книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

Для лазерного воздействия на вещество обычно используются лазерные системы на рубине, неодимовом стекле, иттрий-алюми- ниевом гранате и С02. Характеристики этих лазеров приведены в табл. 1.4. Даны типичные значения параметров, которые не обя­ зательно являются наивыспшми из достигнутых. Для лазеров разных типов выделены различные временные режимы, в которых они обычно работают, поскольку свойства одного и того же типа лазеров широко изменяются в зависимости от режимов работы. Взаимодействие излучения с веществом также сильно зависит от режима генерации.

Лазеры на рубине и на неодимовом стекле обычно работают в режиме одиночных импульсов. Они позволяют получать наибо­ лее высокие импульсные мощности и самые большие энергии в им­ пульсе. Эти лазеры использовались в большей части тех пионер­ ских исследований, которые будут описаны в последующих главах.

С того времени, когда были выполнены многие из этих работ, достигнуты важные успехи в техническом конструировании лазе­ ров на иттрий-алюминиевом гранате и С02-лазеров. Вот некоторые из этих достижений:

1.Эффективная работа непрерывных лазеров на иттрий-алюми­ ниевом гранате при выходной мощности в сотни ватт благодаря оптимизации параметров лампы накачки [67].

2.Разработка лазеров на иттрий-алюминиевом гранате с непре­ рывной накачкой и периодической модуляцией добротности. Эти системы обладают высокими пиковыми мощностями и высокой частотой повторения импульсов [68].

3.Разработка импульсных периодических С02-лазеров, способ­ ных генерировать импульсы с энергией около 1 Дж 100 раз в се­ кунду. Такие лазеры эффективно воздействуют на металлы, несмот­ ря на высокую величину коэффициента отражения металлов на длине волны 10,6 мкм [69].

4.Создание непрерывных С02-лазеров с очень высокими ско­

ростями прогонки газовой смеси, дающих киловаттные мощности на выходе. Такие системы намного компактнее, чем те, которые использовались ранее [70].

5. Создание С02-лазеров, действующих при атмосферном дав­ лении смеси [71]. Конструкции этих систем проще, чем у других СОг-лазеров, а более высокое давление позволяет работать в им­ пульсном режиме с высокой энергией излучения.

6. Разработка С02-лазеров, в которых инверсная населенность создается благодаря быстрому расширению газа при истечении через сверхзвуковое сопло [72]. На этих (так называемых газодина­ мических) лазерах возможно получение непрерывных выходных мощностей порядка десятков киловатт.

Хотя развитие всех этих систем находится еще на начальной стадии, они, безусловно, весьма перспективны. На сегодняшний

деыь наибольшей долговечностью и наилучшей экономичностьюобладают лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом и лазеры на С02. Они наиболее подробно изучаются с точки зре­ ния практического применения действия мощного лазерного излу­ чения, которое мы обсудим в гл. 8.

ЛИТЕРАТУРА

1.Appl. Opt., October, 1966.

2.Proc. IEEE, January, 1963.

3.Proc. IEEE, October, 1966.

4. IEEE Journ. Quantum Electron., September, 1966.

5.IEEE Journ. Quantum Electron., October, 1966.

6.IEEE Journ. Quantum Electron., October, 1968.

7.IEEE Journ. Quantum Electron., November, 1968.

8.«Physics of Quantum Electronics», Lax B., ed., McGraw-Hill, New York, 1966.

9.Proc. Quantum Electron. Conf., 3rd, Grivet P., Bloembergen N., eds.r Columbia Univ. Press, New York, 1964.

10.Proc. Symp. Opt. Masers, Fox J., ed., Polytechnic Press, Brooklyn, 1963,

11.Patek K., Lasers, CRC Press, Cleveland, 1967.

12.Garrett C. G. В ., Gas Lasers, McGraw-Hill, New York, 1967.

13.Bloom A. L., Gas Lasers, Wiley, New York, 1968.

14.Birnbaum G., Optical Masers, Advances in Electronics and Electron Physics,

Marton L., ed., Suppl. 2, Academic Press, New York, 1964 (см. перевод:

Д. Бирнваум, Оптические квантовые генераторы, нзд-во «Советское

радио», 1967).

15. Lengyel В. А ., Introduction to Laser Physics, Wiley, New York, 1966.

16.Lasers-А Series of Advances, Levine A. K., ed., Vol. I, Vol. II. Dekker, New York, 1966, 1968.

17.Smith W. P., Sorokin P. P., The Laser, McGraw-Hill, New York, 1966.

18.Advances in Quantum Electronics, Singer J. R., ed., Columbia Univ. Press, New York, 1961.

19.Chang W. S. C., Principles of Quantum Electronics, Wiley, New York, 1969.

20.Yariv A ., Quantum Electronics, Wiley, New York, 1966.

21.Tomiyasu K., The Laser Literature: An Annotated Guide, Plenum Press,

New York, 1968.

22.Ross D., Lasers: Light Amplifiers and Oscillators, Academic Press, New

York, 1969.

23.Born M., Wolf E., Principles of Optics, Ch. 10, Macmillan (Pergamon), New York, 1964 (см. перевод: M. Борн, 9. Вольф, Основы оптики, гл. 10,

изд-во «Наука», 1970).

24.Ghen D., Ready J, F., Bull. Amer. Phys. Soc., 11, 454 (1966).

25.Nelson D. F., Collins R. J., Journ. Appl. Phys., 32, 739 (1961).

26.Галанин M. Д ., Леонтович A. M ., Чижикова 3. А ., ЖЭТФ, 16, 249 (1962).

27.Berkley D. A ., Wolga G. / . , Phys. Rev. Lett., 9, 479 (1962).

28.Berkley D. A ., Wolga G. J., Journ. Appl. Phys., 38, 3231 (1967),

29.Dunsmuir R., Journ. Electron. Control, 10, 453 (1961).

30.Statz H. et al., Advances in Quantum Electronics, Singer J. R., ed., p. 342,

Columbia Univ. Press, New York, 1961.

31. Sorokin P. P. et al., Phys. Rev., 127, 503 (1962).

32.Birnbaum M., Stocker T., Welles S. / . , Proc. IEEE, 51, 854 (1963).

33.Hellwarth R. W., Advances in Quantum Electronics, Singer J. R., ed.,

p. 334, Columbia Univ. Press, New York, 1961. _ ___

34.McClung F. J., Hellwarth R. W .’, Proc. IEEE, 51, 46 (1963).

35. Patel С. К. N., Phys. Rev. Lett., 16, 613 (1966).

36.Mocker Л. W., Collins П. J., Appl. Pliys. Lett., 7, 270 (1965).

37.DeMaria A . J., Stetser D. A ., Heynau H. A., Appl. Phys. Lett., 8, 174

(1966) .

38.DeMaria A . J., ei al., Proc. IEEE, 57, 2 (1969).

39.Duguay M. A ., Shapiro S. L., Rentzepis P. M., Phys. Rev. Lett., 19, 1014

(1967) .

40.Mack M. E., IEEE Journ. Quantum Electron., QE-4, 1015 (1968).

41. Басов И. Г. и dp., IEEE Journ. Quantum Electron., QE-4, 864

(1968) .

42.Laser Focus, p. 24, April, 1969.

43.Fox A . G., Li T., Bell Syst. Tech. Journ., 40, 453 (1961).

44.Boyd G. D., Gordon J. P., Bell Syst. Tech. Journ., 40, 489 (1961).

45.Boyd G. D., Kogelnik II., Bell Syst. Tech. Journ. 41, 1347 (1962).

46.Ramo S., Whinnery J. R., Fields and Waves in Modern Radio, Wiley,

New York, 1953.

47.Kogelnik II., Rigrod W. W., Proc. IRE, 50, 220 (1962).

48.Evtuhov V., Neeland J. K., Appl. Opt., 1, 517 (1962).

49.Stickley С. M ., Appl. Opt., 3, 967 (1964).

50.Bradley D. J. et al., Appl. Phys. Lett., 9, 150 (1966).

51.Levine L. P. et al., Journ. Appl. Phys., 38, 331 (1967).

52.Dayhoff E. S., Kessler B., Appl. Opt., 1, 339 (1962).

53.Dayhoff E. S., Proc. IRE, 50, 1684 (1962).

54.Ready J. F., Appl. Opt., 2, 151 (1963).

55.Коровкин В. В. и др., Письма в ЖЭТФ, 3, 194 (1966).

56.Gibbs W. Е. К., Whitcher R. Е., Appl. Opt., 6, 1957 (1967).

57.Baker J. A ., Peters C. W., Appl. Opt. 1, 674 (1962).

71.Laser Focus, p. 14, February 1970.

72.Physics Today, p. 55, July 1970.

73*.Райзер IO. Л ., УФН, 87, № 1, 29 (1965).

'74*.Действие лазерного излучения, сб. статей под ред. 10. П. Райзера, изд-во «Мир», 1968.

75*.Laser Applications in Plasma Physics, IAEA, Vienna, 1969.

16*.Анисимов С. И., Имае Я. А ., Романов Г. С., Xodbino 10. В., Действие

излучения большой мощности на металлы, изд-во «Наука», 1970. '77*.De Michelis С., IEEE Journ. Quant. Electr., 6, 630 (1970).

78*.Физический энциклопедический словарь, изд-во «Советская энциклопе­ дия», 1960, т. 1, стр. 647.

79*.Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, изд-во-

«Советское радио», 1966.

80*.Биткин 9. И ., Кандидатская диссертация, ИФ АН БССР, Минск, 1968. 81*.Lotsch II. К., Optilc, 28, 65 (1968); 28, 328, 555 (1969); 29, 130, 622 (1969). 82*.Kogelnik Н., в кппге Lasers-А series ol Advances, ed. by Levine, No. 4,

1966.

83*.Ананьев 10. А., УФН, 103, № 4, 705 (1971).

84*.Белостоцкий Б. P., Любавский 10. В., Овчинников В. М ., Основы лазер­

ной техники, Твердотельные ОКГ, изд-во «Советское радио», 1972.

85*.Ванюков М. 77., Крыжановский В. II., Серебряков В. А., Сизов В. В .,

Стариков А. Д ., Оптико-механическая промышленность, № 12, стр. 31

(1972).

зуют фотоумножители и однокаскадные вакуумные фотоэмиссионные приемники. В инфракрасной области спектра при длине волны излучения больше 1 мкм применяют инфракрасные приемники,

.действие которых основано на явлении фотопроводимости, посколь­ ку в этой области спектра чувствительность имеющихся фотоэмиссионных покрытий низка. Относительно этих приемников и их ис­ пользования имеются подробные сведения [1].

В случае импульсных лазеров электрический сигнал с фотоумно­ жителя можно регистрировать прп помощи осциллографа. Этот метод наиболее удобен для определения формы импульса. Запись формы импульса (даже для коротких импульсов) можно осущест­ вить, фотографируя изображение на экране осциллографа. Поскольку длительность импульсов, генерируемых в режиме с мо­ дуляцией добротностп, очень мала, для устранения искажений в форме импульса следует использовать приемники и соединитель­ ные цепп с малой постоянной времени.

Количественные измерения мощности лазера достаточно слож­ ны [2]. Интенсивное лазерное излучение приводит к насыщению выходного сигнала приемников, поэтому для уменьшения интен­ сивности излучения, попадающего на приемник, используют поглощающие фильтры. Ослабление луча фильтрами в 1010 раз явля­ ется на практике обычным при регистрации выходного излучения рубинового лазера с помощью фотоумножителя. Применение фильт­ ров обеспечивает работу приемников в линейном режиме, препят­ ствуя их насыщению, и уменьшает интенсивность попадающего на приемник фонового излучения. Фильтры необходимо калибро­ вать на длине волны лазерного излучения [3]. Так как при больших уровнях излучения фильтры могут насыщаться, калибровку сле­ дует проводить при тех же уровнях мощности, что и в условиях эксперимента. Более подробно об ослабителях будет сказано ниже.

Качество фотоприемника характеризуется определенными пара­ метрами. К этим параметрам относятся: чувствительность при­ емника, т. е. величина сигнала с приемника на единицу мощности попадающего в приемник излучения, шумовая и спектральная характеристики. Обычно при изготовлении фотоприемника ука­ зывают типичные величины его параметров. Поэтому в исследовани­ ях, требующих особой точности, прежде чем использовать фото­ приемники, их необходимо калибровать. Спектральная характе­ ристика фотоприемника обычно бывает известна.

Шумовые характеристики обычно несущественны, если прием­ ник предназначен для регистрации интенсивного лазерного излу­ чения. В этом случае сигнал приемника намного больше, чем уровень его собственных шумов, которые проявляются в мень­ шей степени, чем при слабых сигналах. Тем не менее следует более подробно рассмотреть некоторые из характеристик инфракрасных ■фотоприемников, поскольку именно они позволяют судить об

где R (/) — чувствительность ыа частоте f , R 0 — чувствительность на нулевой частоте, т — время отклика, или постоянная времениприемника. Выражение (2.4) справедливо не для всех приемников,, но для многих приемников оно оказывается полезным. При малых частотах чувствительность ие зависит от частоты, на высоких же-

лазерного излучения, заключается в том, что мощность и энергия <глуча могут изменяться в широких пределах, Задача измерения осложняется еще и тем, что лазеры работают в ш и р о к о м и н т р р н ал п частот и длительностей' идшульсов излучения. Единого для всех лазеров метода измерения мощности и энергии не существует^ \)днако при исследовании действия мощного лазерного излучения имеется ряд обстоятельств, упрощающих измерения. Энергия и мощность в этом случае велики, поэтому нет необходимости учи­ тывать шумы приемника и не возникает проблемы обнаружения слабых сигналов на фоне шума. Поэтому мы ие будем касаться

таких методов, как оптическое гетеродинирование.

Приемники, которые мы будем рассматривать, являются так называемыми квадратичными детекторами. Величина получаемогоот них сигнала пропорциональна квадрату электрического поляг т. е. мощности луча. Этим они отличаются, например, от микровол­ новых детекторов, с помощью которых можно непосредственноизмерять напряженность поля. Все типы рассматриваемых нижеприемников, включая фотоэмиссионные приемники, приемники, основанные на фотопроводимости, фотографическую пленку и чело­ веческий глаз, имеют квадратичную характеристику.

В фотоэмиссиоиных приемниках используется катод, покрытый материалом, который испускает электроны при воздействии на него излучения с длиной волны, меньшей некоторой характерной вели­ чины. Испускаемые катодом электроны можно ускорить, прило­ жив к аноду напряжение, что приводит к появлению тока во внешней цепи. Разумеется, такие приборы являются вакуумными. Их постоянная времени мала, часто порядка 10“8 с. Подобные при­ емники получили широкое распространение. Они составляют боль­ шой класс приемников, представляющих интерес для измерения параметров лазерного излучения. Типичные спектральные харак­ теристики фотоэмиссиоиных приемников показаны на фиг. 2.1, Чаще всего применяют трубки с фотокатодом типа S-1, спектраль­ ная чувствительность которого простирается в инфракрасную область дальше, чем у других фотокатодов, и который является един­ ственным эмиттером, пригодным для регистрации излучения лазе­ ров на неодимовом стекле. Для регистрации излучения рубиново­ го и гелий-неонового лазеров обычно используют фотокатод типа S-20, имеющий большую чувствительность на соответствующих