Strona głównaPytania → Od czego zależą parametry wiązek...

Od czego zależą parametry wiązek laserowych?

Pytanie

Pyta Piotr

Od czego zależy średnica promienia laserowego? Od czego zależy długość impulsu laserowego (lasery femtosekundowe)? Czy są ograniczenia teoretyczne dla średnicy i długości impulsu? Gdzie szukać podstaw teoretycznych?

Odpowiedź

Odpowiada Piotr Wasylczyk

W znakomitej większości wypadków geometryczne własności wiązek światła (w szczególności wiązek laserowych) można opisać w przybliżeniu tak zwanych wiązek gaussowskich (ang. Gaussian beams). Okazuje się, że w jednorodnym ośrodku, na przykład w powietrzu, wodzie czy bloku szkła, wiązka taka zawsze jest zbieżna bądź rozbieżna – nie można wytworzyć wiązki „równoległej”, która miałaby taki sam przekrój na skończonej długości. Miejsce, gdzie wiązka ma najmniejszą średnicę nazywa się przewężeniem albo talią (ang. waist). Możemy sobie wyobrazić, że przy pomocy soczewki skupiającej ogniskujemy wiązkę światła – to, co w optyce geometrycznej nazywamy ogniskiem (miejsce przecięcia się promieni), w optyce wiązek gaussowskich jest właśnie przewężeniem. To, jak mała może być wiązka w przewężeniu za soczewką zależy od: rozmiaru ogniskowanej wiązki (im większa wiązka padająca na soczewkę, tym mniejszy rozmiar przewężenia), ogniskowej soczewki (im krótsza ogniskowa, tym mniejszy rozmiar przewężenia) i długości fali światła (krótsze fale można ogniskować „ciaśniej”). W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że rozmiar wiązki w przewężeniu jest rzędu długości fali.

Jeśli chodzi o długość impulsów światła, to tutaj ograniczeniem jest szerokość widma – trzeba pamiętać, że impulsy światła nie są monochromatyczne, ale składają się z wielu barw (częstości). Chcąc wytworzyć bardzo krótki impuls laserowy, potrzebujemy bardzo szerokiego widma – lasery femtosekundowe czasem świecą wręcz na… biało, bo widmo obejmuje cały zakres widzialny. Np. do wytworzenia impulsu trwającego 10 femtosekund w obszarze bliskiej podczerwieni potrzeba widma o szerokości ok. 100 nm. Ograniczeniem na minimalną długość impulsu jest właśnie widmo – by wytworzyć impuls trwający mniej niż jeden cykl optyczny (czyli dla obszaru widzialnego ok. 2-3 fs), musiałoby ono sięgać do bardzo małych częstości, w skrajnym wypadku do częstości równej zero. Można więc w przybliżeniu przyjąć, że minimalny czas trwania impulsu to jeden cykl oscylacji pola elektromagnetycznego – dlatego impulsy jeszcze krótsze, attosekundowe, wytwarza się jedynie w obszarze ultrafioletu i krótszych fal.