3.4.2 Основные свойства, параметры и характеристики лазеров

Излучение лазера является монохроматическим, когерентным, направленным, высоко интенсивным и поляризованным. Эти свойства обеспечивают эффективное применение лазеров в промышленности, в том числе в полиграфии.

Монохроматичность

Лазер генерирует электромагнитное излучение определенной длины волны λ или частоты ( = u/λ, где u — скорость света в среде, заполняющей резонатор). Для излучения, генерируемого лазером, должно выполняться определяемое резонатором условие резонанса – на длине резонатора L должно укладываться целое число q полуволн λ/2, то есть L = qλ/2. Переходя от длины волны к частоте, это условие: ν= qu/2L.

В действительности энергетический уровень атомов всегда в какой-то степени «размыт»: ему соответствует энергия, непрерывно изменяющаяся в пределах некоторого интервала значений. Поэтому рождающееся лазерное излучение характеризуется не какой-то одной определенной частотой, а частотами в некотором интервале ∆. Когда говорят о частоте, соответствующей тому или иному излучению, то подразумевают среднюю частоту. Набор частот, отвечающий данному излучению, называют его спектральной линией; величина ∆есть ширина спектра.

Понятие монохроматичности характеризует ширину спектра излучения. Идеально монохроматическим можно считать излучение, ширина спектра которого близка к нулю. Отклонение от монохроматичности характеризуется степенью монохроматичности:

 ,

 где ∆λ и ∆– ширина спектра, выраженная соответственно в длинах и частотах; λ₀ и ₀ – центральная длина волны и частота.

Величины ∆λ и ∆оцениваются на уровне интенсивности спектральной линии, равной половине максимального значения.

Ориентировочная ширина спектра, выраженная в длинах, составляет для газовых лазеров 10^-3 - 10^-4 нм, для твердотельных – 10^-1 - 10^-2 нм, для полупроводниковых – 1^-10 нм.

С каждой генерируемой в данном резонаторе резонансной частотой связывают понятие «продольная мода». Вместо того чтобы говорить, что в излучении данного лазера представлены такие-то резонансные частоты, говорят, что излучение состоит из таких-то продольных мод.

Физическая природа активной среды определяет участок спектра, в пределах которого возможна генерация, объем – мощность (энергию) излучения, а длина и показатель преломления активной среды влияют на частотные свойства генерации.

Излучение лазеров бывает многомодовым и одномодовым. На рис. 3.10 представлены спектральные характеристики лазерных диодов, то есть распределение излучения Р_изл по длинам волн.

Рисунок 3.10 - Спектральные характеристики лазерных диодов

Наиболее распространенный метод реализации одномодового режима работы лазера состоит в использовании коротких резонаторов так, чтобы усиливалась одна продольная мода. Другой метод заключается в применении составных концевых зеркал, с помощью которых создаются два резонатора разной длины, а лазер работает на частоте, резонансной для обоих резонаторов.

Пространственные диаграммы излучения газовых лазеров определяются «поперечными модами», их представляют в виде символов TEMmn, где m и n – малые целые числа (ТЕМ — Transverse Electromagnetic).

Поперечные моды определяются условиями резонанса внутри резонатора и представляют собой определенные конфигурации электромагнитного поля, задаваемые граничными условиями в резонаторе. Индексы m и n у символа TEMmn интерпретируются в прямоугольной системе координат как число нулей на пространственной диаграмме по каждому из ортогональных направлений в плоскости поперечного сечения пучка. На рис. 3.11а приведены примеры пространственного распределения световой интенсивности в виде прямоугольных диаграмм поперечных мод. Цифрами обозначено число наблюдаемых минимумов интенсивности при сканировании поперечного сечения пучка соответственно по горизонтали и вертикали.

Во многих случаях распределение интенсивности оказывается очень сложным из-за суперпозиции нескольких мод.

На рис. 3.11б приведены примеры поперечных мод с осевой симметрией. Здесь первая цифра означает число минимумов интенсивности вдоль радиуса поперечного сечения, вторая равна половине числа минимумов интенсивности в азимутальном направлении.

Рисунок 3.11 – Поперечные моды с прямоугольной (а) и осевой (б) симметрией

Для лазерной обработки материалов предпочтительнее использовать ТЕМ₀₀, называемую гауссовой.

При распространении (в том числе при прохождении через оптические системы) пространственная форма гауссова пучка остается неизменной, в то время как моды более высокого порядка не сохраняют первоначального пространственного распределения.

В допечатных процессах для записи изображения находят применение следующие типы лазеров (рис. 3. 12):

Рисунок 3.12 – Диапазоны мощностей и длины волн лазеров

• красные гелий-неоновые (He-Ne) газовые лазеры с длиной волны λ = 633 нм;

• голубые аргон-ионные (Ar+) газовые лазеры с длиной волны λ = 488 нм;

• красные маломощные лазерные диоды с длиной волны λ = 670-680 нм;

• ультрафиолетовые аргон-ионные (Ar+) газовые лазеры с длиной волны λ = 350-364 нм;

• инфракрасные мощные газовые СО₂­лазеры с длиной волны λ = 10 600 нм;

• инфракрасные мощные лазерные диоды (IR) с длиной волны λ = 830-870 нм;

• инфракрасные мощные твердотельные лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (ND:YAG) с длиной волны λ = 1064 нм (с ламповой или полупроводниковой накачкой);

• зеленые твердотельные лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом утроенной частоты (FD:YAG) с длиной волны λ = 532 нм;

• ультрафиолетовые твердотельные лазеры на иттрий­алюминиевом гранате с неодимом удвоенной частотой (ND:YAG) с длиной волны λ = 354 нм;

• фиолетовые лазерные диоды с длиной волны λ = 400-410 нм;

• инфракрасные волоконные лазеры (Faser оr Fibre Laser) с полупроводниковой накачкой с длиной волны λ = 1112 нм.