|
| |
|
Главная Журналы оптические. Оптоэлеггроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. Оптоэлеггроника примыкает к ряду дисциплин, превра-тивпшхся уже в целые научные направления. Сюда относятся квантовая электроника, полупроводниковая электроника, физика твердого тела, голография, нелинейная оптика и многие другие. Большинство оптоэлектронных приборов содержит в своем составе генераторы и приемники излучения. К их описанию мы и перейдем. Лазеры Теоретические основы оптического квантового генератора разработали советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а также независимо от них американцы А. Шавлов и У. Таунс. За свои открытия они были удостоены Нобелевской премии. Первый работающий лазер на рубине продемонстрировал Т. Меймен (США) в 1960 году. В лазере излучают атомы вещества-рабочего тела лазера. Рабочее тело может быть и твердым, и жидким (очень редко), и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т.е. сообщить им энергию. В твердотельных лазерах для этого служит оптический генератор накачки-импульсная лампа-вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с рабочим телом- кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные лазеры, как правило, импульсные, так как при той мощности оптического излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд. В газовых лазерах плотность атомов мала, и они могут работать в непрерывном режиме при небольших мощностях излучения: около нескольких милливатт (лазер на смеси гелия и неона. Не Ne-лазер) или десятков ватт (инфракрасный лазер на углекислом газе   Лазер на твердом теле (А, В-зеркала) COj). Газ этих лазеров заключен в разрядную трубку, и возбуждение атомов (накачка) осуществляется электрическим током. Но возбудить атомы рабочего вещества мало, надо заставить их излучать синхронно, всем вместе одну и ту же волну с одной и той же поляризацией и фазой. Различают спонтанное (случайное, самопроизвольное) и вынужденное излучения. Вот последнее-то и используют в лазерах. Рабочее вещество подбирают такое, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный) энергетический уровень. Атомы, возбужденные накачкой до энергии метастабиль-ного урювня или до еще большей энергии, остаются на этом урювне некоторое время. Если в этот момент мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один, точно такой же квант. Это и будет индуцированное, или вынужденное, излучение. Если энергию атома на метастабильном уровне обозначить Е-, а энергию на более низком уровне Е, то условие излучения, установленное еще Ниль-сом Бором, можно записать так: hv = e2-Ei, где Л постоянная Планка; v-частота излучения. Величина h\ является энергией кванта. Чтсы создать все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор-два зеркала, установленные стрюго параллельно друг другу. Вы можете сделать простой отлт с двумя маленькими зеркалами. Расположите зеркала <даавстречу» друг другу и посмотрите поверх одного на другое. Вы увидите отражение одного зеркала в другом, а в том - первого, и т. д. Получится туннель из ряда зеркал, уходящий очень далеко, в туманную бесконечность. Поскольку качество бытовых зеркал невысокое, вам удастся увидеть всего семь-десять отражений. Качество зеркал в лазерах гораздо выше, и свет переотражается десятки и сотни раз. Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора уложилось целое число полуволн лазерного излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз, что как раз и нужно для индуцированного излучения атомов рабочего тела. Одно из зеркал делается полупрозрачным, пропускающим несколько процентов падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера. Газовые He-Ne-лазеры получили самое широкое распространение. На рисунке показано устройство промышленно выпускаемого пазера. В отдельном корпусе расположен высоковольтный выпрямитель, подключаемый к сети переменного тока и создающий на разрядной трубке лазера напряжение 1...1,5кВ при токе 15... 15 мА. В цилиндрическом корпусе помещена разрядная трубка с двумя зеркалами, размещенными у ее торцов. Торцы разрядной фубки закрыты окошками из оптического стекла. Они наклонены t оси трубки под углом Брюстера ф- Этот угол зависит от юказателя преломления стекла л: 1§Фб = л. Он обладает интересам свойством: свет, многократно проходя сквозь стеклянную шастинку, наклоненную под углом Брюстера, становится линейно юляризованным. Вот и вся конструкция. Луч лазера очень тонок и очень слабо расходится в простран- стве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра. В то же время лазерное излучение монохроматично, т. е. содержит только одну частоту или одну длину волны. Свет Не-Ne-лазера красный, а его длина волны составляет 0,63 мкм. Излучение ИК лазеров вообще не видно, но если лазер работает в дальней инфракрасной области (ИК) спектра, как, например, лазер на углекислом газе СО2, излучающий на длине волны 10,6 мкм, то его излучение чувствуется как тепло. Из твердотельных лазеров в оптоэлектронике наибольщее применение получил лазер на кристалле алюмоиттриевого граната (Yj ai5 ), в кристаллической решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (Nd). Основу лазера составляет кристалл с зеркально отполированными торцами. Кристалл освещается ксеноновой лампой-вспышкой. Лазер может работать и в непрерывном режиме. К достоинствам его относятся прочность и надежность конструкции и более высокий КПД по сравнению с газовыми лазерами. Длина волны излучения лежит в ближней ИК области спектра и составляет 1,06 мкм. Но лазер может излучать и вторую гармонику основной частоты, попадающую в середину видимой части спектра. Длина волны в этом случае составляет 0,53 мкм. Неправда ли, описанные «большие» лазеры, хотя и очень отдаленно, напоминают радиолампы: высокие напряжения, стеклянные баллоны и т.д. Но радиотехника почти везде (кроме мощных   Газовый лазер: I-разрядная трубка; 2-зеркала; 3-высоковольтный источник питания 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [ 99 ] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 |