ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ......................................................... 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ СВОЙСТВА ЛАЗЕРОВ
Глава первая Физические основы лазеров.......................................... 7
1.1. Электромагнитное излучение и кванты ......................... 7
1.1.1. Представления волновой теории.......................... 8
1.1.2. Квантово-механические представления .................... 10
1.1.3. Ширина спектральной линии ............................ 18
1.2. Создание инверсной населенности.............................. 19
1.2.1. Двухуровневая лазерная схема........................... 21
1.2.2. Трехуровневая лазерная схема ........................... 22
1.2.3. Четырехуровневая лазерная схема........................ 23
1.3. Принцип действия лазера..................................... 24
1.3.1. Усиление света в активной среде ......................... 25
1.3.2. Генерация лазерного излучения.......................... 28
1.3.3. Структурная схема лазера............................... 31
1.3.4. Классификация лазеров................................. 33
Глава вторая Характеристики и параметры излучения лазеров........................ 38
2.1. Характеристики лазерного излучения........................... 38
2.1.1. Монохроматичность..................................... 38
2.1.2. Когерентность ......................................... 41
2.1.3. Направленность........................................ 44
2.1.4. Поляризация.......................................... 45
2.2. Параметры лазерного излучения............................... 46
2.2.1. Энергетические параметры............................... 47
2.2.2. Спектральные параметры................................ 51
2.2.3. Временные параметры ................................. 53
2.2.4. Пространственные параметры........................... 54
2.2.5. Параметры когерентности .............................. 58
2.2.6. Параметры поляризации ............................... 58
2.3. Измерение технических параметров лазеров.................... 60
2.3.1. Измерение мощности и энергии излучения................ 60
2.3.2. Измерение ширины спектральной линии.................. 62
2.3.3. Измерение длительности лазерного импульса.............. 65
2.3.4. Измерение поперечного размера лазерного пучка........... 65
2.3.5. Анализ профиля пучка. Измерение распределения интенсивности по сечению пучка..................................... 66
2.3.6. Измерение расходимости излучения...................... 66
2.3.7. Измерение оптического качества излучения (величины М2)........................................ 67
Глава третья Формирование излучения в резонаторе лазера......................... 73
3.1. Обеспечение спектральных характеристик...................... 73
3.1.1. Продольные моды резонатора........................... 74
3.1.2. Поперечные моды резонатора ........................... 79
3.2. Обеспечение энергетических и временных характеристик......... 83
3.2.1. Непрерывная генерация................................ 84
3.2.2. Свободная генерация................................... 84
3.2.3. Модуляция добротности резонатора...................... 85
3.2.4. Модуляторы добротности............................... 88
3.2.5. Разгрузка резонатора .................................. 91
3.2.6. Синхронизация мод.................................... 93
3.3. Обеспечение пространственных характеристик.................. 98
3.3.1. Расходимость лазерного излучения....................... 98
3.3.2. Влияние на расходимость неоднородностей активной среды................................. 102
Глава четвертая Способы возбуждения (накачки) активных сред........................ 107
4.1. Оптическая накачка......................................... 108
4.1.1. Оптическая накачка некогерентными источниками........................... 108
4.1.2. Оптическая накачка когерентными источниками (лазерами)................................. 114
4.1.3. Эффективность оптической накачки...................... 118
4.2. Накачка электрическим разрядом............................. 118
4.2.1. Свойства газового разряда.............................. 118
4.2.2. Вольт-амперная характеристика (ВАХ)................... 121
4.2.3. Накачка газовых лазеров несамостоятельным электрическим разрядом............ 122
4.2.4. Накачка газовых лазеров самостоятельным электрическим разрядом................ 124
4.3. Схемотехника блоков накачки................................ 126
4.4. Другие виды накачки....................................... 130
4.4.1. Тепловая накачка в газодинамических лазерах ............ 130
4.4.2. Химическая накачка................................... 131
ЧАСТЬ ВТОРАЯ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
Глава пятая Газовые лазеры................................................... 137
5.1. Лазеры на смесях нейтральных атомов ........................ 139
5.2. Ионные лазеры............................................. 142
5.3. Лазеры на парах металлов................................... 143
5.4. Лазеры на молекулярных смесях ............................. 147
5.5. Газодинамические лазеры.................................... 153
5.6. Химические лазеры......................................... 156
5.6.1. HF (DF)-химический лазер.............................. 156
5.6.2. Химический кислородно-йодный лазер ................... 160
5.7. Эксимерные лазеры......................................... 162
Глава шестая Твердотельные и волоконные лазеры................................. 169
6.1. Неодимовые лазеры......................................... 170
6.1.1. Nd:YAG-лазеры....................................... 171
6.1.2. Nd:YLF-лазеры........................................ 173
6.1.3. Nd:YVO4-лазеры....................................... 174
6.1.4. Nd:Cr:GSGG-лазеры.................................... 175
6.1.5. NchGlass-лазеры....................................... 176
6.2. Эрбиевые лазеры ........................................... 177
6.2.1.Er:YAG-лазер......................................... 178
6.2.2. ErGlass-лазеры....................................... 179
6.2.3. Тулий-гольмиевые лазеры.............................. 180
6.3. Перестраиваемые лазеры..................................... 181
6.3.1. Александритовый лазер................................ 182
6.3.2. Титан-сапфировый лазер ............................... 183
6.3.3. Новые твердотельные среды для перестраиваемых лазеров ......................186
6.4. Дисковые лазеры........................................... 186
6.5. Волоконные лазеры......................................... 188
6.5.1. Особенности оптики волоконных лазеров ................. 188
6.5.2. Режимы работы....................................... 192
6.5.3. Волоконные лазеры на фотонных кристаллах.............. 193
Глава седьмая Полупроводниковые лазеры........................................ 198
7.1. Введение в физику полупроводников .......................... 198
7.2. Принцип работы полупроводникового лазера ................... 201
7.2.1. Инверсная населенность................................ 201
7.2.2. Волновод............................................. 204
7.2.3. Резонатор............................................ 204
7.2.4. Превышение усиления над потерями..................... 206
7.2.5. Лазерная генерация.................................... 207
7.3. Материалы полупроводниковых лазеров........................ 207
7.4. Типы полупроводниковых лазеров ............................ 209
7.4.1. Лазеры на гомо- и гетеропереходах ...................... 209
7.4.2. Диодные лазеры на квантовых ямах ..................... 210
7.4.3. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB)........... 212
7.4.4. Диодные лазеры с волноводной структурой зоны усиления........................................ 213
7.4.5. Лазеры с вертикальным резонатором (поверхностно-излучающие лазеры)................214
7.4.6. Лазеры с внешним вертикальным резонатором............. 215
7.4.7. Диодные лазеры с внешним резонатором.................. 216
7.4.8. Диодные лазеры с оптической накачкой.................. 217
7.4.9. Диодные лазеры с электронной накачкой................. 219
7.4.10. Квантово-каскадные лазеры............................ 219
7.5. Характеристики диодных лазеров............................. 223
7.5.1. Пороговый ток........................................ 223
7.5.2. Расходимость излучения................................ 224
7.5.3. Ширина спектральной линии ........................... 225
7.5.4. Поляризации луча..................................... 226
Глава восьмая Другие типы лазеров .............................................. 229
8.1. Жидкостные лазеры ........................................ 229
8.1.1. Жидкостные лазеры с активными ионами редкоземельных металлов....................... 229
8.1.2. Жидкостные лазеры на органических красителях.......... 230
8.2. Рекомбинационные лазеры рентгеновского диапазона............ 234
8.3. Лазеры на свободных электронах ............................. 237
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СО СРЕДАМИ
Глава девятая Распространение лазерного излучения в атмосфере.............. 245
9.1. Молекулярное поглощение................................... 247
9.2. Молекулярное рассеяние..................................... 248
9.3. Ослабление на аэрозоле...................................... 249
9.4. Атмосферная турбулентность................................. 251
9.5. Численные оценки влияния атмосферы........................ 252
9.5.1. Оценка влияния газового состава........................ 252
9.5.2. Оценка ослабления на аэрозоле.......................... 253
9.5.3. Оценка влияния осадков ............................... 254
9.5.4. Оценка влияния турбулентности......................... 255
9.5.5. Сочетание ослабляющих факторов в атмосфере............ 257
9.6. Тепловое самовоздействие лазерного излучения в атмосфере ...... 260
9.6.1. Физические основы теплового самовоздействия............ 261
9.6.2. Математическая модель теплового самовоздействия......... 262
9.6.3. Программное моделирование распространения лазерных пучков в турбулентной атмосфере при тепловом самовоздействии.......................... 262
Глава десятая Распространение лазерного излучения в воде.......................... 267
10.1. Поглощение и рассеяние излучения в воде..................... 267
10.2. Помеха обратного рассеяния ................................. 270
10.3. Метод стробирования по дальности............................ 271
Глава одиннадцатая Нелинейные эффекты в лазерной оптике........................ 275
11.1. Самофокусировка. Эффект Керра. Филаментация лазерного излучения.. 276
11.1.1. Термолинзирование в лазерных кристаллах и стеклах..... 276
11.1.2. Эффект Керра........................................ 277
11.1.3. Филаментация....................................... 279
11.2. Генерация второй оптической гармоники....................... 280
11.3. Вынужденное комбинационное рассеяние ...................... 281
11.4. Обращение волнового фронта................................. 282
Глава двенадцатая Воздействие лазерного излучения на материалы.............. 286
12.1. Нагрев и испарение......................................... 286
12.2. Лазерная абляция .......................................... 289
12.3. Фотоядерные процессы...................................... 293
Заключение...................................................... 297
Ответы к задачам................................................. 298
(Борейшо А.С., Ивакин С.В. “Лазеры: устройство и действие: Учебное пособие” 2016)