Яркость лазерного излучения это

Яркость лазерного излучения

Определение: яркость — термин, в основном использующийся качественным образом, связанным с выходной мощностью и качеством луча лазера; количественно: синоним светимости.

Термин яркость часто используется в контексте лазеров и лазерных пучков, но часто с просто описательным, неколичественным значением. Этот термин также используется с различными количественными значениями; такое разнообразие часто происходит из-за неопределенности. В частности, яркость иногда означает светоизмерительную величину светимости, но в других случаях это может означать радиометрическую величину излучения (см. ниже). Важное различие в том, что радиометрия имеет дело с оптической энергией, тогда как фотометрия оценивает, как интенсивность оптического излучения воспринимается глазами.

Хотя, например, американский федеральный Стандарт 1037C рекомендует использование термина яркость только для неколичественной характеризации в контексте физиологических ощущений, другое использование термина стало распространенным. В определении лазерной технологии, яркость лазерного источника (в количественном смысле) в целом понята как синоним к светимости, которая является полной энергией разделенной на произведение площади моды в фокусе и телесных углов в дальней зоне; единицы измерения W sr −1 cm −2 . Остальная часть этой статьи предполагает это значение, после обычной практики в этой области технологии.
Для дифракционно-ограниченного пучка с небольшой расходимостью (так, чтобы параксиальное приближение было действительно), отношение между расходимостью пучка и его радиусом может быть найдено как

которая показывает, что кроме мощности и качества пучка, яркость зависит от длины волны.
Для не дифракционно-ограниченного пучка, яркость уменьшается на коэффициент, который является произведением параметра M 2 качества излучения для x и y направления.

Читайте также:  Дозиметр лазерного излучения ладин руководство по эксплуатации

Источник

10.1.1. Лазерное излучение и его параметры

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение в основном оптическом диапазоне длин волн, создаваемое ла­зером. От излучения других источников света отличается высо­кой степенью когерентности, малой угловой расходимостью пучка, высокими спектральной яркостью и монохроматич­ностью. При определённых условиях из лазерного излучения можно вы­делить одну спектральную составляющую (осуществить так называемый одночастотный режим генерации). Ширина спектральной линии лазерного излучения в одночастотном режиме во много раз меньше, чем у спонтанного излучения атомов.

Длина когерентности лазерного излучения достигает нескольких тысяч километров, время когерентности составляет доли секунд; для естественных источников квазимонохроматического света аналогичные величины меньше в 10 9 раз. Угловая расходимость ( ) лазерного излучения может быть полу­чена предельно малой, т.е. может определяться только дифракционной расходимостью:

где – длина волны излучения, D – эффективный диаметр пятна на выходном зер­кале лазера. Для газовых лазеров D 1 см, угло­вых секунд (для мкм), для твердотельных – соот­ветственно

1 мм и 30 угловых минут, для полупроводниковых лазеров

1 мкм и 30 угловых градусов.

Высокая когерентность лазерного излучения позволяет эффективно использовать для его форми­рования телескопическую оптическую систему и, таким образом, су­щественно повысить направленность излучения. Это необхо­димо, например, для полупроводниковых лазеров, излучение которых характеризуется сравнительно большой угловой расходимостью.

Немонохроматичность лазерного излучения обусловлена прежде всего тем, что одновременно с фотонами вынужденного излу­чения в том же направлении излучаются спонтанные фотоны (создаётся спонтанный шум) с другими частотами. В результате ширина спектральной линии ( ) лазерного излучения (ширина линии гене­рации) отлична от нуля, при этом

где h – постоянная Планка; – спектральная полушири­на моды резонатора лазера на частоте ; P – выходная мощность лазера.

Например, при Р = 10 мВт, = 10 15 Гц и = 10 8 Гц, 0,1 Гц. Это означает, что степень моно­хроматичности составляет 10 -15 — 10 -16 (для срав­нения: лучшие монохроматоры с использованием естественных источников света имеют при потере в плотности излучения ).

Значение характеризует минимальное уширение спектральной линии лазерного излучения, обусловленное только спонтанными фотонами. В реальных лазерах

значительно больше вследствие различных причин: механических колебаний зеркал резонатора, изменения их дли­ны из-за теплового расширения, влияния внешних электрических и магнитных полей и др.

Высокая спектральная яркость лазерного излучения (количество энергии на единичный частотный интервал, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности источника в единицу телес­ного угла) обусловлена его высокой монохроматичностью и острой направленностью. Для лазеров значения спектраль­ной яркости в десятки тысяч раз превышают спектральную яркость Солнца.

В зависимости от типа лазера длины волн лазерного излучения лежат в интервале от 0,1 мкм (далёкая УФ область) до 0,79 мм (диапазон субмиллиметровых волн), мощность в непрерыв­ном реж
име – от нескольких микроватт до 100 кВт, энергия в одиноч­ном импульсе – от десятых долей до 10 5 Дж. Длина волны лазерного излучения измеряется с помощью интерферометров, дифракционных решёток, призм, энергетические характеристики – с помощью калориметров, термоэлементов, болометров.

Источник

Лазерное излучение — красный и зеленый лазер, безопасность лазеров

Лазер — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что дословно переводится «усиление света посредством вынужденного излучения» — это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию узконаправленного потока излучения.

Существует большое количество различных типов лазеров. Их можно разделять на группы по источнику накачки, рабочему телу, области применения. Т.к. в данной статье лазеры будут рассмотрены в контексте безопасности работы с лазерными нивелирами и дальномерами, то внимание будет обращено на такие параметры, как рабочая длина волны (нм) и мощность излучения (мВт).

Длина волны, если она находится в видимом диапазоне, обуславливает цвет лазерного луча. Мощность излучения обуславливает яркость луча, те или иные возможности (прицеливание, демонстрация оптических эффектов, считывание штрих-кодов, резка и сварка материалов, лазерная хирургия, накачка других лазеров).

Излучение в лазерных нивелирах и дальномерах работает как обычная лазерная указка — портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. Изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм. Мощность их излучения не превышает 1,0 мВт.

Лазерное излучение представляет существенную опасность для глаз, так как это излучение хорошо фокусируется хрусталиком на сетчатке глаза. В то же время бытовые лазерные приборы имеют малую ширину пучка, что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения. Лазеры большей мощности способны вызывать поражения глаз даже рассеянным излучением. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение такого лазера способно вызывать ожоги кожи (вплоть до полного разрушения) и представляет пожарную опасность.

Существует несколько классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.

Класс 1
Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. К классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса
Класс 2
Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 мВт
Класс 2a
Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено
Класс 3a
Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 мВт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования
Класс 3b
Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 мВт
Класс 4
Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (
Когда в 2007 году у производителей появилась возможность использовать зеленые диоды, то все думали, что зеленый лазер неминуемо в скорости полностью заменит красный. Прошло 7 лет, и что же мы видим? У редких производителей среди всей линейки остались 1-2 модели с зеленым лазером. Зеленому лазеру не удалось сместить лазер красный. Возможно, он не дал того эффекта, которого от него ждали.
Чтобы разобраться, необходимо обратиться к физической стороне вопроса и выяснить, в чем различия и сходства красного и зеленого луча.

Устроены зеленые лучи более сложно: первый лазер, инфракрасный, длиной волны 808 нм, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение с длиной волны 1064 нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — и получается 532 нм.

Главный плюс зеленых лазеров – 532 нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка или плоскость, так и сам луч очень хорошо видны. Даже 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на фото). Однако у зеленых лазеров есть и большая опасность. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же, как и зеленое и представляет основную опасность при попадании в глаз на большой дистанции, тогда как излучение 808 нм сильно расфокусировано и опасно только на расстоянии нескольких метров. Иными словами, поражающая способность зеленого лазера для глаза намного больше, чем кажется.

В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но это значительно увеличивает цену прибора, значит может присутствовать только в дорогих моделях. Так же стоит заметить, что зеленые диоды, устройства которые излучают зеленый луч, значительно дороже при производстве (в несколько раз по причине большего числа брака по сравнению с красным). А рабочий ресурс зеленого диода значительно ниже. Суммарно это отражается на конечной стоимости нивелира лазерного. В итоге получается следующая картина. Нивелир лазерный с зеленым лучом строит проекции, которые лучше видны, ресурс такого прибора ниже, стоимость выше (порой у один производитель за одинаковые модели отличающиеся лишь лазером выставляет цену отличающуюся в 1,5-2 раза).

Следует отметить, что по заявленным производителями нивелиров характеристикам мощность такого лазера до 2,7 мВт (у красного до 1,0 мВт), а безопасность по классу 3 (у красного 2).

Подведем итог, зеленый цвет лазера действительно лучше виден в условиях дневного света, чем красный, но нельзя забывать о том, что он значительно небезопаснее и неоправданно дорог.

Источник

Основные сведения о лазерах: принцип работы и характеристики лазерного излучения

Принципы работы и механизм излучения

Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.

Основные параметры и характеристики лазерного излучения

Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e 2 : это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0.135 раз меньше пика интенсивности.

Отклонение пучка. Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.


Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический

Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.


Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода

Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.

Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).

Источник

Оцените статью
Электроника