in Cytof1uorometry/Sacchi С. А., Sve-
Но О., Prinna G. In: Нistochem. J. 6 (1974) 5. S. 251 258.
148. Тiтe Resolved Spectroscopy о! Hemoglobin and its Complexes
with Subpicosecond OpticaI PuIses/Shank С. V., Ippen Е. Р., Bersolm J.
In: Science. 193(1976)7. S. 50 51.
149. Rapid StructuraI Changes in Ниmап Hemoglobin studied Ьу
Laser Photolysis/Alpert В., Banerjee R., Linquist L. In: Вiochem. Вiop
hys. Res. Соттип. 46(1972) 1. S. 913 918. .
150. Laser 77 Optoelectronics/hrsg. von WaideIich W. In: Conf.
Proc., IPC Science and technology press, 1977.
151. Varied Laser Techniques and Diagnoses а! Disease and Маl-
function о! the Eye/Wolbarsht М. L., Riva С. Е. In: Laser Focus. 12(1976)
12. S. 30.
152. Вlood flow Measurement/Riva С. Е. In: Laser Focus. 12
(1976)12. s. 34.
153. Medizinishe .Anvlendung€n von Lasern {п Japan/Sakurai У. Iш
Laser+ Elektrooptik. 4(1972)2. S. 51 52.
154. Die Kompensation der Phasenaberration bei grauem Star mit
Нi1fe der Holografie/David MiIler М. О., Zuсkеrmапп J. L., Rey
nolds G. О. In: Laser+E1ektrooptik. 5(1973)4. S. 46 47.
155. Krebsfruherker(nung mН der КоmЫпаНоп Bronchoskop G1asfa-
serkabeI/Huth G. С. In: Laser+Elektrooptik. 10(1978)2. S. 35.
156. Lasers in Photomedicine and Photobiologyjhrsg. von Pratesi R.,
Sacchi С. А. In: Springers Series in ОрНсаI Sciences, VoI. 22; BerIin
(West), Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1980.
157. Lasers {п Вiology and Medicine/hrsg. von HiIlenkamp Р., Pra-
tesi R., Sacchi С. А. New York, London: Plenum Press, 1980. S. 209
224.
158. Optical Microwave ОоиЫе Resonance Spectroscopy of In Vivo
Ch10rophyII/Clarke R. Н., Jaganmat11an S. Р., Leenstra W. R. In: Lasers
in Photomedicine and Р1юtоЫоlоgу/hrsg. vоп Pratesi R., Sacchi С. А.;.
Springers Series {п ОрНсаI Sciences, Vol. 22; BerIin (West), Heidelbel'g,
New York: Springer Verlag, 1980.
159. Picosecond Fluorometry о! the ЕхсНоп Diffusion {п Green P1ant
Antenna Chlorophyl1/Rubin L. В., Paschenko V. Z., Rubin А. В. In: La-
sers in Photomedicine and Photobiology/hrsg. von Pratesi R., Sacch
hi С. А.; Springers Series in ОрНсаI Sciences. Vol. 22; BerIin (West),
Heidelberg, I\;ew York: Springer Verlag, 1980.
160. Fluorescence Activated СеII Sorting/Bonner W. А., Hulett Н. R.,
Sweet R.. G., Herzenberg L. А. In: R.ev. Sci. Instr. 43 (1972). S. 404 407.
161. Evaluation о! the Chromatin РипсНопаI State Ьу Means о!
F1uorescense Оесау Тime Analysis/BottiroH G., Cionini Р. G., Docchio Р.,
Sacchi С. А. In: Lasers in Photomedicine and Photob.iology/hrsg. vоп
Pratesi R., Sacchi С. А.; Springers Series in Optical Sciences, Vol. 22i
Berlin (West), Heidelberg, Nevl York: Springer Verlag, 1980.
162. Laser Fluorescence SpectroscO'py оУ Вiomolecules/Anders А. In:
Laser in Photomedicine and Photobiology/hrsg. von Pratesi R., Sac
сЫ С. А.; Springers Series in ОрНсаl Sciences, Vol. 22; Berlin (West),
Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1980.
163. А laser f1uorimeter for direct cardiac metabolism investigation/
Renault с., Raynai Е., Sinet М., Berthier J. Р., Godard В., Cornil1ault J.
In: Optics and Laser Technology, June 1982. S. 143 148.
164. Subpicosecond Photodissociation and Time Resolved Spectro
scopy оУ Recombination Processes in СаrЬопшопохуhеmоglоЫп/Маr.
НП J. L., Astier R., Migus А., Antonetti А. In: Lasers in Photomedicine
and Photobiology/hrsg. von Pratesi R., Sacchi С. А.; Springers Series in
ОрНсаl Sciences, Vol. 22; Berlin (West), Heidelberg, Nevl York: Sprin-
gel. Verlag, 1980.
165. Ramaп Spectroscopic Evidence for the Microenvironmental
Change оУ Some Tyrosine Residues оУ Lens Proteins in Cold Cataraci/
Mizuno А., Ozaki У., ltоЬ к., Mat5ushima S., Iriyama К. In: Biochem.
Вiophys. Res. Сотmип. 119, No 3, March 30, 1984. S. 989 994_
166. Laser Speckle for determining Ametropia and Accommodation
Response оУ the Eye/Muhon N., Rodemann А. In: Appl. opt. IV. 1983.
S. 783 787.
167. Ophthalmic Uses оУ Lasers/Wolbarsht М. L. In: Lasers in Вio-
logy and Medicine/hrsg. VOl1 Hi!lenkamp F., Pratesi R., Sacchi С. А.
Nevl York, London: Рlепuш Press, 1980. S. 4Ol 420.
168. Quaпtitatioп оУ Rhеuшаtоid Factor Ьу Laser Nерhеlошеtrу/Rо-
berts Thomson Р. J., Wernick R. М., Ziff М. In: Rhеuшаtоl0gу Int.
2(1982). S. 17 20.
169. Nachweis von АпН Gашшаgl0Ьuliп Fаktоrеп mН НШе del.
Lаsеr Nерhеlошеtriе/Sсhmоlkе В., Leyssens N., Forlander К. о. In:
Diagnostik. 10(1977). S. 865 869.
170. Рlаsmарrоtеiп Веstiшmuпgеп durch Laser Nephelometrie/Sie
ber Е. In: LаЬоrрrахis LаЬоrаtоriuшsblаttеr. 27(1977). S. 109 113.
171. Symposiuт оп Porphyrin Localization und Treatment оУ Tи
mors/The Clayton Foundatiol1/April 24 28, 1983; Santa Barbara/Calif.
(USA) .
172. Therтodyпamic Analysis оУ Laser Irradiation оУ Вiological
Tissue/Halldorsson Т., Langerhold J. In: Аррl. Optics. 17(1978)24.
S. 3948-------3958.
173. Laser Tokyo'81/hrsg. von Аtsuшi к., Nimbakul N. In: 4 Коп
gress d€r intern. Gesellschaft Уш Laserchirurgie, Inter Group Corp.; To
kyo, 1981.
174. Optoelectroпics in Medicine/hrsg. von Waidelich. In: СопУ. Proc.
Laser'81; Shringer Verlag, 1982.
175. Лазеры в клинической медицине./Под ред. С. Д. ПЛетнева.
М.: Наука.
176. Laser in der Augenheilkunde/Schroder Е. In: Laser und opto-
elektronik. 15(1983)3. S. 209 212.
177. Low Level Lasertherapy reality or шuth?/Grеguss Р. In: Ор-
tics and Laser Technol. 16(1984)2. S. 81 85.
178. Der C02 Laser in der Neurochirurgie/Ascher Р. W. Wien: Ver-
lag Fritz Molden, 1977.
179. Die Entwicklung der La ertherapie in der Urologie/Mussig-
gang Н. МйпсЬеп: Werk Verlag Dr. Е. Banaschewski GшЬН, 1983.
180. Die physikalischen und biologischen Wirkungen der Laserstrah..
lung/Fral1khauser F. 111: КНI1. МЫ. Augel1heilkul1de. 170(1977)2. S. 219
227.
181. Operative El1doscQPy/hrsg. VOI1 Demlil1g L., Rosch W. Berlil1
(West) :Acrol1 Verlag, 197{).
182. Ophtha1mic Lasers/L'Esperal1ce, F. А. LOl1dol1: С. У. Mosby Со.,
1983.
183. The Laser il1 Biomedical Applicatiol1s/Harris В. В. 111: Electro-
Optical Systems Desigl1. 5(1973)5. S. 20 23.
184. Inertial COl1fil1emel1t Fusion: Review and Perspective/Johl1
son Т. Н. 111: Proc. IEEE. 72(1984)5. S. 548 594.
185. Plasma Physics al1d COl1trol1ed Nuclear Fusiol1. 23(1983) 1.
S. 97 1l9.
186. Аn overvlew of il1!3rtial fusiol1 reactor desigl1/Mol1sler М. J. и. а.
111: Nuclear Technology. 1 (1981) 7. З02 358.
187. /nteractioп of il1tel1se laser radiatiol1 with plasma/Key Н. Н.
111: Phil. Trans. Ноу. Soc. LOl1dol1. А 300(1981)3. S. 599 612.
188. Lawretlce Livermore Laboratory Anl1ual report; Laser pro-
gram, 1983.
189. Laser driven Fusiol1/Brueckl1er L. А., Jorl1a S. In: Rev. Mod.
Phys. 46(1974)2. S. 325 367.
190. Прохоров А. М., Анисимов С. И., Пашuнuн П. П. Лазерный
термоядерный синтез//УФН, 1976. Т. 119. В. 3. С. 401 424.
191. Рубенчuк А. М. О I1роблеме термоядерноrо синтеза//Автомет-
рия, .NQ 5. С. 80 93.
192. Laser /(ernfusion/Witkowski S. 111: Physik il1 unserer Zeit.
5(1974)5. S. 147 157.
193. iд еr steuern Kerl1fusiol1/Basov N. G. 111: Wissel1schaft ul1d
l:ortschritt. 29 (1979) 6. S. 220.
194, Diagtlostics for the Laser Fusion Program P1asma Physics 011
the Scale of Microl1s and Picoseconds/Attwood О. Т. In: IEEE J. Qual1-
tum Electr. QE 14 (1978) 12. S. 909 923.
195. ruнзбурz В. Л. Распространение электромаrнитных волн
в плазме. М.: Наука, 1967.
196. Сuлuн В. П. Параметрическое воздействие излучения большой
мощности на плазму. М.: Наука, 1977.
197. 111: N uclear Fusiol1, 19 (1979) 1. S. 138.
/( zлаве 4
1. Oegenwart ul1d Zukul1ft der Werkstoffbearbeitul1g mit Laser-
strahIel1/1IIl1er О. Tagul1gsband 48; SuhI: Kammer der Тесhпik, 1978.
2. Elektrotechtlologie/Col1rad н., Krampitz R. Berlil1: УЕВ Ver1ag
т echl1ik, 1983.
. 3. Laser il1 Elektrotechnologie ul1d Materialbearbeitung/Nowi-
cki М. Leipzig: Akademische Ver1agsgesel1schaft Geest und Por-
tig К. G., 1982.
4. Тихомиров А. Состояние и перспективы лазерной резки//Изв. АН
СССР. Сер. физ., 1983. Т. 47. .NQ 8.
5. Laserstrahltechпologien/Wiesl1er Р., Herzer Н. ZIS Mitt. Наllе
26(1984) 1. S. 101 107.
6. Automatisiertes Laserschwei(3en VOI1 Юеil1tеilеl1/Dапе К. ZIS
Mitt. Наllе 26(1984) 1. S. 93 100.
7. Laser offers key economics il1 Heavy sесtiоп Weldil1gjWeber J. 111:
Weld. J. Miami, Flo. 62(1983)2. S. 23 26.
8. Велuчко О. А., Молчан И. В., Моравскuй В. Э. Современное со.
стояние технолоrии непрерывной лазерной сварки (Обзор)//АБтоматиче
ская сварка, 1977, NQ 5. С. 44 50.
9. .The laser's other role/Steen W.. Wееrаsiпghе У. 111: Weld. Metal.
Fabr. Sutton (1983)9. S. 453 457.
10. Миткевич Э. Динамика формирования шва при сварке.//Авто-
матическая сварка, 1982. NQ 2. С. 22 25.
11. Schweij3etl und Schneiden vоп Metallen mit dem Laserstrah1/Se-
po1d G., Rothe R. In: Maschil1el1markt. Wurzburg 88 (1982)93. S. 1976
1978.
12. Moglichkeiten und Grепzеl1 des Schweij3ens тН Nd. YAG La-
sern/Sepo1d G., Buchholz J. Laser 77, Conferel1ce Proceedings; IPC
S-cience and Technology Press, 1977.
13. Deep petletration welding with high power C02 Lasers/Locke Е.
и. а. In: We1ding Research Supp1ement. 5(1972)5.
14. Laser Grundlagen uпd Апv,епdl1пgепfWеЬеr Н., Herziger G.
Weinheim: Physik Ver1ag, 1972.
15. Рblкалuн Н. Н., Услов А. А. Расчет HarpeBa металлов излучени-
ем СО 2 -лазера.// Сварочное производство, 1973. NQ 7. С. 1 3.
16. Geritlger Bauteilverzug beim Schl1eiden und Schweij3el1 mit
C02 Laser/Hel'brich Н., Weskott D. Iп: Маsсhiпепшаrkt.. Wi1rzbourg
89 (1983) 32. S. 6580 6582.
17. Скриtlченко А. Н., Сурков А. В. Выбор оптимальных парамет-
ров пучка для лазерной сварки.//Автоматическая сварка, 1983, NQ 2.
С. 4 48.
18. Величко О. А., Таращук В. П., моман И. В. и др. Сварные швы
на сталн и титане //Автоматическая сварка, 1974. NQ 10. С. 19 21.
19. Temperaturfelder bei der Bestrahlung vоп SiliziumfВurghardt W..
Zscherpe G. Iп: Feingeratetechnik. Berlil1 28 (1979) 2. S. 7l 72.
20. Einsatz von Мulti КПоwаtt Lаsеrl1 zur Materia1bea1'beitung/
Amende W., Zechmeister Н. 111: VDI Z. Di1sseld01'f 124(1982)15/16.
S. 581 590.
21. Медведовская Л. А., Шур Н. Ф. Оборудование и технолоrия ла-
зерной термической обработки (Обзор).//Металлов. термич. обработка
металлов, 1983. NQ 4. С. 17 28.
22. Elektrotlenstrahltechtlologie/Schi11er S., Heisig U., Panzer S. Ber-
liп: УЕВ Ver1ag Technik, 1977.
23. Thermische Oberf1achenbehandlul1g mit ВШе von COt-----Lаsеrп/
Meh1horl1 Н., Herzer Н. In: Fеiпgеrаtеtесhl1ik. Веrliп 32(1986)6. S. 272
275.
24. Ausgewahlte Uпtеrsuс1шпgеп zur Laserbearbeitung gutegescha1-
teter Nd: YAG Laser in der Mikroe1ektrol1ik/Zscllerpe G., Uimmel В.
In: Elektl'ie. Berlil1 37(1983)3. S. 154 157.
25. Materialbearbeitung mit Laserstrah1 Voraussetzungel1 1111d
Anwel1dul1gsmoglichkeiten/Volkel1al1dt Н., Zscherpe G. In: die Techl1ik.
Berlil1 32(1977)6. S. 338 339.
26. Mikroprozessorgesteuertes Widerstal1dstrimmsystem Modell 685.
Prospekt Laser Optrol1ic, 1979.
27. Laser we1dil1g of mi1d steel at Nirop, Minl1eapolis/Metzboewer Е.
111: Meta1. COl1str. Cambridge 15(1983) 10.
28. Wirtschaftliches Schl1eidel1 mit COt-----Lаsеrп/НerЬrich Н. 111:
Маsсhiпептаrkt. Wi1rzburg 82(1976)45. S. 974.
29. Qualitative ul1d wirtschaf1iche Aspekte des Schl1eidel1s mit C02
Laserl1lНerbrich Н. In: DSV Berichte Вапd 63, Deutscher Verbal1d fur
Schweij3techl1ik GmbH; D'i1sseldorf, 1980.
30. Laserkontaktieren 111 der Mikroelektro!).ikjWeickert F., Bartsch Р.
111. Feingeratetechl1ik. Berlil1 32 (1983) 10. S. 465 470.
31. Mit Laser gegel1 Diamal1tel1jHachfeld К. 111: Iпd. Апz. 100
(1978)14. S. 35 36.
32. Materialabtrag аl1 Rotorel1/Grote K. H., Remund R. 111: Laser+
+E1ektrooptik. 9(1977)4. S. 19.
33. Werkstoffbearbeitung mit Lаsеrstrаh1еп Неrstеl1еl1 VOI1 Locherl1/
Pahlitsch G., Eis1eben U. Iп: Strah1technik IV, DSV Berlchte 26(1973).
S. 79 88.
34. Condition setting method of heat processing utilizing data base
sustem on Laser surface herdening/Iinoue к., Matsumura S., In: Quart.
Journ. Jap. We1d. Soc. Tokyo 1 (1983)2. S. 195 201.
35. Bearbeitung di1nner Metal1schichten mit Laserstrah1ung/WoIf R.,
Zscherpe G. In: Feingel"iitetechnik. Berlin. 28(1979)3. S. 109 1l1.
36. Wiirтebehandlung, Auftragschweij3en und Lеgiеrеп mit der
BOC Laseranlage/Prospekt вас, Iпdustriаl Power Beams, Daventry,
1979.
37. Lаsеr Аррlikаtiопsfоrsсhuпg iп VEB Kombinat Lausitze,r
G1as ein Ruckblick auf ein Jahrzehni/Stiidt1er L. Iп: Si1ikattechriik.
Berlil1 35(1984)5. S. 146 148.
38. Торленко О. А., Михеенко Т. А. Свойства поверхностей, упроч-
ненных лазерной обработкой.//Физика и химия обработки материалов,
1983, NQ 6. С. 18 23.
39. Einsatz von I,аsеrп im Na baggerwesen/Kramer О. Iп:
Seewirtschaft. Berlil1 8(1976)9. S. 533 535.
40. Anwendung der Lasertechnik im Braunkoh1etagebauen/Kochril-
Ье F., Pllsche1 К. Garbrecht J. In: Jenaer Rundschau (1975)6......:..
. 307 309.
41. Lasers Today's great 1evel1ers in construction/Kahn М. Е. Iш
World Construction. (1977)2. S. 22 30.
42. Elektronisches Nivelliergerat filr die ВаuwirtschаЩN. N. In: Ве-
ton und Stаh1ЬеtопЬаu. (1981)8. А 20.
43. Unterirdischer Rohrvortl"ieb und ЮеiпtuппеlЬаu mit Laserorienti
erung/Kupper W. In: Bauinformation, Wissenschaft und Тесhпik. М
(1977) 1. S. 31 32.
44. Anwendung des Laserme(3technik Ьеl der Zwangsmol1tage/
Ареl Р., Siindig Н. J. In: Bauinformation. Wissenschaft uпd Technik.
23(1980), S. 21 23.
45. Zwiekszenie dektadnosci wykoniwania prac ziеmпусh koparkamie
jednona czyniowymi/Kuczmarski F., Przychodzien Т. Institut Mecha
l1izacji Вudоv:пiсtwа, Konferencja naukowa Jеdпоstеk Jednoimiennyc11,
Warszawa 3. 4.II.l983.
46. Иванов Ю. И., Мороз А. Т., Тенфан Т. С. Применение лазера
при монтаже металлоконструкций.//Монтажные и спец. работы в строи-
тельстве, 1983. Ng 6. С. 12 13.
47. Steuerbares Horizonta1bohrgerat filr l1ichtbegehbare Ro11rleitun
gen/Weber W., Uffmann Н. Р. In: Tiefbau, Ing. Ваи, Stra(3enbau. 25
(1983)3. S. 109 ll2.
48. Laser il1 const1'Uction теап greater accuracy at 10wer cost/Ash-
lеу R. К In: Build. Technol. & Managm. 2 (1983) 7. S. 16 17.
49. А leseres muszerek epitOipari alkatmazasa/Karsay F. Geode-
ziai es kartografiai Eggeskulet Budapest (Verland der Geodatel1 und
Kartographen); KOl1ferenz «А lezer alkalmazasa а mernokgeodezlaban»
(Laseranwendung il1 der Iпgеl1iеurgеоdаsiе); Budapest, 24 25 Septem
ber, 1984, Tagllngsheft S. 40 60.
50. Kanalbaulaser 1055 XI . uпd 1155/Prospekte Specta Physics,
1983.
51. Kal1albaulaser QL 150, Roto Laser QL 200 R/Prospekte Qual1te
Lasertechl1ik, 1983.
52. LasergeratelLoef/ler W. 111: Baugewerbe. 62(1982)23 24. S. 8
16.
53. The concrete facts about 1asers/N. N. 111: Сопstruсtiопееr, S. L.
37(1983) 16. S. 36.
54. Docuтents СОl1сеrпiпg the new definitlon of the metre/Metro10-
gie. Щ(1984). S. 163 1 78.
55. Systeтatische Einfusse auf die Frequenz VOI1 He Ne/I2""""'Lasern/
Sommer М., Tschirnich J. In: 1\'1etrologische Abhandlungen des ASMW.
4(1984) 1. S. 1 13.
56. Laseranwel1dungen in der inertialen Me und Navigationste-
chnik/Nolzapfe1 W. In: Laser+E1ektrooptik. (1973)3. S. 25 28.
57. Носhаuflбsеndе Interferometrie mit Zwеifrеquепz1аsеrп/Ооrеп-
wendt к., Probst R. Iп: РТВ .Мittе1uпgеп. 90(1980)5. S. 359 362.
58. Liingenтessullg mit Laserinterferometern/Ulrich О. In: PTB
Mittei1ungen. Me 19 (Febr. 1978). S, 19 31.
59. lnterferoтeter, Iпtеrfеrоgrатmаuswеrtuпg, MTF Messung/Pro-
spekt der Firma Orie1, USЛ.
60. Digital wavefront measur!ng interferometry: sоше systematic
error sources/Schwider J., Burow R., Elssner К. Е., Grzаl1па J., Spo1ac-
zyk R., Merre1 К. Iп: Applied Optics. 22(1983)21. S. 3421 3432.
61. Elektronische ЕпtfеrпUl1gsтеssuпg Рrоsреkt der Firma ElImig.
62. Satellitengeodatische Forschungen аm Geodynamischen Obser-
vatorium Potsdam/Montag Н. 111: Vermessungstechnik. 31 (1983)6.
S. 182 185.
. 63. Anwendung VOI1 Lasern in der Me(3technik eine Ubersicht/Fe1-
ske А. In: ТесЬп. Messel1, atm. 43(1976)9. S. 257 292.
64. Anwendung der LichtЬеuguпg in der Lal1genme(3technik/Br€:it-
meier U. In: Messel1 ul1d Priifen/automatik. (1983)6. S. 329 335.
65. Opto Elektronische Ме uпd Рriifvеrfаhrеп/Рrоsреkt der Fir-
та Homme1werke Oiffracto, 1983.
66. Optoelektrol1ische АЬтеssuпgskопtrоl1е in der Sеriепfеrtiguпg/
Auvray Р. In: Fеiпwеrktеshпik fш' Me leshnik. 92 (1984) 1. S. 17 19.
67. Digital Laser Me(3vorrichtung/Prospekt der Firma Matrix Pit-
ter; Eng1and.
68. Laser Mil{fometer/Prospekt der Firma Orie1; USA.
69. Einsatz optoe1ektronischer Sепsоrеп iп der Fertigиngsme(3tech-
l1ik sowie zum Steuern von Robotern/Breitmeier U. 111: VOI Zeitscllrift
125(1983)21. S. 873 897.
70. The effect of 'Ье earth's rotation оп the velocity of light. PI. II/
Мiсhе1S0П А. А., Оа1е Н. а. Iп: The Astrophysica1 Journa1. 61 (1925)3.
S. 14(}......145.
71. The ring laser inertial sensor/McCartney Е. J. 111: Navigatiol1.
13(1966)3. S. 260 269.
72. Motion measurement Ьу 1aser Oopp1er techniques/Angus J. С.,
Morrow О. L., Ounning J. W., French М. J. 111: Industria1 and El1ginee-
ring Chemistry. Ind. Ed. 61 (1969)2. S. 8 20.
73. 8C2 Fluid f10w measuremel1ts with а 1aser Ooppler velocimeler/
Foreman J. W., George Е. W., Jettol1 J. L., Lewis R. О., Thorl1ton J. R.,
Watson Н. J. In: 1ЕЕЕ Jourl1al of Qual1tum Electronics. QE 2(l966)8.
S. 260 276.
74. А laser Doppler techl1ique for the measurement of partic1e veloci-
ty/James R. N., Babcock W. R., Seifert Н. S. In: AIAA Journal. 6(1968) 1.
S. 160 162.
75. Beriihrungs10se Geschwindigkeits und Wegmessung durch La-
ser Dopp1er System (LADAR)/In: Feinwerktechnik. 74(1970)9.
S. 404 405.
76. С0 2 laser Doppler паvigаtоr proves feasible/M<;Manus Н. G.,
Chabot А., Go1dstein 1. In: Lasef focus. 4(1968)9. S. 21 8.
77. Multioscillator 1aser Gyroscop/Chow W. W., НаmЪеппе J. В.,
Hutchings Т. J., Sапdеrs V. Е., Sargel1t 11I, М., Scully М. О. In: ШЕЕ
J. Quantum Electronics. QE 16(l980)9. S. 918 935.
78. Ein Beitrag zur optischen Nachrichtenubertragung 111 der Аtшо-
phare mit GaAs Strah1ungsquellen/Kube Е. 1972. Dresden, Techn.
Univ., Diss. А.
79. C02 Laser Nacllrichtenubertragung durch Gro(3stadtatmospha
re/Fussganger K V01-trag ацУ NTG Fachtagung «Nachrichtenuber
tragung mit Lasern»; U1т, 1972.
80. Effects оУ Precipitation оп Propagation at 0,63, 3.5 and 10.6
Micross/Chu Т. S., Higg О. С. In: BSТJ. 47(1968)5. S. 723 759.
о
81. Optical Communications Experiments at 6328 А and 10,6/Lu-
су R. Р., Lang К. 111: Appl. Optics. 7(1968) 10. S. 1965 1970.
82. Lenses guide optica1 frequencies to 10w loss transmission/Gou-
Ьац G. Iп: E1ectronics. 39(1966)5. S. 83 89.
83. lnforтationsubertragung mit Licht1еitеrп Stапd und Entwick-
ki1g"iendenzen/Kube Е. Iп: msr. 22(1979)9. S. 482 490.
84. Fibre Optic Communications Systems/Yeh L. Р. In: Теlесоmmц-
nica tions. 12 (1978) 9. S. 33 38_
85. орисаl fibre communications, present and fulure/Midwinter J. Е.
In: Proc. Н. Soc. London. А 392(1984). S. 247 277. .
86. Fib/"e Optic Connector Dеvе10рmепts/Воwеп Т., Schuhmacher W.
In: Microwave Journa1. 22(1979)7. S. 55 59.
87. Ceraтir Capi11ary Splices for Optical Fibres/Nawata к.. Iwaha-
[а У., Suzuki N. In: Е1есtrопics Letters. 15(1979) 15. S. 470 472.
88. Optische Steckverbinder und Sp1ei(3e. Iш Markt & Technik.
(1978)44. S. 156 und 158.
89. Splicing optical fibres/Dakss М. L. Iп: Laser Fokus. 14(1978)5.
S. 66 70.
90. орасаl Communications/ln: Macrowaves. 17(1978)1l. S. 69
75.
91. Einfuhrung iп die Technik der Licl1twellen1eiter a1s Kommunikati-
ol1striiger/Hubmann Н. Р. In: Laser+E1ektrooptic. 10(1978)2. S. 20 25.
92. Rooт teтperatUl"e 1,5 diode 1asers operate cw il1 two Tokyo
laboratories/ln: Laser Focus. 15(1979) 11. S. 58 60.
93. New Light Source for Optica1 Communications System/Nawan-
ta К. In: ECL News. (1980). S. ' 2.
94. Einfuhrung in die optische Nachrichtentechnik/Kersten Н. Т.
Berlin (West), Heide1berg, New York: Springer Verlag, 1983.
95. Sources and Detectors for Optica1 Fiber Соmmuпicаtiоп. Systems/
Tran van Muoi. In: Laser Focus. 20(1984)9. S. '08 112.
96. Fibre Optics for Telecommunications/Campbell L. L. In: Micro-
wave Journa1. 22(1979)7. S. 24 34 und 84.
97. Error Propabi1ities Relate То Data Link S/N/Garner W. J.
111: Microwaves. 17(1978)11. S. 101 105.
98. Choose detectors for their differences, to suit <1Шеrепt fiber op
tic systems/Zucker J. 111: Electronic Design. 28(1980)4. S. 16 169.
99. ЕСС: Fiber optics, tanta1um caps and plastic resistors share
spot1ight/Ohr S. In: E1ectronic Dеsiпgп. 28(1980)4. S. 47 50.
100. Optical Fiber Communications. ТЬе State оУ the Art/Li Т. 111:
ШЕЕ ТrапsасtiОI1S оп Communications. 26(1978)7. S. 946 955.
101. Theoretical iпvеstigаtiопs of 10w lJoise regeneratiol1 9f Jight
pul es il1 соmmuпicаtiоп systems/Mul1er Н., Neef Е. In: Optica1 Commи
nications. 25(1978)3. S. 329 332.
102. The optical multi stage rереаtеr/Мй11еr Н., Neef Е. In: Opti-
саl Communications. 29(1972)2. S. 215 217.
103. Technische und okonomische -Vorbereitund des praktischel1
Einsatzes von Licht1еitеr Nасhrichtепsуs.tеmеп/Неhап J. Р., Bose Н.,
КиЬе Е., Meisel J. In: Fernme1detechnik. 19(1979)5. S. 178 181.
104. Single Mode Optical Waveguide SресШсаtiопs/Lemrоw С. М.,
Heitz Р. Н. In: Те1есоmmuпicаtiопs. 18(1984)5. S. 15 '18.
105. Pritlciples of fibre optical саЫе dеsigп/Fооrd S. G., Lees J.
111: Proc. ШЕЕ. 123(1976)6. S. 597 608.
106. Optische Nachrichtentechnik/Unger H. G. Berlil1 (West): Еli-
tera Verlag, 1976.
107. Lichtleitertechtlik/G!aser W. Berlin: Ver1ag Techl1ik, 1981.
108. Holographie/Groh G. Stuttgart, Berlin (West): Union, 1973.
!09. Coherent optical рrосеssiпgNап О. Lugt А. 111: Proc. ШЕЕ.
62(1974)10. S. 1300.
110. Einfuhrung in die Technik der Hologra1hie/Kum1e Н., Ross O.
Frап}йurt аm Main: Akademische Verlagsgesellschaft, 1964.
111. Advances in Ho10grafie. Уоl. 3/Farhat N. Н. New York and Ba
sel: Marcel Dekker Inc., 1974.
112. Verfahretl zur quапtitаtivеп Auswertung. ho10grafischer Inter-
ferogramme/Schreiber W., Wenke L., Er1er К. In: Feingeratetechnik. 29
(1980)4. S. IБJ 163.
113. Holografische Interferometrie. Grund1agen, Methoden und ihre
Anwendul1g in der Festkorpermechanik{Wernicke G., Osten W. Leipzig:
УЕВ Fachbuchver1ag, 1982.
114. Erfassung und maschinelle Verarbeitung von Bilddaten/hrsg.
von Kazmierczak Н. Berlin: Akademie Ver1ag, 1980.
115. Optical Holography/Collier Н. J., Burckhardt G. В., Lin L. H.
Ве1l Те1ерЬопе Laboratories Murray НШ, New Jersey. New York, London:
Academic Press. 1971.
116. Optical Information Processing, Уоl. I/Lohmann А. W. Physika
lisches Institut der Universitat Erlangen; Er1angen, 1978.
117. Synthetische Holografie/hrsg. von Schreier О. Leipzig: УЕВ
Fachbuchverlag, 1984.
118. Applied Holografy а Survey/Saxby G. In: ТЬе British Journal
of Photography. 130(1982). S. 806 809.
119. Applied Ho10grafy а Syrvey/Saxby G. In: ТЬе British Journal
of Photography. 130(1983). S. 844 846.
120. Applied Holografy а Survey/Saxby G. In: Т11е British Journal
of Photography. 130(1983). S. 868 869.
121. Video disk p1ayer optics/Bouwhuis G., Braat J. J. М. In: Appl.
Opt. 17 ( 1978). S. 1993 2000.
122. Laser Ьеаm recording of video disks/Jacobs В. А. J. Iп: Appl.
Opt. 17(1978). S. 2001 2006.
123. Laser Ьеаm I'eading of video records/Ve1zel С. Н. Р. In: Appl.
opt. 17(1978). S. 2029 2036.
. 124. Bildplatteпsysteme im Vеrg1еich/Теtzпеr К. In: audio und video,
Sonderheft der Funkschau Nr. 38. (1982). S. 8 19.
125. Coтpact Disc Digital Audio/Harder С. In: audio ul1d video,
Sonderheft der Funkschau Nr. 38. (1982). S. 48 50.
126. The Compact Disc Digital Audio System/Carasso Jv1. G., Peek J.
В. н., Sinjou J. Р. In: РЬi1iРБ tесhп. R.ev. 40(1982)51.
127. Теn billion bits оп а disk/Ba1thuis к., Carasso М. G. и. а. In:
ШЕЕ spektrum August 1979. S. 26.
128. Signal to noise il1 magl1eto optic strage/Mansaripur N.,
СопеВ G. А. N., Goodman J. W. 111: Proc. of SPIE (Int. Soc. for Optica1
El1gil1eering) 329 Optica1 Disk Тесhпо10gу. (1982). S. 215 222.
129. Optical ПЬеr sensor technology/Giallorenzi Т. G. и. а. Iп:
J. Quantum E1ectr. QE 18(1982)4. S. 626 665.
130. Faseroptische Мu1timоdе Sепsоrеп/Sреппеr к., Kersten R. ТЬ.,
R.amakrishnal1 S. In: Laser und Optoe1ektronik. 15(1983)3. S. 226 234.
131. Fаser uпd integriert optische Monomode Sensoren/Кjst Н.,
Kersten R. ТЬ. In: Laser und Optoe1ektronik. 16(1984)1. S.J7 30.
132. Mef3fuhler Нir l1ichtoptische Mef3rof3en auf optischen Рriпziрiеп
und mit optischel1 Ausgangssignalen/Hart Н., Prethel R. In: Feil1gerate
technik. 32(1983)7. S. 312 315; 8. S. 357 361; 9. S. 404 409.
133. Аn introduction to ПЬеrорtics sепsоrs/Dаvis СЬ. М. Iп: ' .a-
ser Focus. 18(1982)2. S. 112 1l5.
134. Pikosekunden Optoelektronik/Veith G. In: Laser und Opioe1ekt-
rOl1ik. Stuttgart 15(1983)3. S. 117 125.
135. Lasergesteuertes sсhпеllеs optoe1ektroniscl1es Scha1ten in На1Ь-
lc!iсrп/I3I'ш;kпеr V., I(ersten Р. In: Ехр. Technik Physik. 32(1984)2.
S. 139 154.
136. Picosecond РЬеl10mепа I11/hrsg. von Eisenthal К. В. и. а. Berlil1
(West), Heide1berg, New York: Springer Verlag, 1982 Tei1 111, S. 130
153; Optoelectronics. .
137. lntegrated Optics: Physics and Applications/hrsg. vоп Mar-
telluci S., Chester А. N./Nato ASI Series В, Vo1. 91). New York, Londol1:
Plenum Press, 1984.
138. lntegrated Optics: Ап Introduction/Mil1er S. Е. In: BSТJ.
48(1969)7. S. 2059 2068.
139. lntegrated Optics. Theory al1d Technology/Hunsperger R. G.
Berlin (West), Heide1berg, New York: Springer Verlag, 1982.
140. lntegrated Optics/hrsg. von Т. Tamir. Berlin (West), Heidel-
berg, New York: Springer Verlag, 1979.
141. Theory of dielectric optical waveguides/Marcuse О. New York,
LOl1don: Academic Press, 1974.
142. Planar optical waveguides and fibers/Ul1ger Н. G. Oxford:
Clarel1don Press, 1977.
143. Photonics/hrsg. von М. Balkanski, Lallemal1d Р. Paris: Gaud-
hier Vil1ars, 1973.
144. Fiber and Integrated Optics/hrsg. von Ostrowsky О. В. New
York, London: Р1епиm Press, 1979.
145. Stand und ProbIeme der integrierten Optikaus physikalischer
Sicht/Drenckhan J., РоЫ Н. J. In: Beitrage aus der Optik uпd Quanten
elektronik. 1976. S. 15 35.
146. Quided wave optics/Taylor Н. Р., Yariv А. 111: Proc. IEЕЕ.
62(1974)8. S. 1044 1060.
147. Periodic structures for il1tegrated optics/Yariv А., Nakamura М.
In: IEEE J. Qual1tum E1ectrol1. QE 13(1977)4. S. 233 253.
148. Liтits of Il1tegrated Орtics/Коgеlпik Н. 111: Proc. IEEE.
69 (1981) 2. S. 232 238.
149. Optische Nachrichtel1iiberagul1g ul1d lntegrierte Optik/Kers
ten R. Th. In: Elektronik. 1975,6. S. 72 86.
150. Guided wave devices for optical cs:>mmunicatiol1/Alfer-
l1ess R. С. In: IEEE Quantum Electron. QE 17(1981)6. S. 946 959.
151. lntegrated optic modu1ators and switches/Voges Е. In:
proceedings 5th Il1ternationaI Schoo1 of Coherent Opticsfhrsg. von Phys.
Techn. IпsШut der AdW der DDR, Jena. 1984, part 1. S. 77 84.
152. lntegrated opi.ics devices/Wi1kinson J. S. In: Phys. Techn.
14(1983). S. 190 194.
153. Fabrication Techniques for Integrated Optics Devices/Betts R. А.
In: Phys. Тесhп. 14(1983). S. 194 198.
154. Берzманн Дж., Эберт Т., Фишер Р., Т лас П. rенерация второй
rармоники в асимметричных волноводах на основе GаАs.//Изв. АН
СССР, Сер. фИ3., 1981. Т. 45. NQ 6. С. 979 981.
155. Low Loss optical waveguides in MBE grown GaAs/GaAIAs
hеtеrоstruсturеs!НоughtОI1 А. J. N. и. а. Iп: Optics Соmmип. 46(1983)4.
S. 164 166.
156. lntegrated OpticsIlfhrsg. von Наll G. 111: SPIE. 321 (1983).
157. Opticai Interfaccs for Digital Circuits al1d Systems/hrsg. von
МНапо А. 111: SPIE. 466(1984).
158. lntegrated Optoelectrol1ics/Bar Chaim N., Ury 1., Yariv А. In:
IEEE Spectrum. Мау 1982. S. 38 45.
159. lntegrated optical approaches to numerical optical compuHng/
Verber С. М. In: Proc. IEEE. О 72(1984)7. S. 942 953.
160. Digital Optical Соmрutiпg/Sаwсhuk А., Strand Т. In: Proc.
IEEE. 72(1984)7. S. 758 779.
161. lntegrated Optics al1d Raman Scattering/Rabo1t J. F. и. а. In:
IВM Journ. 26(1982)2. S. 209 216.
162. Design considerations and performance of Mach Zehl1der
waveguide ПlOdu1аtоrsjАurасhеr F., Kei1 R. In: Wave Electronics.
4(1980). S. 129 140.
163. Efficient wave guide electro optic TE TM mode converter/
wavelength шtеrjАlfеrпеss R. S. In: Appl. Phys. Lett.
36(1980)7. S. 513 515.
164. Polarisation independel1t optical Шtеr using interwaveguide
TE TM conversiol1fAlferness R. с., Buhl L. L. In: Аррl. Phys. Lett.
39(1981 )2. S. 131 134.
165. A/D conversion experiments using а LiNЬО з balanced bridge то-
dulator/Yamada S. и. а. In: Аррl. Phys. Lett. 39(1981)1. S. 124 126.
166. 17 GHz Ьапdwidth e1ectro optic modu1ator/Gee С. М., Thur-
mond G. D., Уеп Н. W. In: Арр!. Phys. Lett. 43(1983) 11. S. 998 1000.
167. Architectural сопsidеrаtiопs il1vo1ved in the dеsigп of ап opti.
саl digita! computer/Huang А. In: Proc. IEEE. 72(1984)7. S. 780 786.
168. Liтits to Miniaturization in Optics/Dandliker R. 111: Laser+
I+Elektrooptik. 13(1981)3. S. 25 31.
169. Drucken mit Laser/Christinat Ch. In: Laser+Elektrooptik.
(1980)2. S. 22 24.
170. Нigh Speed Photography and Photonics/ln: Proc. 13th Iпt.
Congr. 1978. SPIE, vol. 189, Tokyo (1979).
171. Laser und ihre Anwendul1gen/Naray Zs. Leipzig: Akademische
VerlagsgesellschaH Geest & Portig K. G.. 1976.
172. Laser/Westermann F. stuttgart: Teubner Verlag, 1976.
1('3. Laser in Indtlstrie uпd Technik/Вimberg О. Grafenau: Lexika
Verlag, 1977.
174. Optische Laser IП der Elektronik/Steele С. L. Stuttgart: Ber-
liner Union, 1975.
175. Laser, Grundlagen Eigenschaften und Anwendung il1 Wissens-
chaft und Technik[Giirs К. Frankfurt/M: Umschau Verlag, 1970.
176. Atlwendung des Lasers in der Fеrпmе1dеtесhпik/Gruss R. In:
Der Fernme1de Ingenieur. 21 (1967)9. S. 1 31.
177. Techtlische Апwепduпgеп des Lasers/Rosenberger О. и. а.
Berlin (West), Heide1berg, New York: Springer Ver1ag, 1975.
к zлаве 5
1. Optical Radiation with Particular Rеfеrепсе to Lasers/Goldman L.
и. a./hrsg. von der WHO, Regiona1 Шfiсе for Europe, Сорепhаgеп, 1977.
2. Gefahr durch Laserstrahlen/Krause H. In: Ai'beitssicherheit.
Handbuch fiir Unternehmens1eitung. Betriebsrat und Fiihrungskrafte.
Freiburg i. Br.: Rudolf Haufe Ver1ag, 1972.
3. Laser in il1rer arbeitshygienischen Bedeutung/Kupfer Е. In:
Z. ges. Hyg. 19(1973)3. S. 169 177.
4. Laser aus der Sicht des АrЬеitssсhutzеs/Юепsсl1midt W. In:
Schi'iftenreihe Arbeitsschutz des Zепtrаliпstituts fiir Arbeitsschutz. НеИ
30. Berlin: Ver1ag Тi'iЬuпе, 1971.
5. А guide for сопti'оl of laser 11azards/ACGlH (1973). Cincinnati,
Ohio: Аmеricап Conference of Govermenta1 Industria1 Нуgiепsts.
6. Aтericatl Nаtiопа1 Standard for the Safe of Lasers. ANSI Z 136.1
ANS! (!а73), - New Yorlc American National Standard IпsШutе.
7. Laser Schutz bei der Anwendung vоп Helium Neon Dauer
liсМ Lasern/Detimers О., Loff1er W., Rепz К. In: Z. Berufsgenos
sепsсhаft Betriebssicherheit. (1970)7. S. 247 252. '
8. Farb utld Fi1terg1as fш- Wissепsсhаft uпd Techl1ik/Kata10g. УЕВ
JENAer G1aswerk, Jепа, 1962.
9. Katalog fiir АrЬеitssсhutzk1еiduпg und ArbeitsschutzmittelfВerlin:
Verlag Tribune, 1970.
к zJ/aee 6
1. Laser Pa1'ameter Measurements Handbook/Heard Н. G. New
York, London: Jo1111 Wiley & Sons Inc., 1968.
2. Liтiting Sensitivities of Detectors of Infrared апd Visible Radia-
tiоп/МсLеап Т. P./hrsg. von L. R. Baker London: British Electro Op
tics, Tay10r и. 100rапсis Lfd., 1977.
3. Prospekt Mo1ectron Corp. USA 1971.
4. Prospekt RCA, P 700 С, Photomu1tiplier Tubes. USA 1976.
5. Photoeтissive Materia1s/Sommer А. Н. New York, London: John
Wiley & Sons Inc., 1968.
6. Negative АШпitу III V Photocathodes: Their Physics апd Тесn-
no10gy/Spicer W. E. Iп: Арр1. Phys. 12(1977)2. S. 115 130.
7. Physikalische Aspekte des zeit1ichen Auf1osungsvermogens der Ра-
tоzеllе/Вruппеr W., Раи1 Н., Bernhard F., Antkowiak J. Iп: Ехр. TecMik
d. Phys. 27(1979)5. S. 429 436.
8. Die Anwendung des Prinzips gekreuzter elektrischer und magne
tischer felder bei der Rеаlisiеruпg еiпеs Sekundiire1ektronenvervieHa-
chers mit extrem hoher Zеitаuf1бsuп/Апtkоwiаk J., Bernhard F. Iп
Nuc1. Instrum. and Meth. 70(1969) 1. S. 269 273
9. Microchantlel Plates/Leskovar В. In: Phys. today. (1977) В.
S. 42 49.
10. Aufbau. Wirkuпgswеisе und AusfUhrungsf01"men von BildversHir-
kerl1/Kreiser J. Iп: Int еlеktrоп. Ruпdsсh. 27(1973)8. S. 143 147, 169
173, 196 198.
11. Ultrashort Pu1se Меаsurеmепts!Вrаd1еу D. J., New G. Н. С.
In: Proc. ШЕЕ. 62(1974)3. S.313 345.
12. те teтporaldisperse Sеl1S0rrбhrе (TDS) eine пеие Streakrohre
mit Silizium Diodenmatrix/Lucht Н., Jager Е., Jupner J., Schmidt Н.
In: Ехр. Techl1. Phys. 33(1985)2. S. 149 157.
13. Receпt deve10pments in picosecond, рhоiосhrопоsсору/Вrаd-
lеу D. J. In: Optics und Laser Techno10gy. 11(1979) 1. S. 23 28.
14. Signal Mittelwerbilduпg l1ach dem Boxcar Verfahren/Bec-
ker W. In: radio fеrпsсhеп elektronik 28(1979)7. S. 415 418.
15. Phototl counting/Morton G. А. In: Appl. Optics. 7(1968).
S. ' 10.
16. Vakuuтelektroпik/hrsg. von Gollinitz Н., Sсhпеidеr Н; G., Rбss-
ler Н. Berlin: Akademie Verlag, 1978.
17. Pyroelectric vidicon: А new тu1tichаппеl spectrometric infrafed
(1...30 ""m) dеtесtоr!Таlmi У. In: Аррl. Optics. 17(1978)16. S. 2489 2501.
18. CCD und CID optoe1ektronische HalbIcitersensoren fiir die
Ferl1sehtechnik/Herbst Н., Knauer к., Koch R. In: Ruпdfuпktесhl1. Mittei
'Iungen. 21 (1977)2. S. 77 86.
19. Pyroelectric self scal1ning Infrared Detecior Arrays/Prospckt
SPIRlCON. USA, 1981.
20. Prospekt ЕО а. G./Рriпсеtоп Applied Research. ОМА 2. USA,
1979.
21. Prospekt Tracor Northern/DARSS System. USA, 1978.
СПРАВОЧНИК
ПО ЛАЗЕРНОЙ
ТЕХНИКЕ
Перевод с немецкоrо
В,Н, БЕЛОУСОВА
Под р дакцией
профессора АЛ НАПАРТОВИЧА
МОСКВА
ЭНЕрrОА ТОМИЗДАТ
1991 .
ББК 32.86-5
С74
УДК 621.375.826(035.5)
РецензС'нт В. Ю. Баранов
WISSENSSPEICHER LASERТECHNIK/
WIТLOF BRUNNER, KLAUS JUNGE
УЕВ FachbuchverIag Leipzig, 1987
Справочник по лазер нои технике: Пер. С нем.
С74 М.: Энерrоатомиздат, 1991. 544 С.: ил.
ISBN 5 283-02480-6
В сжатой форме изложены физические основы квантовой
электроники, принцнпы действия и особенности лазеров различ-
ных типов. Большое внимание уделено использованию лазеров
в физике, химии, БИОЛОl'ИИ, медицине, техническому примене-
нию лазеров. Кратко рассмотрены вопросы техники безопас-
ности при работе с лазерами и измерения лазерноrо излу-
чения.
Для инженерно-технических и научных работников, зани-
мающихся разработкой лазерных приборов и использующих
лазеры в различных областях наукн и техники.
2302030400-348
С 190-90
051(01)-91
ББК 32.86-5
IS BN 5 283-02480 6 (рус.)
ISBN 3 343 00204-6 (нем.),
@ 1984 УЕВ Fachbuchver-
lag Leipzig, 1987
@ Перевод на русский язык,
предисловие. Энерrоатом-
издат, 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Предлаrаемая вниманию читателей книrа представляет собой ори-
rинальный справочник по лазерной технике и применениям лазеров
и иауке и технике. Осноиы физики лазеров эдесь даны в очень краткой
конспективной манере. Поэтому тем, кто интересуется лазериыми резо-
наторами, лучше порекомендовать целый ряд сущестиующих в Совет-
ском Союзе книr на эту тему [l 3].
Во второй rлаве справочника приводится краткое описание прин-
ципов действия и основных физических и технических характеристик
всех распространенных типов лазеров. Эти разделы написаны кратко
и ясно и преследуют суrубо практическую Ilель дать сведения, необ-
ходимые тому, кто хочет использовать тот или иной лазер в своей ра-
боте. В последние rоды широкое развитие получили решетки полупро-
вопникпвых .r!азероВ, работающих в сфазированном режиме. Обзор
cOBpeMeHHoro состояния в этой области содержится в [4]. в заключе-
ние этой rлавы рассмотрены некоторые вспомоrательные устройства
и приемы в лазерной технш<е: модуляция добротности резонатора; ме-
тоды стабилизации частоты и rенерации коротких импульсов; оптичес-
кие материалы, дифракционные решетки, электро- и маrнитооптические
эффекты и их использование.
Наиболее существенный и интересный для COBeTCKoro' читателя раз-
дел книrи посвящен применениям лазеров в науке и технике. Рассмот-
рены процессы нелинейной оптики, позволяющие получать новые час-
тоты; нелинейные эффекты в волноводах, на поверхностях твердых тел;
процессы четырехволновоrо смешения. Описаны оптические устройства,
использующие эффекты нелинейной оптики, включая бистабильные эле-
менты и зеркала, обращающие волновой фронт. На мой взrляд, явлению
обращения волновоrо фронта в данном справочнике уделен'о меньше
места, чем оно Toro заслуживает. По явлению ОВф можно рекомендо-
вать книrи [5, 6].
В справочнике описаны также применения лазеров в спеI{ТРОСКО-
пии, и том числе нелинеиной; в фотохимии, включая разделение изото-
пов; в микроэлектронике; в биолоrии и медицине и для целей инерци-
oHHoro термоядерноrо синтеза. Особый интерес для советских читателей
MorYT представить биолоrические применения лазеров, описанные до-
статочно широко. В качестве HOBoro применения лазеров, получающеrо
в последнее время бурное развитие, следует указать на получение с их
помощью пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [7],
а также их использование для спектроскопии ВТСП [8]. ПРOl'рамма
исследований мощнOI'О эксимерноrо лазера в целнх лазерноrо термо-
ядерноrо сннтеза изложена в [9].
Среди применений лазеров в reхиИКе, описанных в справочнике,
обработка материалов (сварка, резка, сверленнс, упрочнение и т. д.):
метролоrия; оптическая передача информации; rОЛОI'рафия. Кроме Toro,
даны описания устройств лазерноrо проиrрывателя и лазерноrо диска,
световодных датчиков, устройств интеrральной оптикм, лазерllоrо прин-
тера. Обсуждаются преимущества применения лазеров в вычислитель-
ной технике, фотоrрафии, устройствах кодирования и опознавания. Для
cOBeTcKoro читателя особый интерес может представить описание ис.-
пользоваllllЯ лазеров в строительстве зданий, дорOl', штолен и т. п. Сре-
ди невошедших в справочник стоит отметить применсние лазеров в уст-
ройствах оптической ассоциативной памяти [101.
Большое внимание в справочнике уделено вопросам техники без-
опасности при работе с лазерамн и лазерным лучом.
Последний раздел справочника посвящен вопросам измерения пщщ.
метров лазерноrо излучения. Вслед за основиыми ПОнятиями техники
оптических измерений изложены принципы работы реrистрирующих
устройстl3 и далее описаны основные виды оптических датчиков, вклю-
чая устройства, реrистрирующие и усиливающие изображение. Сделан
вывод о начавшемся переходе от ламповых устройств к компактным
твердотельным приемникам с учетом последних достижений в микро-
электронике.
Книrа может представить интерес для разработчиков лазеров, да.
вая ннформацию о требованиях I{ лазерам с точки зрения разлнчных
применениЙ. Для научных работников и инженеров, использующих или
планирующих использовать лазеры в своей деятельности, книrа позво-
ляет ориентироваться в мире лазеров. Особую Ilенность дает ей полно-
та охвата вопросов, которые MorYT встретиться при практической рабо-
те с лазерами. Материалы справочника несомнеино полезны также
студентам старших курсов и всем начинающим работать с лазерами.
А. П. НапарТDВUЧ