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

перед употреблением необходимо дополнительно сенсибилизи­ ровать путем промывания в разбавленном растворе аммиака. Пленка типа Z пригодна для регистрации лпний излучения неко­ торых лазеров, например линии излучения неодимового лазера ■с длиной волны 1,06 мкм и линии излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 1,15 мкм. Особый интерес представляют

Z

М

N

U

F

Е

D

G

GH

J 0

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000

О

Длина волны, А

ШШЯ -1

У7777Л -г

ФИГ. 2.6.

<Сводка классов спектральной чувствительности различных эмульсий фирмы

Kodak [44].

1 — спектральный диапазон наибольшей чувствительности материала; 2 — спектральный диапазон, в котором материал обладает чувствительностью.

пленки типа U, которые чувствительны к излучению рубинового лазера и имеют относительно малую чувствительность к случай­ ному световому фону в зеленой области спектра. Разработаны фотографические пленки с широким динамическим диапазоном (тип XR) [45]. Расширение диапазона достигается за счет исполь­ зования трехслойного эмульсионного покрытия на общей основе. Каждый из слоев предназначен для определенного диапазона экспозиций. Пленка может одновременно регистрировать интен­ сивности, различающиеся в 108 раз. (Для большинства обычных пленок это отиошенпе равно 100 или даже еще меньше.)

Для фотографирования лазерных лучей необходимо выбрать пленку с подходящей спектральной чувствительностью, прибли­ зительно определить величину интенсивности излучения, направ­ ляемого на нее, и ослабить луч до такого уровня, чтобы экспози­ ция лежала на линейном участке характеристической кривой.

Фотографирование короткого и очень мощного импульса излу­ чения лазеров с модулированной добротностью является сложной задачей. В этом случае пленку легко переэкспонировать, а в неко­ торых случаях даже может произойти ее повреждение. Однако, принимая соответствующие меры, можно непосредственно фото­ графировать выходное излучение мощных лазеров с модулирован­ ной добротностью.

Другой проблемой, возникающей при фотографировании очень мощного излучения, является нарушение так называемого закона взаимности. На фиг. 2.5 показаны зависимости оптической плот-

Ф И Г. 2,7.

Характеристические кривые, демонстрирующие нарушение закона взаимно­ сти в случае коротких лазерных импульсов.

Спектроскопические пластинки былп проявлены в проявителе D-19 в течение б1/, мни при температуре 20° С. А — обычный рубиновый лазер, выдержка 0,25 мс; Б — лазер с моду­ лированной добротностью, выдержка 15 нс; В — кварцевая полная лампа с фильтром, пропускающим излучение с длиной волны рубинового лазера, выдержка 60 с [46].

ности от экспозиции. При мощности и времени экспозиции, изменяющихся в обычных пределах, безразлично, как поглощается энергия. Большая мощность при короткой экспозиции будет давать ту же оптическую плотность, что и малая мощность при более длинной экспозиции, если только энергия, приходящаяся на еди­ ницу площади, будет одной и той же. Это утверждение называют законом взаимности. Однако этот закон может оказаться неверным при экспонировании пленки лазерным излучением большой мощ­ ности. В одном из экспериментов [46] было обнаружено нарушение принципа взаимности для спектроскопических фотопластинок при регистрации излучения рубинового лазера с модулированной добротностью. На фиг. 2.7 показаны характеристические кривые,

соответствующие временам экспозиции 60 с (обычный источник), 15 нс (рубиновый лазер с модулированной добротностью) и 0,25 мс (обычный рубиновый лазер).

В последнее время появляются также фотопленки, разрабо­ танные специально для лазерных исследований [47, 48].

Многие исследователи используют фотографирование при изу­ чении лазерных эффектов, связанных с лазерным пробоем или испарением материала с поверхности твердого тела под действием лазерного излучения. Поскольку эти процессы являются быстропротекающими, возникает необходимость в специальной техникефотографирования. Для фотографирования процессов взаимо­ действия лазерного излучения с веществом были применены различные типы высокоскоростных камер. С помощью высоко­ скоростной камеры, предназначенной для покадровой съемки, за очень короткие промежутки времени можно получить сериюснимков. В такой камере используется несколько объективов, каждый из которых имеет затвор на основе ячейки Керра. Поскольку используется делитель луча, то на каждый объектив попадает свет от объекта, который должен быть сфотографирован. Процесс переключения ячеек Керра управляется с помощью вспомогательного источника энергии. Временной интервал между кадрами, а также длительность экспозиции могут быть порядка наносекунд.

Другой метод состоит в использовании скоростного фоторе­ гистратора. В такой камере пленка быстро движется мимо узкой щели, на которую проецируется часть изобра?кения фотографируе­ мого объекта. Временной ход интенсивности света разворачивается вдоль линии, совпадающей с направлением перемещения пленки и являющейся осью времени. К недостатку этого метода относится то, что изображение объекта одномерно. Описанная камера является ценным прибором для измерения быстро меняющейся интенсивно­ сти света, зависящей от одной пространственной координаты.

Другим типом камеры, широко используемым при изучении взаимодействия лазерного излучения с поверхностями, является электроннооптическая камера. Она содержит электронноопти­ ческий преобразователь, на катод которого фокусируется исходное изображение. Световая картина преобразуется на фотокатоде в электронное изображение. Последнее усиливается и передается на фотоанод, где снова преобразуется в оптическое изображение, которое можно сфотографировать. Прикладывая управляющее напряжение к отклоняющим пластинам, можно получать раз­ личные последовательности кадров. При соответствующей форме управляющего напряжения такая камера может работать как в режиме фоторегистратора, так и в режиме покадровой съемки. Время разрешения этой системы может лежать в интервале от нано­ секунд до миллисекунд.

при котором экспозиция пленки определяется длительностью выдержки, так и фотоэлектрический метод, основанный на переме­ щении небольшой диафрагмы, находящейся перед фотоэлементом, поперек луча. Измерение же профиля луча импульсного лазера большой мощности оказывается более сложной задачей. Для коли­

Недостатком этого метода является необходимость калибровки фотопленки. Существуют методы, в которых калибровка произ­ водится автоматически. В одном из них [50] фотографирование лазерного луча производится через многолинзовую систему,

состоящую из 16 лиыз. За каждой из линз помещают калиброван­ ный нейтральный ослабляющий фильтр. Фильтры подобраны таким образом, чтобы их величины пропускания образовывали известную последовательность. Для каждой фотопластинки путем микрофотометрических измерений выбранной области изображе­ ния определяют кривую зависимости оптической плотности от относительной экспозиции. Полное распределение плотности энергии в луче можно получить путем микрофотометрирования одного из изображений луча.

Подобная самокалибрующаяся схема [51] была использована в устройстве, состоящем из двух зеркал, наклоненных друг к другу под таким углом, что на фотопленке образовывалась последова­ тельность изображений, каждое из которых было ослаблено при­ близительно в 1,7 раза по сравнению с предыдущим. Способ

мальными интенсивностями, которые называют «горячими точ­ ками» (фиг. 2.8). На пространственное распределение оказывают влияние многие факторы. Пока мощность в каждом из последова­ тельных лазерных импульсов относительно постоянна, простран­ ственное распределение может оставаться приблизительно оди­ наковым от вспышки к вспышке. Однако при изменении условий (если, например, варьировать уровень мощности или даже сме­ нить импульсную лампу накачки) пространственное распределение интенсивности может также измениться.

Следуя методам, описанным выше, можно найти распределение интенсивности в несфокусированном лазерном луче. Если изме­ рить полную мощность, то можно определить величину интен­ сивности в каждой точке сечения лазерного луча. Для сфокуси­ рованного луча задача оказывается более трудной. Фактически многие исследователи для определения интенсивности в фокусе про­ сто измеряют угол расходимости луча, а размер фокального пятна находят как дифракционный предел для данной линзовой системы. (Для вычислений используют формулу d — /0, где d — диаметр фокального пятна, / — фокусное расстояние линзы и 0 — угол расходимости луча; см. гл. 1. Для большинства случаев эта формула является идеализированной и дает результат, кото­

В неодимовом лазере эта полоса превышает 1012 Гц. Ее ширину можно определить из спектроскопических измерений ширины линии излучения при синхронизации мод [58].

Для большинства лазеров с синхронизацией мод длительность каждого импульса составляет от нескольких единиц до несколь­

с увеличением длины волны. Таким способом были получены цуги импульсов с длительностью отдельных импульсов 0,4 пс.

Интерпретация наблюдений двухфотонной люминесценции яви­ лась предметом некоторой дискуссии. Яркие области двухфотон­ ной люминесценции можно обнаружить не только в режиме регу­ лярных пикосекундных импульсов [60]. Важным параметром является отношение максимальной величины яркости вблизи зеркала к величине яркости в остальной части светящегося канала. Это отношение, называемое контрастом, характеризует степень синхронизации мод. Для лазера с неспнхронизованными модами контраст равен 1,5, в то время как в случае полной синхронизации мод контраст должен быть равен 3. Ранние измерения давали величину контраста менее 3, что могло быть результатом частич­ ной синхронизации мод. Позже, в работе [61], измеренная вели­ чина контраста действительно оказалась равной 3, что разрешилокажущееся противоречие между теорией и экспериментом. При определении!длительности импульса методом двухфотонной люми­ несценции необходима известная осторожность.

Метод двухфотонной люминесценции основан на определении автокорреляционной функции. По виду этой функции нельзя точно установить первоначальную форму импульса, поскольку обратное преобразование автокорреляционной функции неодно­ значно. Для получения точных результатов необходимы тщатель­ ные измерения величины контраста. Надежные результаты при определении длительности импульса двухфотонным методом можнополучить, даже не измеряя величины контраста, если одновремен­ но с наблюдением двухфотонной люминесценции контролироватьцуг коротких периодических импульсов осциллографом [62].

Одиночный импульс пикосекундной длительности можно выде-

.лить из цуга импульсов с помощью устройства, показанного на фиг. 2.14 [63]. На ячейку Керра подается такое начальное напряжение, чтобы луч был поляризован в направлении, позво­ ляющем ему проходить прямо через поляризатор. В результате

•синхронизации мод в резонаторе развивается последователь-

Усилители на неодимовом Выход

ФИГ. 2.14.

•Схема установки для получения одиночного импульса пикосекуидиой дли­ тельности [63].

ность световых импульсов. Когда амплитуда одного из них достиг­ нет определенного уровня, сигнал с фотодиода открывает тират­ рон и к моменту прохождения следующего импульса через ячейку Керра к ней будет приложен импульс высоковольтного напряже­ ния с крутым передним фронтом для изменения поляризации лазерного импульса. Импульс напряжения должен попасть на ячейку Керра за время, меньшее времени полного прохождения -лазерного импульса в резонаторе. Если в момент прохождения

.лазерного импульса через ячейку Керра напряжение на ней равно четвертьволновому, этот импульс выйдет из резонатора через поляризатор. Импульс содержит всю энергию, накоплен­ ную в резонаторе. Энергию можно увеличить путем дальнейшего усиления импульса. Описанный метод выделения одиночного импульса позволяет получать одиночные импульсы с длитель­ ностями от 10 до 15 нс [64]. Возможность создания таких корот­ ких и очень мощных импульсов открывает новые области для научных исследований.