1.2.2. Монохроматичность

Монохроматичность (степень монохроматичности) лазерного излучения тесно связана с его когерентными свойствами. Идеально монохроматическая генерация - это испускание источником излучения бесконечно длинного цуга гармонических колебаний, т.е. колебаний вида где - постоянные величины. Однако такая генерация физически не возможна, т.к. существует принципиальный предел возможного сужения спектральной линии генерации, связанный с квантовой природой излучения.

Полоса пропускания элемента лазера, который обеспечивает положительную обратную связь (т.е. резонатора), обычно значительно уже ширины спектральной линии активного вещества. Однако наряду с действием механизма вынужденного испускания квантов лазерного излучения в активном веществе неизбежно происходит одновременное испускание в случайные моменты времени и квантов спонтанного излучения. Возможный разброс их частот определяется шириной спектральной линии активного вещества. Некоторые из спонтанно испущенных квантов, попав в подходящие условия (в одну из мод лазерного резонатора), дадут начало новым цугам колебаний, частота и начальная фаза которых будут отличаться от характеристик цугов, возникших ранее. Опыт показывает, что ширина спектральной линии лазерной генерации всегда бывает больше ее теоретического предела. Для того, чтобы приблизиться к нему, требуется принятие специальных мер, обеспечивающих высокую степень стабильности всех параметров лазера, устранение их флуктуаций, вызываемых, прежде всего, причинами теплового и акустического происхождения.

1.2.3. Расходимость и яркость

Процесс вынужденного испускания квантов, который лежит в основе явления квантового усиления, обусловливает еще одно замечательное свойство лазеров: они способны генерировать пучки излучения чрезвычайно малой расходимости (высокой направленности). Это свойство лазеров позволяет получать высокую концентрацию электромагнитной энергии в малом телесном угле.

Остронаправленные световые пучки можно создать и с помощью нелазерных источников. В этом случае нужно использовать источники малых размеров (а это ограничивает возможную мощность) и применять экраны с малыми отверстиями. Однако с уменьшением размеров отверстия растет дифракционная расходимость прошедшего через него светового пучка.

Дифракционная расходимость излучения имеет место и при использовании лазерного источника. Дифракция происходит на элементе лазера, через который его излучение выводится из резонатора (например, на частично прозрачном “выходном” зеркале). Однако размеры этого элемента могут быть значительно большими, чем размеры выходных отверстий в случае получения пучков с малой расходимостью от обычных (нелазерных) источников.

И без того малую дифракционную расходимость излучения лазера можно снизить с помощью внешних фокусирующих устройств, эффективность которых в этом случае также оказывается более высокой.

Возможность сосредоточить всю мощность лазерного излучения в чрезвычайно малом телесном угле позволила эффективно использовать лазеры для решения широкого круга практических задач, таких как обработка материалов (резка, сварка, пробивка отверстий, закалка, отжиг и т.п.), передача энергии и информации на большие расстояния и т.д.

Нелазерные источники света обладают сравнительно низкой яркостью. Как бы ни высока была их температура, они не могут излучать в каком-то определенном интервале частот больше энергии, чем испускает в этом интервале (при той же температуре) абсолютно черное тело. Так, например, Солнце испускает энергию почти как абсолютно черное тело, имеющее температуру 6000С. Мощность его излучения во всем спектральном диапазоне равна 7 кВт с одного квадратного сантиметра поверхности. И как бы не пытаться концентрировать солнечный свет, достичь большей плотности энергии в точке ее приема невозможно. Если отфильтровать узкую полосу солнечного света шириной в 1 МГц в зеленой области, где он наиболее интенсивен, то окажется, что каждый квадратный сантиметр поверхности Солнца излучает в этой спектральной полосе лишь

Все обычные источники света в этом смысле подобны Солнцу: Мощность их излучения распределена в широкой области частот. Даже газоразрядные лампы, имеющие спектр излучения, состоящий из небольшого числа сравнительно узких спектральных линий, не могут приблизиться по энергетическим характеристикам их излучения к генераторам радиодиапазона. Так, например, для телевизионных передатчиков обычной является величина излучаемой мощности в десятки киловатт в полосе шириной порядка мегагерца.

Лазеры обладают гораздо более высокой яркостью и спектральной плотностью яркости по сравнению с любыми нелазерными источниками излучения оптического диапазона. Заметим, что энергетические характеристики (величины) этого типа являются значительно более информативными для описания специфических свойств лазерного излучения, нежели такие, как мощность или интенсивность. Они пришли в физику и технику лазеров из светотехники, что нашло свое отражение в их названиях. Приведем определения некоторых из них.

Энергетическая сила света (сила излучения) - это величина потока излучения от источника, приходящаяся на единицу телесного угла в данном направлении. В системе единиц СИ она измеряется в ваттах на стерадиан (Вт/ср).

Энергетическая яркость (лучистость) - это энергетическая сила света некоторого источника, которая приходится на единицу площади проекции поверхности этого источника на плоскость, перпендикулярную направлению распространения излучения. Если обозначить площадь элемента поверхности источника через dS, а площадь упомянутой выше проекции - через то:

= dS cos , (1.2.3.1)

где  - угол между направлением распространения излучения и нормалью к плоскости, в которой расположен элемент площади поверхности источника. В соответствии с вышеприведенным определением:

(1.2.3.2)

Величина измеряется в Вт/( ).

Если энергетическая яркость источника излучения во всех направлениях одинакова (это в той или иной степени характерно для обычных источников), он называется ламбертовым. Энергетическая сила света ламбертова источника в некотором направлении удовлетворяет закону Ламберта:

= (1.2.3.3)

где - энергетическая сила света в направлении, перпендикулярном поверхности источника (угол  определен выше).

Сравним обычный (ламбертов) и лазерный источники излучения одинаковой мощности. В обычном источнике вся мощность распределена в угле 4 (или сравнимом по величине с 4). В лазерном - сосредоточена в очень малом телесном угле. По этой причине величина у лазеров даже сравнительно небольшой мощности намного больше, чем у значительно более мощных обычных источников излучения. Это и понятно: в малый телесный угол, куда направлена вся лазерная мощность, попадает лишь сравнительно малая часть излучения, испускаемого источником обычного типа. Иначе говоря, прежде всего это является следствием высокой степени направленности лазерного излучения.

Величина энергетической яркости не содержит информации о спектральном распределении излучения. Его иногда нужно знать и для нелазерных источников, а для излучения лазера спектральное распределение характеристик излучения имеет принципиальное значение. Его характеризуют спектральной плотностью величины. Так, например, энергетическую яркость можно характеризовать распределением ее спектральной плотности по длине волны или по частоте