Введение к работе
Высокая информативность, чувствительность и надежность оптических методов измерений традиционно привлекают внимание специалистов в различных отраслях науки и техншш, использующих их для решения современных фундаментальных и прикладных проблем. Однако существующие оптические системы и оптические методы количественных измерений и качественного контроля параметров исследуемых объектов обладают принципиальными физическими ограничениями в получении и распространении световых потоков. Таким ограничением, существенно сужающим возможности использования традиционных оптических методов, являются неизбежные потери света во многих элементах оптических систем. В частности, в работе с оптическими элементами малой про-пускаемости, с приемниками малой чувствительности, голографически-ми системами с низкой дифракционной эффективностью и т.п. величина потерь в ряде случаев составляет несколько порядков, вследствие чего возникают серьезные трудности.
В принципе, позволяет решить эту проблему квантовая алектро-ника.Действитвльно,в результате вынужденного излучения яркость световых пучков в оптической системе будет увеличиваться, наряду с сохранением, распределения амшштуд.фаз поляризации и направления распространения. Однако до начала настоящей работы (в группе Г.Г.Пет-раша, ФИАН, 1972 год) имелись лишь отдельные попытки реализовать такую возможность, так и не приведшие к создании практически интересных систем.
Возможность реализации систем с усилителями яркости была связана с предложением и разработкой в ФИАНе так называемых "саьго-разогревных лазеров" на парах металлов. Эти лазеры, обладаиаща высоким коэффициентом усиления, способны обеспечивать высокие єна-
чения средней мощности генерации, благодаря высокой частоте повторения импульсов.
Определенный интерес для создания оптических систем с усилителями яркооти наряду с лазерами на парах металлов представляю? также лазеры на парах: галогенидов металлов или других химических соединений. В частности, лазеры на парах галогенидов металлов могут обеспечивать на тех же.лазерних переходах генерации с близкими ха- ' рактеристшшми, но при значительно низкой рабочей температуре. Естественно, это может открыть новые возможности для построения сравнительно простых, с практической точки зрения, усилительных систем.
Большой практический интерес к этим лазерам определяется и тем обстоятельством, что они обладают значительной эффективностью, последняя также обуславливает их пригодность для решения многих как научных, так и практических задач.
Делъ работы
Развитие физических принципов построения оптических систем с усилителями яркости, создание и исследование первых практически действующих оптических систем с усилителями яркости изображения. Ери этом предполагалось решить следующие конкретные задачи.
I. Формулировка комплекса основных требований, предъявляемых к усилителям яркости для оптических систем. Анализ возможности использования активных сред импульсных лазеров на парах металлов в качестве таких усилителей и проведение исследований их характеристик. Экспериментальное исследование различных оптических систем, содержащие; усилители яркости изображения, определение их бнергети-чеоких, оптических, шумовых и др. характеристик и проведение оценок достижимых параметров.
-
Изучение возможности создания нового класса оптических систем с усилителями яркости, обеспечивающих заданные параметры лазерного излучения, воздействующего на исследуемые объекты различного вида.
-
Изучение влияния насыщения активных сред на структуру проходящих через усилители яркости световых пучков. Анализ вопросов возможной трансформации контраста изображений.
-
Изучение возможности разработки новых методов и схем для визуализации инфракрасных изображений.
Данная работа определяет собой новое научное направление: оптические системы с лазерными усилителями яркости.
Актуальность темы.
Лазерные источники света привели к появлению нелинейной оптики, лазерной спектроскопии, которые в значительной степени видоизменили существовавшие представления и за прошедшие четверть века позволили создать принципиально новые физические методы и приборы. Бое это, в свою очередь, требовачо развития и совершенствования оптического инструмента, осуществляемых, как правило, путем усложнений схем, что неизбежно приводило к значительному увеличения числа элементов. Поэтому улучшение определенных характеристик оптического устройства или расширение функциональных возмохностей оптической системы неизбежно приводило к увеличению потерь света в ней. Было бы справэдлшзо отметить, что во многих случаях именно нехватка света сильно ограничивает возыоаности совершенствования оптических устройств. Например, успехи в волоконной оптико а основанной на аей оптической связи, зависят, в основном, от разработок новых волокон с.уменьшенными потерпіли.
Вместе с тем, во многих случаях, в частности в проекционных
системах необходимо иметь значительнув освещзнность на выходе, йри их реализации для этого на входе в оптическую систему традиционно используют большую световую мощность, включая излучение различных лазерных источников. Однако, как известно, любой носитель информации характеризуется верхним пределом допустимого воздействия на него световой мощности, превышение которого приводит к необратимым изменениям, вплоть до его разрушения. Поэтому актуальной проблемой является создание устройств, основанных на лазерном усилении световых пучков слабой интенсивности, несущих оптическую информацию, что привело бы к принципиальному расширению возможностей оптических систем.
Своевременность такой постановки и решения исследованной Проблемы подтверждается тем, что в результате уке в настоящее время осуществляется промышленный выпуск первых оптических систем с усилителями яркости для широкого использования в научных исследованиях и в промышленной технологии.
Научная новизна.
-
Развиты физические принципы построения оптических систем с когерентными усилителями яркости и сформулированы требования, которым должны удовлетворять такие усилители. Показано, что в настоящее время лучше всех этим требованиям удовлетворяют импульсные лазеры на парах металлов и их некоторых галогенидов.
-
Разработаны новые методики измерения основных характеристик оптических систем с усилителями яркости, в частности, коэффициента усиления активных сред и контраста изображений.
-
Впервые экспериментально осуществлены и изучены различные оптические системы с усилителями яркости на парах меди, золота,
бария и др., что позволило получать усиленные изображения объектов в видимой, ультрафиолетовой и ближней Ж областях спектра, в там числе, передавать динамическую информацию. Продемонстрирована воз-могшость проекции на экран площадью в несколько десятков квадратных метров изобрагения шшрообъектов с линейными увеличениями 10 -10 .
-
Впервые предложен метод внутрирезонаторной лазерной обработки объектов при одновременном наблюдении объекта на окране. Выявлены способы управления параметрами модного пучка, оказнвавдего воздействие на объект. Показано, что в определенна: условиях взаимодействие пучков, несмотря на сияьнуп степень пасЕдеппх активной среды, практически не приводит к ухудаеппз іетсстла пзоорагення,
-
Впервые изучены вопросы тралс$срг,'лцтЕг оптических полей сложной пространственной структуры в паспцащихся усилпта'кх яркости. Обнаружено явление формирования световых пучков с распределением интенсивностей негативным но отногеншэ к входного распределению. Предложена физическая модель явления, основанная на взаимодействии усиленного спонтанного излучения, вшолнящэго роль считывающего пучка, со средой, в которой пространственная модуляция усстз-пяя осуществляется пучком, яесупщм усиленное ззобраЕзнпе.
-
Предложен и осуществлен новий метод визуализация тшфра-jtpacHHX световых полей, основанный на взаимодействии излучений в среде на двух связанных оптических переходах.
Практическая ценность работы
Разработаны схемы оптических систем с усилителяш яркости, послужившие основой для создания промышленных приборов многоцелевого назначения, в частности, для контроля и обработки интегральных схем. Результаты данной работы используются при разработке лазерного технологического .оборудования для совремэнной илкроэлек-
їрошши и послукшш основой для создания оборудования нового типа.
В разработанных приборах активная среда служит как усилителем яркости изображений, передаваемых через оптическую систему, так и генератором мощного лазерного луча с управляемыгли параметрами, способного производить множество технологических операций (микрооора-ботка тонких пленок, скрайбирование, рекристаллизация поликристал-лнческлх слоев и др.). При этом увеличенные изображения могут быть выведены на большой экран, с которого просто осуществлять визуальный контроль, кино- и фотосъемку процессов, происходящих в наблюдаемом объекте.
В настоящее время ряд оптических систем с усилителями яркости используется для решения различных задач в науке и технике (биология, медицина, проекционное телевидение и др.).
К защите представляются следующие положения:
-
Оптические системы с лазерными усилителями яркости, сочетающие высокие значения усиления (~ IOs-IO ) с передачей большого объема информации (^10+10 разрешаемых элементов по полы зрения), записанной в виде пространственного распределения амплитуды световой волны на входе этого усилителя.
-
Экспериментальные методики определения основных параметров лазерных усилителей, на основании которых показана возможность оптимизации таких систем о-пометы) лазеров на самоограничению: переходах в атомах металлов (меди, бария, золота, свинца, марганца)
и методика измерения контраста изображений в оптических системах с усилителями яркости.
3. Явление формирования.негативных вторичных изобрахзний в
насыщенных усилителях яркости, основанное на модуляции интенсивнос
ти усиленного спонтанного излучения активной среда пространственным
- Э -
распределением усиления в области возникновения первичного позитивного изображения, несущего информацию об оптических свойствах исследуемых объектов.
-
Методика внутрирезонаторной лазерной обработки различных объектов с одновршенншл оптическим контролем за качеством этой обработки с помощью той же активной средн.
-
Метод визуализации инфракрасных изображений в оптических системах с усилителями изображений, работавдих в видимой а инфракрасной областях спектра, основанный на взаимодействии световых пучков в среде на двух связанных оптических переходах, при котором первоначальная оптическая информация содержится только в инфракрасных лучах.
-
Прозеденные автором исследования послужили физической основой для создания оптических систем различного назначения, преаде всего проекционных лазерных микроскопов видимого и Щ диапазонов длин волн, успешно применяющихся для решения ряда научно-технических задач.
Апробация работы
Основные результаты диссертации неоднократно докладывалиоь на международных и всесоюзных конференциях, на семинарах и школах: на Ш Всесоюзном семинаре "Газовые лазеры на парах химических элементов", Ростов-на-Дону, 1975 г.; Всесоюзной конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы", Ленинград, 1975 г.{ У семинаре по оптическим.и электрооптическим методам и средствам перо-дачи, преобразования, переработки и хранения шформации", Москва, IS75 г.; II Всесоюзном симпозиуме по физика газбвых лазеров, Новосибирск, 1975-Г.; УП Всесоюзной.конференции по когерентной п нелинейной оптике, Тбилиси, 1976 г.; УП Национальной конференции по
спектроскопии, Болгария, 1976 г.; I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1977 г.} Ш Меэдународной конференции по лазерам а их применениям, Дрезден, ГДР, 1977 г.; ГУ Всесоюзном семинаре "Газовые лазеры на парах химических элементов", Ростов-на-Дону, 1977 г.; II Всесоюзном семинаре по-физическим процессам в газовых ОКГ, Ужгород, 1978 г. J УП Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений, Петрозаводск, 1978 г.; Сессии отделения, общей физики и астрономии АН СССР, Москва, Т978 г.; II Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1980 г.; Международной конференции "Лазеры-80", Новый Орлеан, США., 1980 г.; Международном симпозиуме "Олтика-80", Будапешт, ВНР, 1980 г.;' X Сибирском совещании по спектроскопии, Томск, 1981 г.; IX Мездународном конгрессе "Интерка-ыера-81",' Драга, ЧССР, 1981 .г.; УІ Международной конференции "Лазеры и их применение", Лейпциг, ГДР, 1981 г.; II Советско-французском симпозиуме по оптическому приборостроению, Москва, 1981 г.; Ш Всесоюзной конференции "Оптика лазеров-82", Ленинград, 1982 г.; Всесоюзной школе-семинаре по физике лазеров на парах химических элементов, Роотов-на-Дону, 1982 г., Г7 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров-84", Ленинград, 1984 г.; Всесоюзном.семинаре по физике лазеров на парах химических электронов, Ростов-на-Дону, 1985 г.; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии И системах передачи и обработки информации", Ленинград, 1984 г. ; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", Звенигород, 1985 г.;Все-совзвых семинарах "Лазеры на парах металлов", ФИАЛ СССР, Москва, в 1976^-1982 гг.; семинарах Оптической лаборатории им. Г.СЛандсберга ШН, Москва, 1972-1986 гг.
Результаты работы обсувдалнсь также на различных семинарах в ФШо, ИОШе, ИГУ, ЙСАНе, ИАЭ СО АН СССР и других организациях и
- II -
учревденнях.
Список работ, материалы которых включены в диссертацию, приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
