Лазеры в допечатных процессах

Ю.Н.Самарин, докт. техн. наук, МГУП

Принципы работы лазеров

Основные свойства, параметры и характеристики лазеров

     Монохроматичность

     Когерентность

     Направленность

     Интенсивность

Поляризационные свойства лазерного излучения

Эксплуатационные параметры лазеров

Широкое внедрение лазерной техники в допечатную подготовку позволило повысить оперативность изготовления печатных форм, стабилизировать их качество, а также способствовало повышению экономической эффективности полиграфического производства.

Принципы работы лазеров

Академик Н.Г.Басов следующим образом описывал принципы работы лазера и его основные достоинства: «Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, уже сегодня превышающую плотность энергии ядерного взрыва. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки».

Атомы и молекулы находятся в определенных квантовых состояниях, характеризующихся дискретными величинами энергии. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни. Переход атома или молекулы с одного энергетического уровня на другой совершается скачком. При переходе атома на более высокий энергетический уровень происходит поглощение порции излучения — кванта света, или фотона. При переходе атома на более низкий уровень происходит испускание фотона. Энергия поглощаемого или испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома Е₂ – E₁, между которыми совершается переход, то есть

h=Е₂ – E₁,

где  — частота излучения; h — постоянная Планка (h = 6,6 · 10^-34 Дж·с).

Пусть атом находится на нижнем энергетическом уровне Е₁ (рис. 1). При облучении этого атома квантом света h происходит поглощение этого кванта и переход атома на верхний энергетический уровень Е₂.

Рис. 1. Схема квантового перехода между двумя энергетическими уровнями

Если атом находится на верхнем энергетическом уровне Е₂, то при облучении атома квантом света h атом не может поглотить фотон. Зато он может под действием фотона перейти обратно на уровень Е₁. При этом появится еще один фотон, имеющий энергию Е₂ – E₁. Это и есть процесс вынужденного испускания света. Существенно, что оба фотона (и появившийся, и первичный) имеют одинаковую энергию и одно и то же направление движения.

Первичный фотон может инициировать переход с уровня Е₂ на уровень Е₁ сразу во многих атомах. В результате появится не один вторичный фотон, а целая лавина таких фотонов. Все они будут иметь одинаковую энергию и двигаться в одном направлении — в направлении движения первичного фотона.

Оказавшись на уровне Е₂, атом может возвратиться на уровень Е₁ самопроизвольно. Этот процесс называется спонтанным испусканием света. Возникающий при этом фотон имеет энергию, равную Е₂ – E₁; а направление его движения произвольно.

Таким образом, имеются два типа процессов испускания света атомами и молекулами: вынужденное и спонтанное. Первый процесс — управляемый. Его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атома с уровня Е₂ на уровень Е₁, но и определяет направление движения родившегося при этом переходе фотона. Второй процесс имеет ярко выраженный случайный характер: случаен момент перехода, случайно направление движения родившегося фотона. Если при вынужденном испускании возникает лавина фотонов, дружно летящих в одном направлении, то при спонтанном испускании фотоны разлетаются в разные стороны и движение их не согласовано друг с другом.

Известно, что вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на уровне Е₁, равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся на уровне Е₂. Если атомов больше на уровне Е₁, то чаще будут происходить акты поглощения фотонов атомами — световой пучок будет ослабляться. Если же большинство атомов окажется на уровне Е₂, то чаще будут происходить акты вынужденного испускания фотонов. В этом случае вынужденное испускание света должно преобладать над поглощением света, и в результате световой пучок усилится. Следовательно, для усиления пучка света надо создать необычную ситуацию, когда число атомов или молекул на более высоком уровне энергии больше, чем на нижнем. Как говорят, надо создать инверсную (обращенную) населенность энергетических уровней в веществе, то есть привести атомную систему в возбужденное состояние.

Инверсия населенностей равнозначна энергетическому обогащению вещества, происходящему за счет подвода к нему энергии извне.

Методом получения инверсии, применяемым в лазерах, является накачка, заключающаяся в облучении активной среды лазера светом (оптическая накачка) или в возбуждении активной среды электрическим током (электрическая накачка). При этом в ответ на каждый импульс накачки возникает импульс лазерного излучения. Возможна также непрерывная накачка. В этом случае лазерное излучение может возникать как в виде непрерывного светового луча, так и в виде регулярной последовательности световых импульсов.

Активная среда, в которой получают лазерный эффект, играет решающую роль. Вид применяемого для этой цели материала (его энергетическая структура, оптические, тепловые и другие свойства) оказывает принципиальное влияние на параметры лазера и определяет его конструкцию. В связи с этим лазеры прежде всего различают в соответствии с основными группами применяемых в качестве активной среды материалов: твердотельные, то есть с твердым телом в качестве активной среды, газовые, жидкостные, полупроводниковые и волоконные.

Рис. 2. Принципиальная схема лазера

Основными элементами лазера являются оптический резонатор Фабри—Перо, состоящий из полностью отражающего зеркала 1 и частично пропускающего (около 50%) выходного зеркала 2, активной среды 3 и устройства накачки 4 (рис. 2).

При подаче излучения определенной частоты устройством накачки 4 в активной среде 3 возникает избыток возбужденных атомов. Спонтанные фотоны, возникающие внутри активной среды, взаимодействуют с возбужденными атомами и в конечном счете инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. За счет отражения от двух параллельных зеркал оптического резонатора увеличивается плотность вынужденного излучения и формируется его направление. Лазерный луч выходит в виде параллельного пучка света из резонатора через выходное зеркало 2, частично пропускающее световое излучение.

Основные свойства, параметры и характеристики лазеров

Излучение лазера является узко монохроматическим, когерентным, направленным, высоко интенсивным и поляризованным. Эти свойства обеспечивают эффективное применение лазеров в промышленности, в том числе в полиграфии.

Монохроматичность

Лазер генерирует электромагнитное излучение определенной длины волны λ или частоты ( = u/λ, где  — скорость света в среде, заполняющей реактор). Для излучения, генерируемого лазером, должно выполняться определяемое резонатором условие резонанса — на длине резонатора L должно укладываться целое число q полуволн λ/2, то есть L = qλ/2. Переходя от длины волны к частоте, это условие: = qu/2L.

В действительности энергетический уровень атомов всегда в какой-то степени «размыт»: ему отвечает энергия, непрерывно изменяющаяся в пределах некоторого интервала значений. Поэтому рождающееся лазерное излучение характеризуется не какой­то одной определенной частотой, а частотами в некотором интервале ∆. Когда говорят о частоте, отвечающей тому или иному излучению, то подразумевают среднюю частоту. Набор частот, отвечающий данному излучению, называют его спектральной линией; величина ∆ есть ширина спектра.

Понятие монохроматичности характеризует ширину спектра излучения. Идеально монохроматическим можно считать излучение, ширина спектра которого близка к нулю. Отклонение от монохроматичности характеризуется степенью монохроматичности:

,

где ∆λ и ∆ — ширина спектра, выраженная соответственно в длинах и частотах; λ0 и 0 — центральная длина волны и частота.

Величины ∆λ и ∆ оцениваются на уровне интенсивности спектральной линии, равной половине максимального значения.

Ориентировочная ширина спектра, выраженная в длинах, составляет для газовых лазеров 10^-3­10^-4 нм, для твердотельных — 10^-1­10^-2 нм, для полупроводниковых — 1^-10 нм.

Рис. 3. Спектральные характеристики лазерных диодов

С каждой генерируемой в данном резонаторе резонансной частотой связывают понятие «продольная мода». Вместо того чтобы говорить, что в излучении данного лазера представлены такие­то резонансные частоты, говорят, что излучение состоит из таких­то продольных мод.

Физическая природа активной среды определяет участок спектра, в пределах которого возможна генерация, объем — мощность (энергию) излучения, а длина и показатель преломления активной среды влияют на частотные свойства генерации.

Излучение лазеров бывает многомодовым и одномодовым. На рис. 3 представлены спектральные характеристики лазерных диодов, то есть распределение излучения Ризл по длинам волн.

Наиболее распространенный метод реализации одномодового режима работы лазера состоит в использовании коротких резонаторов так, чтобы усиливалась одна продольная мода. Другой метод заключается в применении составных концевых зеркал, с помощью которых создаются два резонатора разной длины, а лазер работает на частоте, резонансной для обоих резонаторов.

Пространственные диаграммы излучения газовых лазеров определяются «поперечными модами», их представляют в виде символов TEMmn, где m и n — малые целые числа (ТЕМ — Transerse Electromagnetic).

Рис. 4. Поперечные моды с прямоугольной (а) и осевой (б) симметрией

Поперечные моды определяются условиями резонанса внутри резонатора и представляют собой определенные конфигурации электромагнитного поля, задаваемые граничными условиями в резонаторе. Индексы m и n у символа TEMmn интерпретируются в прямоугольной системе координат как число нулей на пространственной диаграмме по каждому из ортогональных направлений в плоскости поперечного сечения пучка. На рис. 4а приведены примеры пространственного распределения световой интенсивности в виде прямоугольных диаграмм поперечных мод. Цифрами обозначено число наблюдаемых минимумов интенсивности при сканировании поперечного сечения пучка соответственно по горизонтали и вертикали. Так, мода ТЕМ₀₀ не имеет нулей ни по вертикали, ни по горизонтали, в то время как у моды ТЕМ₁₀ имеется один нуль по горизонтали и нет нулей по вертикали; ТЕМ₂₀ имеет два нуля по горизонтали и ни одного по вертикали, а ТЕМ₁₁ имеет по одному нулю по вертикали и по горизонтали.

Во многих случаях распределение интенсивности оказывается очень сложным из­за суперпозиции нескольких мод.

На рис. 4б приведены примеры поперечных мод с осевой симметрией. Здесь первая цифра означает число минимумов интенсивности вдоль радиуса поперечного сечения, вторая  равна половине числа минимумов интенсивности в азимутальном направлении. Моды, обозначенные символом ТЕМ*₀₁, представляют собой суперпозицию двух одинаковых мод, повернутых относительно друг друга на 90° вокруг центральной оси. Так, ТЕМ*₀₁ образуется как комбинация мод ТЕМ₀₁ и ТЕМ₁₀ — часто ее называют тороидальной.

Для лазерной обработки материалов предпочтительнее использовать ТЕМ₀₀, называемую гауссовой.

При распространении (в том числе при прохождении через оптические системы) пространственная форма гауссова пучка остается неизменной, в то время как моды более высокого порядка не сохраняют первоначального пространственного распределения.

В допечатных процессах для записи изображения находят применение следующие типы лазеров (рис. 5):

Рис. 5. Диапазоны мощностей и длины волн лазеров

•  красные гелий­неоновые (He­Ne) газовые лазеры с длиной волны λ = 633 нм;

•  голубые аргон­ионные (Ar+) газовые лазеры с длиной волны λ = 488 нм;

•  красные маломощные лазерные диоды с длиной волны λ = 670­680 нм;

•  ультрафиолетовые аргон­ионные (Ar+) газовые лазеры с длиной волны λ = 350­364 нм;

•  инфракрасные мощные газовые СО₂­лазеры с длиной волны λ = 10 600 нм;

•  инфракрасные мощные лазерные диоды (IR) с длиной волны λ = 830­870 нм;

•  инфракрасные мощные твердотельные лазеры на иттрий­алюминиевом гранате с неодимом (ND:YAG) с длиной волны λ = 1064 нм (с ламповой или полупроводниковой накачкой);

•  зеленые твердотельные лазеры на иттрий­алюминиевом гранате с неодимом утроенной частоты (FD:YAG) с длиной волны λ = 532 нм;

•  ультрафиолетовые твердотельные лазеры на иттрий­алюминиевом гранате с неодимом удвоенной частотой (ND:YAG) с длиной волны λ = 354 нм;

•  фиолетовые лазерные диоды с длиной волны λ = 400­410 нм;

•  инфракрасные волоконные лазеры (Faser от Fibre Laser) с полупроводниковой накачкой с длиной волны λ = 1112 нм.

Когерентность

Понятие когерентности излучения относится к мере согласования между фазами волн, образующих данное излучение. Два пучка называются когерентными, если разность фаз между волнами остается постоянной за время наблюдения.

Для пояснения понятия когерентности удобно воспользоваться волновым представлением света. На рис. 6 излучение изображено в виде «элементарных волн», зарождающихся в активной среде; их обычно называют цугами. Ситуация на рис. 6а соответствует некогерентному свету, а на рис. 6б — идеально когерентному. В последнем случае все волновые цуги распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом. Все это есть следствие вынужденного испускания света. При вынужденном испускании вторичный цуг точно копирует первичный цуг по направлению распространения, по длине волны, по фазе. На рис. 6б штриховой прямой показана поверхность одинаковой фазы (волновой фронт).

Рис. 6. Схема распространения некогерентного (а) и когерентного (б) света

Когерентность лазерного луча проявляется, в частности, в исключительно высокой степени его монохроматичности, а также в очень малой расходимости лазерного луча, то есть в высокой параллельности пучка света.

Направленность

Направленность является одним из основных свойств излучения лазеров. Направленным является излучение, распространяющееся в пределах небольшого телесного угла. Мерой параллельности излучения является расходимость лазерного пучка.

Расходимость лазерного излучения — это плоский или телесный угол с вершиной, совпадающей с точкой пересечения оси резонатора с плоскостью перетяжки.

Эту расходимость также называют угловой. Пространственные параметры лазерного пучка получают экспериментальным путем или рассчитывают по известным параметрам резонатора. Связь параметров пучка с параметрами резонатора определяется типом резонатора.

Рис. 7. Схема конфокального резонатора

На рис. 7 представлен конфокальный резонатор, состоящий из двух зеркал 1, 2 с радиусами r₁ и r₂ соответственно. В случае r₁ = r₂ перетяжка излучения будет находиться в центре резонатора, ее диаметр (для одномодового излучения) определяется выражением:

,

где = 2/λ — волновое число; d — длина резонатора.

Диаметр излучения на расстоянии z от перетяжки выражается формулой:

.

Расходимость пучка при равномерном распределении энергии, что соответствует многомодовому характеру излучения, определяется равенством:

,

где 2у — размер диафрагмы на выходном зеркале; k_Ф — коэффициент, зависящий от распределения энергии и формы активного элемента.

При равномерном распределении энергии для круглой диафрагмы k_Ф = 1, для гауссового пучка
k_Ф = 1,22.

Расходимость лазерного пучка минимальна при генерации основной моды, при которой лазерный пучок имеет гауссово распределение энергии:

,

где Е0 — энергия на оси пучка.

Тогда расходимость, соответствующая уменьшению амплитуды в е раз по сравнению с амплитудой на оси (или уменьшению энергии в е² раз), выражается следующим образом:

.

Без применения дополнительных оптических систем расходимость газовых лазеров составляет единицы угловых минут, твердотельных — до нескольких десятков минут, полупроводниковых — до десятков градусов.

Рис. 8. Коллимация пучка с помощью двухлинзового телескопа

Расходимость пучка можно уменьшить путем его коллимации с фокусировкой лазерного пучка (в фокусе оптической системы помещают диафрагму малого диаметра — пространственный фильтр) и без фокусировки лазерного пучка — путем пропускания пучка через телескоп (рис. 8), который преобразует параллельный пучок лучей, входящий в систему, также в параллельный пучок лучей на выходе из нее с увеличенной апертурой (диаметром) пучка.

При этом расходимость лазерного излучения обратно пропорциональна увеличению β используемого телескопа (β = D2/D1):

,

где 1, 2 — расходимость пучка на входе в телескоп и на выходе из него соответственно; D₁, D₂ — диаметр пучка на входе в телескоп и на выходе из него соответственно. При этом лазерный пучок должен полностью заполнять телескоп.

Минимальное достижимое значение расходимости определяется дифракционными явлениями оптического волнового фронта на выходном компоненте коллимирующей системы.

В технической характеристике (паспорте) обычно указывают в качестве расходимости угол 2.

При записи изображения необходимо сфокусировать лазерный луч в пятно малого размера в плоскости, где располагается записываемый материал (формный, фотографический и т.п.). Диаметр сфокусированного пятна (микроточки) лазерного луча (рис. 9) d0 = 2r, который обычно равен или несколько больше величины, обратной разрешению R записи (d0 = (1÷1,2)/R), зависит от расходимости лазерного пучка и параметров фокусирующей оптической системы.

Рис. 9. Схема фокусировки лазерного луча

Рис. 10. Характер распределения интенсивности лазерного излучения в различных сечениях сфокусированного лазерного пучка

Обычно используется световой гауссов пучок с круглым сечением (Кф = 1,22). Если такой пучок фокусируется на оптической оси объективом с фокусным расстоянием f, то минимально достижимый диаметр сфокусированного пятна d0 определяется выражением

,

где λ — длина волны излучения; D — ширина лазерного пучка, входящего в фокусирующий объектив.

Желательно применять короткофокусный объектив, обеспечивающий получение достаточно малого диаметра пятна, то есть высокую разрешающую способность системы. Однако на практике для большого формата сканируемого поля приходится пользоваться длиннофокусными объективами, что приводит к увеличению размеров фокусирующей системы. Другая возможность уменьшить диаметр сканирующего пятна и тем самым повысить разрешение — увеличение ширины D лазерного пучка, входящего в фокусирующий объектив.

Для фокусировки лазерного излучения чаще всего используют линзы или объективы линз с фокусным расстоянием 25­300 мм и рабочими диаметрами от 10­20 до 60 мм и более. Также приминяют зеркала, зеркальные объективы, комплекты переключаемых и сменных объективов. В области видимого излучения и в близкой к инфракрасной области спектра для фокусировки применяют стеклянные линзы, в инфракрасной области спектра — линзы из NaCl, KCl, Ge, GaAs, ZnSe и др., что позволяет получать в фокусах оптических систем удельную мощность около 10⁶­10¹⁰ Вт/см², а также плотность энергии 10³­10⁵ Дж/см² и более.

Важная характеристика фокусирующей системы — глубина резкости.

Преобразованный оптической системой лазерный луч имеет в области фокусировки вид гиперболоида вращения с диаметром d0 перетяжки (шейки) пучка.

Картина изменения распределения амплитуды гауссова пучка, характерная, например, для газового лазера при его распространении в однородной среде, представлена на рис. 10.

Перетяжка может характеризоваться и продольным распределением b, в пределах которого диаметр пучка изменяется незначительно:

,

где D — диаметр гауссова пучка на входе в оптическую систему.

Параметр b можно рассматривать как глубину фокусировки или глубину резкости фокусирующей системы, при которой относительная величина допустимого изменения диаметра пучка определяется значением

ε = (dдоп – d0)/d0.

Чем больше глубина резкости фокусирующей системы, тем выше точность записи изображения. Разные типы лазеров имеют различную форму пучка и глубину резкости при его фокусировании (рис. 11).

Рис. 11. Форма пучка разных лазерных источников: а — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — излучение лазерных диодов

Хорошая фокусировка лазерного луча обеспечивается такими его свойствами, как когерентность и монохроматичность.

Некогерентный световой пучок принципиально нельзя хорошо сфокусировать, а когерентный лазерный луч сфокусировать можно. Это понятно из рис. 6а. представим такой пучок в виде совокупности световых лучей, ориентированных под разными углами к оптической оси фокусирующей линзы (рис. 12а). В пучке же с высокой степенью когерентности (см. рис. 6б) все лучи практически параллельны и, кроме того, монохроматичны. Такие световые лучи можно сфокусировать практически в световое пятно диаметром 1^-10 мкм, что и показано на рис. 12б.

Рис. 12. Схема фокусировки некогерентного (а) и когерентного (б) света

Монохроматичность излучения обеспечивает отсутствие хроматической аберрации (погрешности) в оптической системе, что улучшает условие получения хорошо сфокусированного пятна.

Известно, что показатель преломления зависит от длины волны света. На этом основано разложение белого света в спектр призмой. При этом чем больше преломляющий угол призмы, тем в более широкий спектр разлагается луч белого света. Линза по форме до некоторой степени близка к призме (рис. 13). Преломляющий угол линзы непостоянен: в центре этот угол равен нулю, а к краям достигает максимума. Поэтому лучи света, проходящие через центр линзы, не разлагаются на отдельные цвета. В то же время лучи, проходящие через линзу на некотором расстоянии от оптической оси, разлагаются на лучи различной длины волны и тем в большей степени, чем дальше от оптической оси проходит луч. Лучи каждой цветности дают свой главный фокус, не совпадающий с фокусом других лучей. Расстояние между фокусами F1 и F3 характеризует продольную величину хроматизма. Хроматическая аберрация приводит к снижению резкости изображения в связи с образованием цветных кружков.

Рис. 13. Хроматическая аберрация

Рис. 14. Точка изображения

На характер распределения оптической плотности в сфокусированном пятне на светочувствительном материале, например на фотопленке, и соответственно в изображении микроточки после фотохимической обработки пленки оказывает влияние распределение энергии в апертуре лазерного пучка. Точки изображения, у которых оптическая плотность на краях очень резко изменяется от максимального значения до минимального, называют жесткими, а точки с более плавным изменением оптической плотности на краях — мягкими (рис. 14). В связи с тем, что растровая точка изображения формируется (рис. 15) из некоторого количества мягких или жестких микроточек, понятие «жесткости» применимо и для растровых точек (рис. 16).

Рис. 15. Схема формирования различных по величине растровых точек

Рис. 16. Увеличенный микроденситометрический скан точки растра

При записи изображения с невысокими линиатурами растра (133, 150 lpi) влияние «жесткости» точки практически неуловимо, а с учетом погрешностей собственно печатного процесса и вовсе исчезает. Для печати при высокой линиатуре  «жесткость» луча начинает играть принципиальную роль, так как для достижения таких линиатур требуется адекватное уменьшение диаметра сканирующего лазерного пятна.

Жесткость растровой точки в значительной степени зависит от метода регулировки размера пятна лазера. В аппаратах с переменной апертурой регулировка размера выполняется изменением диаметра луча D (см. рис. 9).

Для изменения диаметра лазерного луча с целью получения микроточки разного диаметра при записи изображения с различными линиатурами растра используются диафрагмы. Диафрагмы имеют разную апертуру и располагаются на турели. При смене диаметра луча турель автоматически поворачивается и устанавливает на оптическую ось диафрагму с апертурой, соответствующей диаметру микроточки, формирующей изображение. Недостатком такого механизма является ограниченный набор диафрагм.

Этот недостаток может быть устранен за счет применения ирисовой диафрагмы, плавно изменяющей в определенных пределах апертуру своего отверстия и соответственно диаметр луча.

Интенсивность

Понятие интенсивности применяется для оценки фотометрических величин, с помощью которых характеризуется излучение лазера: силы излучения, яркости, потока и т.д. При больших значениях этих величин обычно утверждается, что излучение является интенсивным. Излучение лазера, благодаря высокой степени направленности излучения, может быть интенсивным даже в том случае, когда мощность излучения сравнительно невелика.

Сила излучения лазера характеризует пространственную плотность потока излучения, то есть величину лучистого потока, приходящегося на единицу телесного угла, в котором распространяется излучение, и определяется по формуле:

,

где Фэ — мощность излучения, Вт; Ω=α² — телесный угол, стер; α — апертурный угол конуса, которым образован телесный угол, рад.

При одномодовом излучении лазера, расходимость которого 2 (телесный угол соответственно равен α = 4²), сила излучения в направлении, характеризуемом апертурным углом 2 к оси, равна

 Вт/стер.

Если сравнивать, например, по силе излучения лампу накаливания и лазер, то при одной и той же потребляемой мощности лазеры оказываются более интенсивными, обладая более низким КПД. Например, лампа накаливания мощностью 66 Вт обладает средней силой излучения

 Вт/стер,

а лазер типа ЛГ­55 с потребляемой мощностью 66 Вт, мощностью излучения 2•10^-3 Вт и расходимостью 10' характеризуется силой излучения

 Вт/стер.

Поток излучения (мощность лазера) Фэ представляет энергию вынужденного излучения (энергию генерации), проходящего через поперечное сечение в единицу времени: Фэ = dQe/dt. Если излучение происходит на основной моде, то величина потока Фэ определяется соотношением радиуса рассматриваемого сечения r и размера пятна моды ω:

,

где Ф₀ — полный поток лазера, измеренный при r>>ω.

Переход энергетической величины потока (Вт) к световому (лм) осуществляется по формуле

Ф=638Фэ,

где 683 лм/Вт — световой эквивалент лучистой энергии на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности глаза (λ = 0,55 мкм).

Переход от светотехнической величины потока к энергетической осуществляется по формуле

Фэ=АФ,

где А = 0,00146 Вт/лм — механический эквивалент света (А = 1/683).

При импульсном излучении режим регулярной последовательности импульсов характеризуется средним потоком излучения, то есть средним значением потока за заданный промежуток времени:

Фср=Фи∆t/T,

где Фи — поток в импульсе; ∆t — длительность импульса; Т — период повторения импульсов.

В допечатных процессах при записи изображения осуществляют управление интенсивностью лазерного луча по принципу «да — нет», при котором интенсивность меняется от максимального значения до нуля, для формирования печатающих или пробельных элементов формы, а также для приведения в соответствие интенсивности с свето­ или термочувствительностью записываемых материалов. Для управления интенсивностью служат специальные устройства — модуляторы излучения.

Поляризационные свойства лазерного излучения

Поляризованным называют излучение, которое можно представить электрическим вектором, величина и направление которого в данной точке пространства закономерно меняются с течением времени. Свет, у которого направление и величина электрического вектора изменяются беспорядочно, называется неполяризованным или естественным светом. Излучение практически всех типов лазеров является поляризованным. Если торцы активных элементов лазера находятся под углом Брюстера к оси пучка, то излучение является линейно поляризованным, при этом степень поляризации близка к 100% (угол Брюстера _Бр, для которого выполняется условие tg_Бр = n, где n — показатель преломления).

При линейной поляризации световые колебания происходят только в одном направлении, остающемся постоянным. Поляризованный свет при распространении в веществе может менять характер поляризации. Плотность поляризации может повертываться при отражении в оптически активных телах.

Свойство поляризации используется в устройствах управления лазерным излучением.

Эксплуатационные параметры лазеров

Коэффициент полезного действия определяется как отношение энергии генерации к электрической энергии, потребляемой источником накачки. В случае работы лазера в непрерывном режиме КПД вычисляется как отношение соответствующих мощностей.

Потребляемая мощность зависит от типа и мощности излучения лазера и может составлять от нескольких десятков ватт для маломощных лазеров до нескольких киловатт для лазеров с мощным излучением.

Рабочая температура активного элемента и элементов системы накачки. Для поддержания необходимой рабочей температуры используют естественное, воздушное или водяное охлаждение лазеров.

Время готовности к работе представляет собой промежуток времени от момента включения прибора в сеть до получения стабильного режима с заданными характеристиками излучения. В импульсных твердотельных лазерах основную часть времени занимает зарядка конденсаторов, в приборах непрерывного действия — нагрев цепей блока питания или активного элемента. Время готовности некоторых лазеров составляет несколько минут.

Время непрерывной работы обычно ограничено, что вызвано нагревом активного элемента или элементов блока питания, после охлаждения которых лазер снова готов к работе.

Ресурс работы представляет собой время работы лазера до выхода из строя одного из основных элементов (активного элемента, оптической накачки, зеркал резонатора). Ресурс газовых и твердотельных лазеров составляет обычно 1­2 тыс. часов, полупроводниковых — 10­20 тыс. часов.

Габариты и масса имеют существенное значение, особенно для мощных лазеров. Наибольшие значения этих величин характеризуют лазеры с мощными источниками питания.

Надежность лазеров близка к надежности газоразрядных приборов (газовые лазеры) и к надежности полупроводниковых приборов (полупроводниковые лазеры).

Окончание в следующем номере

Мир Этикетки 3'2006