ЧТО ЗНАЧИТ «УПРАВЛЯТЬ» ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ?

Почти наверняка читатель ответит, что это значит отклонять нужным образом лазерный луч в пространстве, расщеплять его при необходимости на несколько лучей, фокусировать излучение на мишень. Всё это так.

Однако управление лазерным лучом этим отнюдь не исчерпывается.
Когда регулируют длительность лазерных импульсов, частоту их повторения, энергию, то тем самым тоже осуществляют управление лазерным излучением. Иногда требуется удвоить или утроить частоту излучения или плавно ее изменять. Это тоже есть управление лазерным лучом. Может потребоваться дополнительное увеличение степени монохроматичности излучения или дополнительная стабилизация его частоты. И это есть управление лазерным лучом. Таким образом, понятие «управление лазерным лучом» оказывается значительно шире, чем это может показаться на первый взгляд.
Управлять излучением лазера можно по-разному. Можно воздействовать на луч уже после того, как он покинул резонатор лазера; в этом случае говорят о внерезонаторном управлении. Можно также управлять излучением, определенным образом воздействуя на сам процесс лазерной генерации; это - внутрирезона- торное управление. Внерезонаторное управление используют обычно для отклонения, расщепления, фокусировки луча, для изменения его частоты. Внутри- резонаторное управление применяют для целенаправленного изменения параметров лазерных импульсов.

Подчеркнем, что вопрос об управлении лазерным лучом совсем не прост. В этом можно убедиться уже на примере, казалось бы, нехитрой задачи - задачи переноса луча в пространстве параллельно самому себе. Непосвященному человеку может показаться, что такой перенос, как, впрочем, и поворот луча в пространстве, осуществляют с помощью обычных зеркал и призм, соответствующим образом размещенных на пути луча. Однако на практике часто требуется не просто отклонить лазерный луч, но отклонить его очень быстро и весьма точно. Требуемое время изменения положения или ориентации луча в пространстве может составлять всего миллионные доли секунды! Тут обычное поворачивание зеркал или призм не годится, оно совершается чересчур медленно. В подобных случаях применяют немеханические методы управления лазерным лучом в пространстве. Для этого разработаны специальные устройства, называемые дефлекторами- от латинского слова deflecto, означающего «отклоняю». С помощью одних дефлекторов осуществляют плавное непрерывное изменение направления или положения луча, с помощью других изменяют направление или положение луча скачком, дискретно. Но вернемся к задаче о параллельном переносе луча и покажем, как она решается на практике с помощью так называемого электрооптического дефлектора дискретного типа.
Рискуя утомить читателя, попробуем всё же разъяснить принцип работы этого дефлектора. Предварительно нам придется сказать несколько слов о явлении двойного лучепреломления, открытом еще в XVII в. Представьте себе плоскопараллельную прозрачную пластинку из кристалла кальцита (СаСОэ), на которую по нормали падает световой луч. Внутри пластинки луч расщепляется, так что из нее выходят уже два луча; они параллельны друг другу. Один из лучей составляет единую прямую линию с падающим лучом; это-так называемый обыкновенный луч. Другой луч как бы «отщепляется» в пластинке от первичного и выходит из нее немного в стороне от обыкновенного луча (но, напоминаем, параллельно ему). Этот второй луч называют необыкновенным. Существенно, что обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях; первый поляризован перпендикулярно плоскости, проходящей через 136
падающий луч и оптическую ось кристалла, второй поляризован в указанной плоскости. (Не входя в детали, скажем, что оптическая ось кристалла-это одно из особых направлений в нем; если, например, луч падает параллельно оси, то двойное лучепреломление не наблюдается.)
Предположим теперь, что падающий на пластинку кальцита луч поляризован либо как обыкновенный, либо как необыкновенный луч. Теперь из пластинки выйдет лишь один из этих лучей-тот, поляризация которого совпадает с поляризацией падающего луча.

Получается, что если падающий луч был поляризован как обыкновенный луч, то он выйдет из пластинки, не сместившись. Если же он был поляризован как необыкновенный луч, то выйдет из пластинки, сместившись немного в сторону. Таким образом, можно параллельно перенести световой луч, повернув его плоскость поляризации на 90°.

А как поворачивают плоскость поляризации луча? Для этого используют, в частности, электрооптичес- кий эффект Поккельса. Надо взять еще один кристалл (например, кристалл дигидрофосфата калия КН2Р04) и поместить его между пластинами плоского конденсатора. Электрическое поле конденсатора воздействует на показатель преломления кристалла, в частности изменяет его способность к двойному лучепреломлению. Пусть сквозь данный кристалл (или, как
Так выглядит явление двойного лучепреломления при нормальном падении светового луча на плоскопараллельную пластинку кристалла (7 — обыкновенный луч, 2 — необыкновенный луч). Обыкновенный луч поляризован перпендикулярно плоскости рисунка, что показано с помощью кружков, а необыкновенный поляризован в плоскости рисунка (короткие стрелки). Штриховая прямая — оптическая ось кристалла

Рассмотрим, как действует двухкаскадный электрооптический дефлектор. Будем полагать, что исходный световой луч поляризован перпендикулярно плоскости рисунка и, таким образом, является обыкновенным лучом для кристаллов кальцита СаС03. Если обе ячейки Поккельса (ячейки А и В) выключены, то исходный луч не испытывает отклонения ни в одном из кристаллов кальцита и выйдет из дефлектора в положении, обозначенном цифрой 7. Теперь предположим, что ячейка А включена, а ячейка В выключена. В ячейке А плоскость поляризации луча повернется на 90°, луч станет необыкновенным и поэтому испытает отклонение в первом кристалле кальцита. В ячейке В, поскольку она выключена, поляризация луча останется неизменной, поэтому произойдет его отклонение также во втором кристалле. В итоге луч выйдет из дефлектора в положении 4. При выключенной ячейке А и включенной ячейке В луч не будет отклоняться в первом кристалле, но отклонится во втором — в результате он выйдет из дефлектора в положении 3. Наконец, если будут включены обе ячейки Поккельса, то луч сначала превратится из обыкновенного в необыкновенный, а затем снова станет обыкновенным. В этом случае он отклонится в первом кристалле и не отклонится во втором — в итоге будет зафиксировано конечное положение 2
говорят, сквозь ячейку Поккельса) проходит плоско- поляризованный световой луч. Можно подобрать такое напряжение, подаваемое на ячейку Поккельса, при котором плоскость поляризации луча повернется по выходе из ячейки ровно на 90°. Итак, надо воспользоваться каскадом из ячейки Поккельса и пластинки кальцита. Допустим, что падающий на этот каскад световой луч имеет поляризацию обыкновенного луча (по отношению к кристаллу кальцита). Тогда, если подать на ячейку соответствующее напряжение, плоскость поляризации луча повернется на 90°, он станет необыкновенным лучом и поэтому, проходя через 138
пластинку кальцита, сместится в сторону. Если ячейку выключить, плоскость поляризации луча останется неизменной и он выйдет из пластинки кальцита, не сместившись. Таким образом, включая и выключая ячейку Поккельса, можно менять положение луча в пространстве при сохранении его направления. Изменение положения луча производится очень быстро: за время порядка 10“8 с.
В рассмотренном дефлекторе,-может заметить читатель,-реализуются только два положения. На практике же, наверное, приходится смещать луч с учетом многих конечных положений. Рассмотренный дефлектор был однокаскадным. В дефлекторах же, которые используются на практике, имеется несколько каскадов, которые последовательно проходит световой луч (каждый каскад-это ячейка Поккельса и кристалл кальцита). При N каскадах число конечных положений луча равно 2 . То или иное положение луча реализуется при определенной комбинации включенных и выключенных ячеек Поккельса.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ЧТО ЗНАЧИТ «УПРАВЛЯТЬ» ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ?:

- Популярная физика -