Когерентность лазерного излучения
Одной из фундаментальных характеристик лазерного излучения является высокая степень когерентности. Когерентность проявляется как во временной, так и в пространственной области. Временная когерентность связана с узкой спектральной шириной излучения и позволяет сохранять фиксированную разность фаз между колебаниями на разных участках волны во времени. Это означает, что лазерное излучение приближено к идеальной монохроматичности. Пространственная когерентность характеризует способность волнового фронта сохранять структуру при распространении на большие расстояния, что делает возможным получение хорошо сфокусированных пучков и интерференционных картин высокой контрастности.
Высокая когерентность достигается благодаря стимулированной эмиссии, лежащей в основе генерации лазерного излучения. Все фотоны, возникающие в процессе вынужденного испускания, имеют одинаковую частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и излучение, вызвавшее этот процесс. Это радикально отличает лазеры от тепловых источников света, в которых фотоны испускаются спонтанно и независимо.
Монохроматичность
Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно малой спектральной шириной, что обусловлено особенностями процесса генерации в активной среде с инверсной населенностью. Ширина спектра может достигать порядка герц или даже ниже, в зависимости от типа лазера и качества стабилизации. Это делает возможным точные измерения, спектроскопию высокого разрешения, оптические стандарты частоты и сверхточные навигационные системы.
Следует отметить, что абсолютная монохроматичность невозможна из-за фундаментальных ограничений, обусловленных соотношением неопределённостей, тепловыми флуктуациями, дрейфами параметров резонатора и квантовыми шумами. Тем не менее, по сравнению с обычными источниками света, лазеры обеспечивают на порядки более узкий спектр.
Направленность излучения
Лазерное излучение чрезвычайно направлено, то есть формирует узкий пучок с очень малым углом расходимости. Это связано с тем, что резонаторные моды определяют строгое распределение фаз и амплитуд в поперечном сечении пучка. В идеале лазер работает в фундаментальной моде (TEM₀₀), обладающей гауссовым распределением интенсивности и минимальной расходимостью, ограниченной дифракцией.
Высокая направленность важна для передачи энергии на большие расстояния, прицеливания, обработки материалов, в системах связи и дистанционного зондирования. Для реальных лазеров возможно наличие более высоких поперечных мод, что увеличивает угол расходимости, однако он всё равно остаётся на порядки меньше, чем у излучения ламп и светодиодов.
Поляризация лазерного излучения
Благодаря симметрии резонатора и используемым оптическим элементам (анализаторы, кварцевые пластины, диэлектрические зеркала), лазерное излучение может обладать высокой степенью поляризации. Вектор электрического поля может быть строго ориентирован в одной плоскости (линейная поляризация), вращаться с постоянной скоростью (круговая поляризация) или описывать эллипс (эллиптическая поляризация).
Поляризационные характеристики особенно важны при интерференции, модуляции и в нелинейной оптике. Некоторые лазеры по своей конструкции генерируют линейно поляризованный свет, например, лазеры с анизотропными активными средами (например, на основе кристаллов неодима: YAG:Nd³⁺) или с введёнными в резонатор поляризующими элементами.
Высокая интенсивность и плотность энергии
Лазеры способны достигать чрезвычайно высокой плотности мощности, как непрерывной, так и импульсной. В непрерывном режиме выходная мощность промышленных лазеров может достигать десятков и сотен киловатт. В импульсном режиме при короткой длительности (пикосекунды, фемтосекунды) возможны пиковые мощности вплоть до тераватт и даже петаватт.
Такая мощность позволяет не только эффективно резать, сваривать и испарять материалы, но и создавать условия для исследования экстремальных физических процессов: образование плазмы, фотоядерные реакции, генерация высокоэнергетичных частиц.
Фокусировка лазерного пучка позволяет достичь плотности энергии в фокусе, сопоставимой с энергиями внутренних электронных и ядерных переходов, что делает лазерное излучение уникальным инструментом в фундаментальной науке и технологиях.
Импульсный и непрерывный режимы генерации
Лазеры могут работать в разных режимах. В непрерывном режиме генерация света идёт непрерывно при постоянной мощности. Этот режим удобен для измерений, стабилизации частоты, волоконной передачи и т.п.
Импульсный режим реализуется различными методами: модуляцией добротности (Q-switching), режимной синхронизацией (mode-locking), пассивной или активной модуляцией. В режиме синхронизации мод генерируются сверхкороткие импульсы длительностью до фемтосекунд, обладающие чрезвычайно высокой пиковой мощностью.
Коллимация и управление направлением пучка
Благодаря когерентности и малому углу расходимости, лазерный пучок можно эффективно коллимировать и направлять с высокой точностью. Применение линз, зеркал и фазовых модуляторов позволяет формировать пучки различной геометрии, создавать оптические ловушки, управлять фокусировкой, сканированием и навигацией излучения.
Коллимация важна в системах передачи информации, в голографии, в лазерной спектроскопии, а также при создании компактных и направленных источников света в медицине, микроэлектронике и квантовых технологиях.
Модулируемость лазерного излучения
Лазерное излучение может быть модулировано по амплитуде, частоте, фазе и поляризации, что делает его незаменимым в системах связи, квантовой криптографии и управления. Частотная модуляция позволяет проводить прецизионную спектроскопию, фазовая — повышает устойчивость к шумам в интерферометрии, а амплитудная — используется для передачи цифровых и аналоговых сигналов.
Высокая степень модулируемости обусловлена стабильностью, монохроматичностью и когерентностью лазерного излучения, что позволяет использовать как внешние, так и внутренние модуляторы: акустооптические, электрооптические, фазовые и поляризационные.
Спектральная и пространственная мода
Излучение лазера можно описать как суперпозицию резонаторных мод. Продольные моды определяются длиной резонатора и условием интерференции вдоль оси, а поперечные моды — распределением интенсивности в поперечном сечении. В большинстве случаев стремятся к генерации в основной (фундаментальной) моде, так как она обеспечивает минимальную расходимость и наилучшую фокусируемость.
Спектральная мода связана с длиной волны, на которой происходит генерация. Стабилизация мод достигается за счёт точной настройки длины резонатора, применения частотно-селективных элементов (дифракционных решёток, интерферометров, брэгговских зеркал).
Локальность источника
Лазерное излучение, в отличие от протяжённых тепловых источников, может исходить из области размерами в доли миллиметра или даже микрометра. Это важно при локализованном облучении, микролитографии, микрохирургии и прецизионной диагностике. Благодаря высокой направленности и малому диаметру выходного пучка, лазер позволяет точно воздействовать на объекты микроскопических размеров без избыточного нагрева окружающих областей.
Стабильность параметров
Современные лазеры обеспечивают высокую стабильность частоты, интенсивности и фазовых характеристик. Это достигается за счёт термостабилизации, активного контроля параметров резонатора, стабилизации питания и применения обратных связей. Такая стабильность необходима при создании оптических стандартов частоты, в метрологии, интерферометрии, а также в системах навигации и управления.
Нелинейные эффекты и лазерное излучение
Благодаря высокой интенсивности и когерентности, лазерное излучение является мощным инструментом для возбуждения нелинейных оптических процессов. К ним относятся удвоение частоты (вторичная гармоника), генерация суммарных и разностных частот, самофокусировка, многофотонное поглощение и др. Эти эффекты лежат в основе лазерной спектроскопии, создании новых источников излучения, в том числе в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне.
Лазер как квантовый источник
Лазерное излучение — это макроскопическое проявление квантовых процессов, происходящих в активной среде. Это делает лазер не только источником света, но и квантовым объектом: возможна генерация однофотонных состояний, запутанных фотонов, когерентных и субпуанкаревских состояний. В контексте квантовой оптики лазеры играют ключевую роль в экспериментах по квантовой телепортации, вычислениям и криптографии.