Введение в матричную оптику - Джеррард А.
Скачать (прямая ссылка):
I емыа
ОП* Система Z
Афокальная система.
А-----------1
t,
Второй.
\пепеетра-\
Мтети
^люмеяалтк Выход
щ R.;v' "i й т 0 т 1 mV$i
_ц v;_ 0 1 0 т 0 1 т%
или
(Замечание. Если в процессе вычислений окажется, что tt Ц должно быть отрицательным, то целесообразнее использовать
152
Глава S
афокальную систему с отрицательным увеличением. При этом значения t все же останутся отрицательными, но сопряженные плоскости системы расположатся более удачно, и опасность тога, что ОП] нли ОП2 окажется внутри согласующей системы, будет меньше. При использовании такой системы необходимо помнить, что результирующее изображение будет перевернутым!
Кроме того, хотя матричные методы могут оказаться весьма полезными при решении подобных задач, они не являются панацеей. Инженеру, конструирующему оптическую систему, необходимо использовать весь опыт, уже накопленный в этой области. Он должен, например, изучить опыт использования полевых лннз, а также то, каким образом преобразуется изображение в оптической системе перископа подводной лодки или в системах оптической обработки информации.)
Рассмотрим теперь более простую, на наш взгляд, задачу из этой области, а именно преобразование и формирование лазерных пучков нужной формы, в частности, такой, которая необходима для согласования с некоторой системой, внешней по отношению к лазеру. Такая задача может возникнуть для лазеров любого уровня мощности.
Например, мощность гелий-неонового газового лазера измеряют в милливаттах, и такой лазер обычно используют для ин-терферометрических измерений и для юстировки, иногда на очень больших расстояниях. Он также используется в качестве источника света для испытания оптических систем или для записи и восстановления голограмм. Лазеры средней мощности, которая измеряется в ваттах, используются в голографии, в системах связи и в хирургии глаза, как источники накачки для лазеров на красителях, а также в устройствах, в которых быстрое сканирование луча используется для записи и считывания информации. Когда мы входим в диапазон «высоких» мощностей, то появляются новые применения, такие, как сварка и механическая обработка, импульсная голография и светолокация (включая светолокацию луны). Более мощные лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для экспериментов в нелинейной оптике и для исследования плазмы. Сфокусированные лучи сверхмощных лазеров позволяют получить температуру порядка нескольких миллионов градусов, что в принципе позволяет зажечь термоядерную реакцию. (В некоторых экспериментах лазерный импульс может длиться всего 10-11 с, однако пиковая мощность может при этом достигать 1018 Вт!) ’)
>) В настоящее время строятся гораздо более мощные установки — до 2-1014—1015 Вт в импульсе Например, проектная мощность установки УМИ—35, создаваемой в лаборатории колебаний ФИАН’а, составляет 2-10й Вт (подробнее см. тезисы докладов конференции по нелинейной оптике, состоявшейся в Тбилиси в 1976 г.). — Прим реф.
Оптические резонаторы и распространение лазерного пучка
153
Когда мощность лазерного луча достигает мегаваттного уровня, в диэлектрической среде, через которую проходит этот луч, может произойти пробой (например, в воздухе, в стекле, в жидкости и т. д.). При этих интенсивностях часто развивается явление самофокусировки, но даже и при мощности в несколько киловатт необходимо учитывать тепловые эффекты, обусловленные прохождением лазерного луча через среду, если только она не является идеально прозрачной. Мы ограничимся здесь рассмотрением лучей низкой и средней мощности, для которых перечисленные выше эффекты не играют, существенной роли.
Однако следует заметить, что даже лазер мощностью ~ 1 мВт может существенно повредить глаз неосторожного наблюдателя. Инструкции по лазерной технике безопасности в большинстве случаев гарантируют достаточно надежную защиту. Каждый специалист, работающий с лазером, должен неуклонно соблюдать требования этих инструкций. Смотреть непосредственно на узкий лазерный луч так же неразумно, как и разглядывать солнце невооруженным глазом.
В большинстве задач согласования мод гауссов пучок, выходящий из лазера, имеет круговое сечение и должен быть направлен в некоторую внешнюю оптическую систему, которая также обладает круговой симметрией. Однако иногда требуется преобразовать пучок с круговым поперечным сечением в пучок с существенно эллиптическим сечением, и наоборот. При условии, что оси х и у выбраны так, что они совпадают с большой и малой осями такого эллипса, последнее преобразование выполнить совсем просто. Для этого необходимо определить как вдоль оси х, так и вдоль оси у отдельные параметры луча q и соответствующие матрицы преобразования луча. В действительности нам нужно провести два независимых вычисления для каждой переменной х и у, а затем можно определить амплитуду электрического поля в любой точке (х, у, z) как произведение двух функций ехр [(2ш'Д) (y2/2qv)] и ехр [(2ni/K) (x2/2qx)]. Следовательно, действительные части величин l/qx и \/qy определяют главные значения радиусов кривизны волновых фронтов, и если они не совпадают, то пучок должен обладать астигматизмом и в общем случае иметь эллиптическое сечение. Аналогично если мнимые части этих величин различны, то линии равной энергии, характеризующие распределение энергии в сечении пучка, уже не будут окружностями, а приобретут форму эллипса.
