7.1: Унікальні властивості лазерів

Широке застосування лазерів стало можливим завдяки їх унікальним властивостям, що відрізняє їх від усіх інших джерел світла. Ці унікальні властивості ми обговорюємо нижче.

7.1.1 Висока монохроматичність; Вузька спектральна ширина; Висока часова когерентність

Ці три властивості в основному однакові. Говорячи, що лазер має високу монохроматичність або що він має дуже вузьку спектральну ширину означає, що він випромінює дуже вузьку смугу частот, спектральна лампа, як газорозрядна лампа на основі парів ртуті, може мати спектральну ширину$\Delta \nu=10 \mathrm{GHz}$. Видимі частоти знаходяться навколо$2 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$, отже, спектральна ширина лампи приблизно$0.02 \%$. Ширина лінії, виміряна в довжині хвиль, задовольняє

$$\frac{\Delta \lambda}{\lambda}=\frac{\Delta \nu}{\nu} \text {, } \nonumber$$ і, отже, для$\lambda=550 \mathrm{~nm}, \Delta \lambda$ спектральної лампи має порядок$0.1 \mathrm{~nm}$.

На відміну від цього, лазер може легко мати смугу частот, яка є коефіцієнтом на 100 менше, тобто менше, ніж$10 \mathrm{MHz}=10^{7} \mathrm{~Hz}$ у видимому. Для довжини хвилі$550 \mathrm{~nm}$ це означає, що ширина лінії тільки$0.001 \mathrm{~nm}$. Як було пояснено в главі 7, час$\tau_{c}$ когерентності випромінюваного світла є зворотним смузі смуги частот:

$$\tau_{c}=1 / \Delta \nu . \nonumber$$

Світло випромінюється атомами в сплески гармонійних (косинусних) хвиль, що складаються з великої, але кінцевої кількості періодів. Як буде пояснено в цьому розділі, завдяки особливій конфігурації лазера хвильові поїзди в лазерному світлі можуть бути надзвичайно довгими, що відповідає дуже довгому часу когерентності.

7.1.2 Високо колімований промінь

Розглянемо розрядну лампу, як показано на малюнку$\PageIndex{1}$. Для зіткнення світла розрядну лампу можна розташувати в фокальній площині лінзи. Сферичні хвилі, що випромінюються всіма точковими джерелами (атомами) в лампі, колімуються в плоскі хвилі, напрямок яких залежить від положення атомів у джерелі. Атоми по краях джерела визначають загальний кут розбіжності$\theta$, який задається тим,

$$\theta=h / f, \nonumber$$ де$2 h$ - розмір джерела і$f$ є фокусною відстанню лінзи, як показано на малюнку$\PageIndex{1}$. Отже, світло можна колімувати, вибравши об'єктив з великою фокусною відстанню або зменшивши розмір джерела, або обидва. Обидва методи призводять, однак, до слабкої інтенсивності. Завдяки особливій конфігурації лазерного джерела, яка складається з резонатора Фабри-Перо, в якому світло багато разів відскакує вгору і вниз, перш ніж випромінюватися, атомні джерела ефективно знаходяться на дуже великій відстані і, отже, ефективний розмір джерела дуже малий. Тому розбіжність лазерного променя не обмежується розміром джерела, а розміром його випромінюючої поверхні через неминучий ефект дифракції. Як випливає з глави 6, паралельний промінь діаметра$D$ і довжини хвилі$\lambda$ має дифракційну обмежену розбіжність, задану: $$\theta=\frac{\lambda}{D} . \nonumber$$ Дифракційна обмежена розбіжність, таким чином, залежить від довжини хвилі і зменшується, коли діаметр випромінюючої поверхні збільшується. За допомогою лазерного джерела кут збіжності, обмежений дифракцією, майже може бути досягнутий, і тому може бути реалізований колімований промінь з дуже високою інтенсивністю (рис.$\PageIndex{2}$).

Малюнок$\PageIndex{1}$: Розрядна лампа в фокальній площині сходяться лінзи. Кожен атом лампи випромінює сферичну хвилю під час сплеску випромінювання, що триває в середньому час когерентності$\tau_{c}$. Загальна розбіжність пучка визначається атомами в крайніх положеннях джерела.

Малюнок$\PageIndex{2}$: Лазерний промінь може майже досягати колімації, обмеженої дифракцією.

7.1.3 Концентрована пляма з обмеженою дифракцією, висока просторова когерентність

Якщо додати другу лінзу після першої лінзи на малюнку$\PageIndex{3}$, то пляма виходить у фокальній площині другої лінзи. Ця пляма може бути дуже маленьким лише тоді, коли світло було майже ідеально колімовано першою лінзою.

Яке найменша фокусна пляма, якого можна досягти? Якщо фокусувати ідеально колімований промінь з лінзою з дуже малими абераціями та з числовою діафрагмою NA, бічний розмір сфокусованого плями, згідно з главою 6, обмежений

$$\text { diffraction-limited spot size }=0.6 \frac{f}{D} \lambda=0.6 \frac{\lambda}{N A} \text {. } \nonumber$$ дифракцією і дається лазером можна досягти місця, обмеженого дифракцією з дуже високою інтенсивністю.

Як було пояснено в розділі 5, світлова хвиля має високу просторову когерентність, якщо в будь-який момент часу можна передбачити її амплітуду та фазу в поперечних точках. Сферичні хвилі, випромінювані точковим джерелом, мають цю властивість. Але коли існує багато точкових джерел (атомів), кожен з яких випромінює сплески гармонійних хвиль, які починаються у випадковий час, як це буває у класичному джерелі світла, амплітуду та фазу загального випромінюваного поля в будь-якому положенні в просторі неможливо передбачити. Єдиний спосіб зробити світло просторово когерентним - це зробити джерело світла дуже маленьким, але тоді світла навряд чи є. Як буде пояснено нижче, за конструкцією лазера викиди атомами підсилювального середовища в лазері мають фазову кореляцію, що призводить до дуже високої тимчасової та просторової когерентності. Властивість невеликого розміру плями з високою інтенсивністю має важливе значення для багатьох застосувань, таких як зображення з високою роздільною здатністю, обробка матеріалів з різанням, зварювання та свердління плям з дуже високою потужністю та в хірургії сітківки, де дуже маленьке високоінтенсивне пляма застосовується для зварювання сітківки, не пошкоджуючи навколишні здорові тканини.

Малюнок$\PageIndex{3}$: Дифракційне обмежене пляма, отримане фокусуванням колімірованого пучка.

7.1.4 Висока потужність

Існує два типи лазерів, а саме безперервні хвилі (CW) лазери, які виробляють безперервний вихід, і імпульсні лазери, які випромінюють низку імпульсів. Ці імпульси можуть бути дуже короткими: від наносекунди до навіть фемтосекунд$\left(10^{-15} \mathrm{~s}\right)$. Відносно малопотужний CW лазер є HenE лазер, який випромінює приблизно$1 \mathrm{~mW}$ на довжині хвилі$632 \mathrm{~nm}$. Інші лазери можуть випромінювати до мегават безперервної потужності. Імпульсні лазери можуть випромінювати величезні пікові інтенсивності (тобто на максимумі імпульсу), починаючи від$10^{9}$$10^{15}$ Ватт.

Існує багато застосувань потужних лазерів, таких як для різання та зварювання матеріалів. Для отримання EUV світла з достатньою високою інтенсивністю для використання в фотолітографії для виготовлення ІС використовуються надзвичайно потужні$\mathrm{CO}_{2}$ лазери для збудження плазми. Надзвичайно потужні лазери також застосовуються для ініціювання злиття та у багатьох додатках нелінійної оптики. Лазери з дуже короткими імпульсами також використовуються для вивчення дуже швидких явищ з коротким часом розпаду, і для реалізації більш швидких годин.

7.1.5 Широкий діапазон настройки

Для широкого діапазону довжин хвиль, від вакуумного ультрафіолетового (VUV), ультрафіолетового (УФ), видимого, інфрачервоного (ІЧ), середнього інфрачервоного (MIR) до далекого інфрачервоного (FIR), доступні лазери. Для деяких типів лазерів діапазон настройки може бути досить широким. Прогалини в електромагнітному спектрі, які безпосередньо не розглядаються лазерним випромінюванням, можуть бути покриті такими методами, як більш висока генерація гармонік і різниця частот.