10.1.1. Лазерное излучение и его параметры

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение в основном оптическом диапазоне длин волн, создаваемое ла­зером. От излучения других источников света отличается высо­кой степенью когерентности, малой угловой расходимостью пучка, высокими спектральной яркостью и монохроматич­ностью. При определённых условиях из лазерного излучения можно вы­делить одну спектральную составляющую (осуществить так называемый одночастотный режим генерации). Ширина спектральной линии лазерного излучения в одночастотном режиме во много раз меньше, чем у спонтанного излучения атомов.

Длина когерентности лазерного излучения достигает нескольких тысяч километров, время когерентности составляет доли секунд; для естественных источников квазимонохроматического света аналогичные величины меньше в 10⁹ раз. Угловая расходимость () лазерного излучения может быть полу­чена предельно малой, т.е. может определяться только дифракционной расходимостью:

,

где  – длина волны излучения, D – эффективный диаметр пятна на выходном зер­кале лазера. Для газовых лазеров D1 см,  угло­вых секунд (для  мкм), для твердотельных – соот­ветственно ~1 мм и 30 угловых минут, для полупроводниковых лазеров ~1 мкм и 30 угловых градусов.

Высокая когерентность лазерного излучения позволяет эффективно использовать для его форми­рования телескопическую оптическую систему и, таким образом, су­щественно повысить направленность излучения. Это необхо­димо, например, для полупроводниковых лазеров, излучение которых характеризуется сравнительно большой угловой расходимостью.

Немонохроматичность лазерного излучения обусловлена прежде всего тем, что одновременно с фотонами вынужденного излу­чения в том же направлении излучаются спонтанные фотоны (создаётся спонтанный шум) с другими частотами. В результате ширина спектральной линии () лазерного излучения (ширина линии гене­рации) отлична от нуля, при этом

,

где h – постоянная Планка;  – спектральная полушири­на моды резонатора лазера на частоте ; P – выходная мощность лазера.

Например, при Р = 10 мВт, = 10¹⁵ Гц и = 10⁸ Гц, 0,1 Гц. Это означает, что степень моно­хроматичности  составляет 10^-15— 10^-16 (для срав­нения: лучшие монохроматоры с использованием естественных источников света имеют  при потере в плотности излучения ).

Значение  характеризует минимальное уширение спектральной линии лазерного излучения, обусловленное только спонтанными фотонами. В реальных лазерах

 значительно больше вследствие различных причин: механических колебаний зеркал резонатора, изменения их дли­ны из-за теплового расширения, влияния внешних электрических и магнитных полей и др.

Высокая спектральная яркость лазерного излучения (количество энергии на единичный частотный интервал, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности источника в единицу телес­ного угла) обусловлена его высокой монохроматичностью и острой направленностью. Для лазеров значения спектраль­ной яркости в десятки тысяч раз превышают спектральную яркость Солнца.

В зависимости от типа лазера длины волн лазерного излучения лежат в интервале от 0,1 мкм (далёкая УФ область) до 0,79 мм (диапазон субмиллиметровых волн), мощность в непрерыв­ном реж
име – от нескольких микроватт до 100 кВт, энергия в одиноч­ном импульсе – от десятых долей до 10⁵ Дж. Длина волны лазерного излучения измеряется с помощью интерферометров, дифракционных решёток, призм, энергетические характеристики – с помощью калориметров, термоэлементов, болометров.