|
15. Импульсный
лазер
Импульсный лазер является сердцем импульсной
голографической установки. По сравнению с газовыми
лазерами его конструкция существенно сложнее.
Чтобы получить мощный импульс когерентного света
чрезвычайно короткой длительности, в импульсном
лазере реализованы выдающиеся достижения современной
квантовой электроники.
 Рассмотрим
блок схему импульсного лазера (см. рис.).
Первым устройством в цепочке формирования импульса
света стоит задающий генератор. В нем происходит
генерация исходного, маломощного импульса и
задаются основные параметры импульса - длительность,
модовый состав, поляризация и когерентность.
Задающий генератор имеет кольцевой резонатор
- пучок света бежит как бы по кругу.
 На
самом деле - его траектория больше похожа на
треугольник, в вершинах которого находятся зеркала,
одно из которых, выходное, имеет небольшой коэффициент
пропускания (см. рис.). В одном плече резонатора
расположен активный элемент - стержень из высокочистого
монокристалла двойного фторида иттрия-лития
активированного неодимом, LiYF4:Nd, аббревиатура
- YLF (или ИЛФ).
Стержень расположен в одном из фокусов продольного
эллиптического отражателя (см. рис. внизу).
Во втором фокусе расположена стержневая импульсная
лампа-вспышка, которая служит для импульсной
накачки активного элемента. Блок, включающий
корпус, эллиптический отражатель, лампу вспышку
и лазерный стержень, называется квантроном.
 Во
время накачки ионы неодима возбуждаются и переходят
на верхние энергетические уровни - происходит
инверсия населенности.
Для создания сверхкороткого импульса генерации
(около 20 нсек) в резонаторе расположен модулятор
добротности - оптический затвор специальной
конструкции. В обычном состоянии он не пропускает
света. Но, когда плотность энергии излучения
со стороны активного элемента превышает некоторый
критический уровень, затвор резко открывается
и излучение "выплескивается" в кольцевой резонатор.
Условия формирования излучения в задающем генераторе
таковы, что длина волны излучения лежит в инфракрасной
области и равна 1,053 мкм. Это излучение не
видно глазом, поэтому юстировка задающего генератора
очень сложна, тем более, что точность юстировки
требуется очень высокая.
Перед выходным зеркалом резонатора стоит еще
один оптический элемент, с виду напоминающий
обычный стеклянный кубик с тщательно отполированными
гранями. На самом деле это интерферометр Фабри-Перо.
Он селектирует частотный спектр излучения задающего
генератора и сужает его до такой степени, что
длина когерентности излучения повышается до
нескольких метров.
Пучок на выходе задающего генератора достаточно
узкий и не вполне однороден по сечению. Чтобы
повысить однородность распределения энергии
по сечению пучка (убрать поперечные моды высших
порядков) и согласовать его диаметр с диаметром
стержня усилителя он проходит через систему
линз и призм - пространственный фильтр.
Конструкция усилителя аналогична конструкции
генератора. Активный элемент в виде стержня
из оптического стекла с добавкой неодима так
же расположен в квантроне, в одном из фокусов
эллиптического отражателя. В другом фокусе расположена
мощная лампа вспышка, создающая накачку активного
элемента. Моменты запуска ламп вспышек задающего
генератора и усилителя строго синхронизированы.
Только в этом случае импульс света от генератора
будет эффективно усилен при прохождении через
активный элемент усилителя. Для отвода тепла,
выделяемого лампами вспышками, используется
водяное охлаждение квантронов.
При прохождении лазерного пучка через активный
элемент усилителя и согласующие оптические элементы
однородность волнового фронта нарушается из-за
аберраций и дифракционных эффектов. Для повышения
однородности пучка за усилителем в качестве
отражающего зеркала стоит еще один необычный
оптический элемент - ВРМБ-зеркало (Вынужденное
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна), так называемая
ячейка обращения волнового фронта. Принцип ее
действия основан на эффектах нелинейной оптики
и очень сложен. Ячейка отражает падающее на
нее излучение как бы в противофазе, и неоднородности
пучка при обратном прохождении через усилитель
в значительной мере компенсируются. В результате
двойного прохода через усилитель получается
мощный и чистый пучок.
Для защиты задающего генератора от обратного
проникновения усиленного лазерного пучка, который
может просто разрушить кристалл задающего генератора,
перед усилителем установлен поляризатор, а между
усилителем и ВРМБ-зеркалом - четвертьволновая
пластинка. Поляризатор, ориентированный в горизонтальной
плоскости пропускает излучение от генератора
к усилителю, ориентированного в этой же плоскости.
Четвертьволновая пластинка превращает поляризацию
в круговую, а при обратном проходе отраженного
пучка разворачивает поляризацию на 90 градусов.
Следовательно, усиленный пучок уже не пройдет
через поляризатор в сторону задающего генератора,
а отразится от него и поступит на удвоитель
частоты.
 Это
тоже "представитель" нелинейной оптики, работающий
на основе кристалла KDP (Калия ДигидроФосфат),
преобразует входное излучение в гармонику с
удвоенной частотой. На выходе кристалла KDP
излучение имеет длину волны в два раза меньшую,
чем исходное, т.е. 0,53 мкм. Это уже видимый,
зеленый, свет. Для эффективного преобразования
частоты перед кристаллом KDP установлена четвертьволновая
пластинка, которая преобразует линейную поляризацию
пучка в круговую. За кристаллом KDP расположена
еще одна четвертьволновая пластинка, которая
окончательно формирует линейно поляризованный
лазерный пучок.
Последний оптический элемент лазера - светофильтр,
который пропускает только зеленый свет и задерживает
остатки инфракрасного света. На фото показан
фрагмент импульсного лазера. Видны линзы и призмы
- элементы пространственного фильтра. Модуль
в белом корпусе - термостат, в котором находится
удвоитель частоты. На торце термостата закреплен
светофильтр.
Импульсный лазер характеризуется не мощностью
(как непрерывный лазер), а энергией импульса.
Лазер описанной конструкции может давать энергию
импульса 5 Дж и более. Это очень большая энергия,
которая позволяет записывать голограммы размером
более 1х1 м. Для записи голограмм формата 28х40
см достаточно 1 Дж. Длина когерентности излучения
превышает 2 метра. Длительность импульса 20
нсек снимает все ограничения на жесткость объекта
и голографической установки вцелом. Импульсным
лазером можно снимать портреты людей, домашних
животных. Объекты можно просто держать в руках,
записывать клубы дыма, брызги воды и т.д. Преимущества
импульсного лазера существенно расширяют возможности
для создания художественных композиций.
Примечание: автор выражает благодарность Корневу
Алексею Федоровичу за помощь в написании данного
урока.
Литература.
1. О. Звелто "Принципы лазеров", М., Мир, 1990.
-->
|
