22.2 Властивості лазерного випромінювання: монохроматичність, напрямленість, потужність, лазерні стекла.

Розглянемо властивості лазерного випромінювання і їх принципові відмінності від властивостей випромінювання теплових некогерентних джерел світла (ламп розжарювання, дугових ламп, Сонця й ін.).

Лазер — це генератор оптичних коливань, що використовує енергію атомів, що випромінюють, або молекул у середовищах із інверсною заселеністю рівнів енергії, що мають властивість посилювати світло визначених довжин хвиль. Як зворотній зв’язок у лазерах використовують дзеркала, що утворюють оптичний резонатор і забезпечують достатнє число проходів світлового пучка через посилювальне середовище, щоб усі втрати світла в системі були компенсовані за рахунок посилення активного середовища. На рис.2.3 схематично показано структурну схему лазера, що містить дзеркала, які відбивають, і активний елемент, у якому за рахунок різноманітних засобів накачування створюється активне середовище. При зазначених умовах у лазері виникає генерація, спектр якої показаний на рис. 2.4, тобто лазер випромінює декілька хвиль, що відрізняються частотою й інтенсивністю, це так звані подовжні моди лазера.

Звичайне (теплове) джерело світла відрізняється від лазера тим, що основний внесок у випромінювання дають спонтанні переходи, у системі відсутні інверсія й оптичний зворотній зв’язок. Все це призводить до істотних розходжень у властивостях лазерних і нелазерних джерел світла. Лазерні джерела мають високий ступінь монохроматичності (часової когерентності), просторової когерентності, спрямованості, поляризованості, інтенсивності і яскравості, надкороткої тривалості імпульсів і перенастроювань довжини хвилі випромінювання.

Монохроматичність або висока спектральна щільність потужності (інтенсивності) випромінювання, або значна часова когерентність лазерного випромінювання забезпечують, по-перше, проведення спектрального аналізу з дозволом, що на багато порядків перевищує дозвіл традиційних спектрометрів; по-друге, високий ступінь селективності порушення визначеного сорту молекул у їх суміші, що дуже важливо саме в біології; по-третє, дозволяють реалізовувати голографічні і інтерферометричні методи діагностики біооб’єктів.

Ступінь монохроматичності одномодового газового лазера визначається шириною лінії генерації dn цієї моди, що обумовлена квантовими флуктуаціями, вібраціями, акустичними шумами, коливаннями плазми в активному середовищі і т.д., і складає розмір від десятків герц до десятків мегагерц.

Висока монохроматичність визначає значну спектральну щільність випромінювання. Наприклад, для лазера з вихідною потужністю Р=1 Вт, dn=l МГц, радіусом пучка w=2 мм і l=500 нм спектральна щільність потужності, що падає на одиницю поверхні, дорівнює 2,6×10⁷ Вт/(нм×см²). Для порівняння, аналогічна величина для сонячного випромінювання дорівнює 1,3×10^-4 Вт/(нм×см²) [3].

У залежності від типу завдань і конкретних умов вимірювання для лазерів, що працюють на багатьох модах, можна забезпечити різноманітний ступінь монохроматичності. З одного боку, окрема мода практично зберігає свою високу монохроматичність (вузьку ширину лінії dn), а з іншого боку — мод стає багато і їх спектр займає вже ширину n»N×c/2×n×L де N — число подовжніх мод, c/2×n×L — частотна відстань між ними, обумовлена оптичною довжиною резонатора, с- швидкість світла, n — показник заломлення активного середовища (рис. 2.4).

Зміни в ступені монохроматичності знаходять висвітлення і в часовій когерентності такого джерела, тобто його спроможності утворювати чітку інтерференційну картину при відповідній часовій затримці світлових пучків, що додаються. Зручно часову когерентність характеризувати довжиною когерентності:

 (2.1)

Для одномодових лазерів довжина когерентності може бути надзвичайно великою — 3×10⁸-3×10² см.

У багатомодових лазерів із безупинним накачуванням ступінь когерентності в залежності від відстані носить осцилювальний характер: спочатку вона падає від одиниці до нуля на довжині l_k»c/Dn (Dn=N×c/2×n×L), а потім знову відновляється на довжині, що дорівнює двом, чотирьом і т.д. довжинам резонатора. Повна втрата когерентності відбудеться лише на довжині c/dn.

Теплові джерела, наприклад натрієва лампа, мають час когерентності t_k»10^-10 із, тобто l_k=3 см. Лазери із субнаносекундною тривалістю імпульсів або із шириною смуги генерації в декілька гігагерц мають таку ж малу довжину когерентності.

Просторова когерентність випромінювання лазерів дає можливість отримувати світлові пучки з високим ступенем їх спрямованості (колімованості) і дозволяє фокусувати їх на об’єкті до надзвичайно малих розмірів. Все це необхідно для дистанційного аналізу досліджуваних об’єктів, забезпечення локальності досліджень і ефективного транспортування випромінювання по волоконних світловодах, що теплові джерела в принципі забезпечити не можуть.

Лазери, як правило, випромінюють просторово-когерентні гаусові пучки (TEM_ooq моди), інтенсивність яких

 (2.2)

Тут I₀(z) — інтенсивність у центрі пучка (r=0); w(z) — радіус пучка лазера, на якому I(z)=I₀(z)ехр(-2). Характерний вид розподілення показаний на рис.1.3 справа. Кут розбіжності гаусівського пучка дорівнює [13]:

q=l/pw(0), (2.3)

де w(0) - радіус пучка в найбільш вузькій його частині, z=0. Параметри w(0) і q задаються в основному параметрами резонатора. При достатньому відаленні від лазера w(z)=lz/pw(0)=zq.

Лазерні пучки в режимі поперечної моди найннижчого порядку (TEM_ooq) характеризуються надзвичайно високою просторовою когерентністю, близькою до граничної, обумовленою квантовими флуктуаціями. І тільки домішка поперечних мод вищих порядків може істотно її зменшити [3].

Для більшості лазерів розбіжність складає декілька тисячних радіана (мрад). Такий пучок можна сфокусувати до дуже малих розмірів порядку довжини хвилі: d=F×q (F — фокусна відстань лінзи) із глибиною різкості D=±d2/l) також порядку l. Ці властивості лежать в основі лазерної мікроскопії.

Відзначимо, що в ряді біологічних додатків сфокусований «робочий пучок» може виявитися істотно менше розмірів довжини хвилі і складати біля 0,01 мкм, оскільки дія світлового випромінювання в залежності від інтенсивності носить граничний характер, а інтенсивність у центрі пучка максимальна. Таким способом можна, наприклад, проводити тонку внутрішньоклітинну «хірургію».

Роль розбіжності випромінювання можна також уявити собі, якщо порівняти інтенсивності випромінювання, отримані від теплового і лазерного джерел однакової потужності Р, розташованы на відстані z від біооб’єкта:

I_T = Р/4pz², I_Л»Р/pw² = Р/pz²q².

Отже, I_Л/I_Т » 4/q², а оскільки розбіжність q»10^-3, то І_Л»10⁶×І_Т.

Лазери характеризуються високим ступенем поляризованості випромінювання. У цьому виявляються когерентні властивості їх випромінювання. Проте вид поляризації (лінійна, кругова, еліптична) у різних лазерів може бути різним. У більшості випадків це пов’язано з властивостями оптичного резонатора. Резонатори з брюстерівськими віконцями розрядної трубки або внутрішніх призм мають стійку лінійну поляризацію. Для промислових лазерів із лінійною поляризацією ступінь поляризованості, тобто відношення інтенсивностей світла при взаємно ортогональних положеннях поляризаційного аналізатора, I_|| : I_^ =500 : 1. При цьому для лазерів із малим посиленням квантові і технічні флуктуації практично не призводять до деполяризації випромінювання [3,42].

Інший клас часто використовуваних резонаторів лазерів — це ізотропні резонатори. Наприклад, промисловість випускає лазери з внутрішніми дзеркалами. Висока якість дзеркал таких лазерів забезпечує ідеальну кругову поляризацію випромінювання, І_çç: І_^ =1:1. Проте ступінь поляризації (азимут і еліптичність) у цих лазерів виявляється більш чутливим до збуджень, ніж у випадку сильно анізотропних резонаторів [42].

Передача лазерного випромінювання по волоконних світловодах круглого перерізу призводить до деполяризації випромінювання за рахунок збудження багатьох хвилеводних мод. У залежності від типу світловоду довжина, на якій відбувається повна деполяризація випромінювання, змінюється від декількох десятків сантиметрів до декількох метрів. Порівняно широкі медичні світловоди з діаметром серцевини 400-1000 мкм мають малу довжину деполяризації (декілька десятків сантиметрів). Розроблено спеціальні одномодові анізотропні світловоди (наприклад, з еліптичним перерізом серцевини), що зберігають стан поляризації на відстанях у декілька сотень метрів, проте поперечні розміри серцевини таких світлоходів надзвичайно малі, 5-7 мкм, тому існує проблема введення випромінювання.

Надзвичайно висока інтенсивність лазерного випромінювання дозволяє сконцентрувати в малому об’ємі значну світлову енергію, тим самим викликати багатофотонні й інші нелінійні процеси в біологічному середовищі, локальне теплове нагрівання, швидке випаровування, гідродинамічний вибух і т.і.

З погляду застосувань, не інтенсивність, а яскравість є найбільш важливим параметром будь-якого джерела, у тому числі і лазерного. Яскравість В визначається як потужність, що припадає на одиницю площі й одиницю тілесного кута, або інтенсивність в одиниці тілесного кута. Для пучка кругового перерізу радіусом w(0), розбіжністю q і повною потужністю Р, яскравість

В=P/p²w²(0)q²,

або з урахуванням (1.3) для лазерних пучків B=Р/l² Вт/(см2×ср), де ср — стерадіан — одиниця тілесного кута.

Інтенсивність, яку можна одержати у фокусі лінзи, виявляється тим більшою, чим більша яскравість пучка. Оптична обробка пучка за допомогою системи лінз і інших оптичних елементів, як правило, не може збільшити яскравість, оскільки стиск пучка завжди супроводжується збільшенням його розбіжності.