Исследование оптических спектров, страница 2

Оптическое излучение может возникать в результате люминесценции твердых тел. Внешняя энергия селективно поглощается веществом, преобразуется и генерируется в виде оптического излучения, избыточного над равновесным, тепловым излучением. Разновидностью люминесценции является фотолюминесценция, когда некое вещество возбуждается под действием относительного коротковолнового излучения, частично теряет энергию на внутренние переходы и генерирует кванты с длиной волны, большей длины волны возбуждающих квантов. Такая трансформация излучения происходит, например при оптической накачке активных сред твердотельных лазеров и в люминофорах. Люминофоры, используемые в ртутных газоразрядных источниках света низкого и высокого давлений, эффективно возбуждаются ультрафиолетовым (λ = 253 нм) излучением ртутного разряда. Спектр излучения в этом случае носит смешанный характер: наряду с “просачивающимися” сквозь слой люминофора относительно узкими спектральными линиями ртути появляются интенсивные полосы, обусловленные фотолюминесценцией люминофора.

Важные для лазерной техники процессы пропускания, поглощения и отражения оптического излучения характеризуются спектральными коэффициентами пропускания τ_λ, поглощения α_λ и отражения ρ_λ , для которых справедливо: τ_λ + α_λ + ρ_λ = 1. В твердотельных лазерах используется оптическая накачка активных элементов (АЭ), выполненных из легированных искусственных кристаллов – рубина, иттриево-алюминиевого граната или из оптических силикатных и фосфатных стекол. Поглощение излучения происходит в относительно узких полосах активатора, в качестве которого используются трехвалентные ионы металлов переходной группы и группы редкоземельных металлов, чаще других – неодим и хром. Характер спектральной функции поглощения α_λ = f (λ) АЭ зависит от рода активатора, типа матрицы-кристалла и степени ее легирования. Пренебрегая отражением от просветленных торцов, получим, что функция поглощения АЭ с достаточной для практики точностью может быть найдена с помощью выражения α_λ = 1 – τ_λ.

Зеркала оптических резонаторов лазеров имеют, как правило, многослойные диэлектрические отражающие покрытия, образованные чередующимися слоями с высоким n_в и низким n_н показателями преломления. Оптическая толщина слоев n_в d_в = n_н d_н = λ /4. В результате многолучевой интерференции в слоях от каждой из оптических границ такие зеркала являются селективными отражателями. Спектральная функция отражения ρ_λ = f (λ) зеркала содержит основной максимум на длине волны λ, а также боковые максимумы с меньшими амплитудами, обусловленные выполнением условий синфазного отражения для кратных λ длин волн. Рост числа слоев сопровождается увеличением коэффициента отражения ρ_λ зеркала и сужением спектральной области максимального отражения. Паразитное поглощение в диэлектрических зеркалах не превышает долей процентов. Подложки зеркал также оптически прозрачны. Поэтому для лазерного зеркала допустимо пренебречь поглощением α_λ и, исследуя экспериментально характеристики отражения, полагать ρ_λ = 1 – τ_λ.

Отражение металлических зеркал определяется взаимодействием падающего излучения со свободными электронами в области проникновения порядка 10 ^{– 6} м. Металлические зеркала широкополосны, ρ_λ может достигать 90 … 97 %. Тонкие (менее 1 мкм) металлические слои частично пропускают неотраженное излучение. Так, золотая пленка на просвет будет зеленой.

Для выделения определенных спектральных интервалов, например в целях снижения фоновой засветки фотоприемников, используются оптические фильтры – диэлектрические сорбционные (поглощательные) и интерференционные. Свойства сорбционных фильтров определяются явлениями поляризации и дальнейшего переизлучения падающего потока квантов. Спектры их отражения и пропускания практически неразличимы. Интерференционные фильтры образуются комбинацией относительно широкополосного сорбционного предфильтра и многослойного диэлектрического λ/4-покры-тия. Без учета свойств предфильтра их отражение и пропускание соотносятся как ρ_λ = 1 – τ_λ.