3.2. Монохроматичность
Одна из принципиальных проблем лазерной физики заключается в том, как получить монохроматическое излучение, т. е. излучение, близкое по своей структуре к идеальной гармонической волне.
Монохроматичность лазерного излучения определяется двумя обстоя- тельствами: 1) усиление электромагнитной волны обусловлено спектральными свойствами активной среды; 2) строгая частота излучения лазера возможна только на резонансных частотах, определяемых геометрически- ми и спектральными параметрами резонатора.
Рассмотрим эти два явления подробнее. На рис. 3.3 приведены резонансные кривые лазерного перехода (с центром ν0 и шириной линии ∆ν0) и резонансная частота лазерного резонатора (с центром νген. и шириной линии ∆νген.).
Рис. 3.3. Затягивание частоты и спектр выходного излучения в одномодовом лазере
В многомодовом режиме монохроматичность лазера связана с числом генерирующих мод. Если лазер работает в одномодовом режиме и его выходное излучение не изменяется во времени, то предел монохроматичности можно уменьшить до значения порядка 1–10 Гц. Для лазеров, работающих в импульсном режиме, минимальная спектральная ширина ограничивается величиной, обратной длительности импульса τимп.. Характерная величина ∆νген. ≈ 100 МГц, для лазеров с длительностью импульса, равной 10 нс.
Добротность излучения лазера повышается при использовании в резонаторе диспергирующего элемента (дифракционная решетка, призма, эталон Фабри – Перо), как показано на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Принципиальная схема одномодового лазера: 1 – плотное зеркало; 2 – активная среда; 3 – диспергирующий элемент; 4 – диафрагма, выходное зеркало
Действие диспергирующего элемента состоит в том, что разворачивает частотный спектр излучения в пространстве, а диафрагма выделяет нужную моду.
Таким образом, лазер генерирует излучение на одной продольной моде. Поворотом диспергирующего элемента можно изменять частоту выходного излучения.
3.3. Пространственная и временная когерентность
Когерентность обусловлена вынужденным характером излучения, поэтому проявляет основное свойство лазера, представляющего упорядоченную структуру его излучения, т. е. степень близости светового поля к идеальной гармонической волне. Для электромагнитной волны существуют понятия пространственной и временной когерентности. Если разность фаз для любых точек волнового фронта в любой момент времени t остается неизменной, то данная волна является полностью пространственно когерентной. Если разность фаз сохраняется лишь в некоторой конечной области пространства, то волна является частично пространственно когерентной. Если в данной точке пространства на интервале времени ∆t фаза волны остается неизменной, то существует временная когерентность на интервале ∆t. Если ∆t не ограничено, то имеет место полная временная когерентность; если ∆t ограничено, – частичная временная когерентность. Понятие временной когерентности связано с понятием монохроматичности излучения. Пространственная и временная когерентности являются независимыми характеристиками лазерного излучения.
Исторически понятие когерентности света возникло в связи с явлением интерференции, когерентность определялась как способность света да- вать интерференционную картину. Однако когерентный свет – это свет, структура которого близка к плоской или сферической гармонической волне.
В качестве примера, иллюстрирующего степень когерентности света, рассмотрим прохождение лазерного излучения в интерферометре Май- кельсона (рис. 3.5). При наложении друг на друга выходящих из интерферометра лучей, происходит перераспределение интенсивности светового поля таким образом, что в одних местах пространства наблюдается максимум, а в других местах – минимум интенсивности.
Рис. 3.5. Оптическая схема интерферометра Майкельсона: 1 – источник света; 2 – экран; 3 – полупрозрачное зеркало; 4, 5 – плотные зеркала на подвижках
Время τк, равное отношению разности хода световых волн ∆к и скорости света с называется временем когерентности света.