lazery_dlya_golografii_uchebnoe_posobie

гармоник, полученных в результате преобразования частоты первой гармоники методами нелинейной оптики. Как видно из данных таблицы 1, неодимовые лазеры, в принципе, позволяют получить лазерное излучение во всем видимом диапазоне спектра, от синего (438-450 нм) до зеленого (527540 нм) и красного (657-676 нм). Неодимовые кристаллы могут быть использованы в качестве активных сред для генерации не только в импульсном, но и непрерывном режиме, благодаря высокой теплопроводности (табл. 1).

В качестве примера использования неодимовых активных элементов рассмотрим устройство современного импульсного лазера для голографии. Для получения импульса когерентного света короткой длительности и с достаточной для записи голограмм энергией, как правило, используют лазерную систему, состоящую из задающего генератора и усилителя (или усилителей).

На рис.10 представлен пример оптической схемы такой лазерной системы, состоящей из задающего генератора и двухпроходового усилителя.

21

Во втором фокусе отражателя расположен стержень активного элемента, благодаря чему излучение лампы-накачки концентрируется в активном элементе. Задающий генератор имеет кольцевой резонатор состоящий из зеркал З1, З2 и З3 , при этом зеркала З1 и З2 имеют коэффициент отражения R=100% на длине волны генерации основной гармоники (λ=1,053 мкм), а зеркало З3 — частично прозрачное.

Для создания сверхкороткого импульса генерации используется режим модуляции добротности. Для этого в резонаторе задающего генератора помещен пассивный модулятор добротности - оптический затвор на основе кристалла GSGG:Cr (Химическая формула — Gd3Sc2Ga3O12:Cr).

При низких уровнях засветки пассивный затвор имеет высокий показатель поглощения на длине волны λ=1,053 мкм, понижая тем самым добротность резонатора, благодаря чему происходит значительный рост инверсной населенности, то есть, эффективное накопление возбужденных состояний ионов Nd в кристалле активного элемента. При достижении плотности энергии излучения, превышающей некоторый критический уровень, пассивный затвор резко «просветляется» и вся накопленная в активном элементе энергия высвечивается за короткий промежуток времени (длительностью около 20 нс).

Для селекции продольных мод резонатора используется интерферометр Фабри-Перо (ИФП на рис.10) благодаря которому длина когерентности излучения повышается до нескольких метров.

Дополнительно, для улучшения однородности излучения, в оптическую схему задающего генератора введена призма Дове, которая осуществляет переворот изображения без изменения первоначального направления светового пучка. Одновременно, происходит преимущественное выделение излучения с горизонтальной поляризацией вследствие разности коэффициентов отражения для s- и p- поляризации на гранях призмы Дове.

Импульс излучения задающего генератора последовательно проходит путь от выходного зеркала З3 до телескопа, состоящего из линз Л1 и Л2 и

23

далее проходит поворотные призмы Пр2, Пр3 и Пр4, с помощью которых направляется в расширительный телескоп, состоящий из линз Л3 и Л4.

Телескоп Л3-Л4 увеличивает диаметр лазерного пучка до диаметра стержня усилителя. Конструкция усилителя аналогична конструкции осветителя задающего генератора.

Активный элемент в виде стержня из оптического стекла с добавкой неодима также расположен в одном из фокусов эллиптического отражателя. В другом фокусе расположена мощная лампа вспышка, создающая накачку активного элемента усилителя. Моменты запуска ламп вспышек задающего генератора и усилителя синхронизированы при помощи электронных схем блока питания лазера, благодаря чему лазерный импульс света от задающего генератора эффективно усиливается при прохождении через активный элемент усилителя.

Для отвода тепла, выделяемого лампами накачки используется принудительное водяное охлаждение.

При прохождении лазерного пучка через активный элемент усилителя и согласующие оптические элементы однородность волнового фронта может нарушаться. Для повышения однородности пучка за усилителем в качестве отражающего зеркала расположена кювета с нелинейной средой, которая осуществляет обращение волнового фронта падающего на неё излучения, сфокусированного линзой Л5 (рис.10).

Обращение волнового фронта может быть реализовано на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ-зеркало). В результате все искажения волнового фронта лазерного излучения появившиеся на первом проходе усилителя при обратном прохождении через усилитель практически полностью компенсируются. Кроме этого двойной проход через усилитель позволяет получить значительное усиление энергии лазерного импульса.

24

Для оптической развязки задающего генератора от усиленного лазерного пучка перед усилителем установлено поляризационное зеркало П1 ,

амежду усилителем и ВРМБ-зеркалом - четвертьволновая пластинка (λ/4). Поляризационное зеркало П1 пропускает излучение с горизонтальной поляризацией от задающего генератора к усилителю. Четвертьволновая пластинка после первого прохода усилителя превращает линейную поляризацию в круговую, а при обратном проходе отраженного кюветой ВРМБ пучка круговая поляризация меняет направление вращения и, после прохождения пластинки λ/4 поляризация становится вертикальной, то есть, повернутой на 90 градусов относительно входного излучения от задающего генератора. По этой причине, усиленный пучок лазерного излучения уже не пройдет через поляризационное зеркало П1 в сторону задающего генератора,

аотразится от него и второго поляризационного зеркала П2 и попадет на кристалл KDP (калия дигидрофосфат) для удвоения частоты излучения.

Удвоитель частоты называют также генератором второй гармоники (ГВГ на рис.10). На выходе кристалла KDP излучение имеет длину волны в два раза меньшую, чем исходное, то есть 0,527 мкм (зеленый свет).

Для эффективного преобразования частоты перед кристаллом KDP установлена еще одна четвертьволновая пластинка, которая преобразует линейную поляризацию лазерного пучка в круговую, а также иногда требуется поместить кристалл ГВГ в термо-стабилизированную капсулу для того,чтобы устранить влияние изменения температуры окружающей среды. Дополнительно, для того, чтобы на выходе лазера оставалось только излучение видимого диапазона спектра (λ=527 нм) после кристалла ГВГ размещают светофильтр, поглощающий ИК-излучение на длине волны

λ=1,053 мкм и пропускающий излучение в зеленой области спектра (не показан на рис.10).

Энергетические параметры импульсного лазера характеризуется не мощностью (как у непрерывных лазеров), а энергией импульса. Лазер

25

описанной конструкции может давать энергию импульса в зеленой области спектра до 2 Дж и более (зависит от диаметра и длины усилителя).

Для записи голограмм на галогенидосеребряных пластинках формата

30×40 см достаточно энергии 1 Дж. При длительности импульса τ=20 нс

(2×10-8с) длина когерентности излучения может достигать 6 метров. Импульсный режим записи снимает все ограничения на жесткость объекта и голографической установки в целом. Поэтому, импульсным лазером можно снимать голограммы практически любых объектов, в том числе и живых (людей, животных и т.д.), что значительно расширяет возможности для практических применений и реализации творческих идей.

На рис.11 в качестве примера использования импульсного лазера для записи голограмм представлена фотография переносной голографической камеры VN-2M (ГОИ, Санкт-Петербург, Россия), которая была специально разработана для портретной съемки людей.

Рис.11 Голографическая переносная камера VN-2M (ГОИ, СанктПетербург, Россия)

26

Твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSS- лазеры)

В последние годы все большее распространение приобретают твердотельные лазеры с диодной накачкой (так называемые DPSS-лазеры, Diode Pumped Solid State).

Благодаря светодиодной накачке в полосе поглощения активатора, эти лазеры потребляют гораздо меньше энергии, чем лазеры с ламповой накачкой и не нуждаются в водяном охлаждении. DPSS лазеры имеют очень компактные размеры, но при этом могут давать мощность излучения в десятки ватт. Практически все DPSS лазеры в качестве активных элементов содержат кристаллические матрицы, активированные различными примесями. Длины волн и максимально достижимые мощности излучения для DPSS -лазеров различного типа представлены на рис.12. При условии выделения одной продольной моды такие лазеры с успехом могут применяться и в голографии. В настоящее время, многие крупные производители лазерного оборудования предлагают модели DPSS лазеров различного типа.

Рис.12 Длины волн и максимально достижимые мощности излучения для DPSS -лазеров различного типа.

27

В качестве примера такого DPSS лазера можно привести модель лазера

Verdi G SLM-Series производства компании Coherent,Inc. (см. рис.13).

Рис.13 Излучатель и блок питания одночастотного лазера Verdi G SLM (Coherent Inc, США). Основные параметры одночастотного лазера

Verdi G SLM указаны в табл. 2.

Таблица 2.

Основные параметры одночастотного лазера Verdi G SLM

Verdi G SLM - Series

28