Оптические системы с усилителями яркости изображений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НА1К 1ХЧ С

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ШШШ П.Н. ЛЕБЕДЕВА

да 62I.375.d26 На правах рукописи

КАЗАРЯН Мпшик АЙразатовнч

ОПТИЧЕСКИЕ (ЖТШЫ С УСШИТЕММИ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

(специальность 01.04.03 - радиофизика, включая квантовую

радиофизику)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой сгепеик доктора фязшсо-удтеиатзческих Н5?к

Москва 1988

"V / 'У /г" ')

> > V / \

Работа выполнена в лаборатории Оптики Оптического отдела ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Физического института им. П.Н.Лебедева АН СССР.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН СССР

профессор доктор фиэико-штематических наук

профессор доктор физико-математических наук профессор

Л.Д.Бахрах

А.Н.Ораевский

М.Ф.Сэм

Ведущая организация: указана в решении Ученого совета

час. в ков£ерет*-зале Физического института им. П.НДебедева АН СССР на заседании Ученого совета Д 002.39.02 при Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР Адрес: 117924 Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

Ученый секретарь

Специализированного Совета

Д 002.39.02

доктор физико-математических

наук, профессор А.П.Шоюв

Защита состоится Т9Я9 г., в.

Автореферат разослан

г.

ОВВД ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Высокая информативность, чувствительность и надежность оптических методов измерений традиционно привлекают внимание специалистов в различных отраслях науки и техники, использующих их для решения современных фундаментальных и прикладных проблем. Однако существующие оптические системы и оптические методы количественных измерений и качественного контроля параметров исследуемых объектов обладают принципиальными физическими ограничениями в получении и распространении световых потоков. Таким ограничением, существенно сужающим возможности использования традиционных оптических методов, являются неизбежные потери света во многих элементах оптических систем. В частности, в работе с оптическими элементами малой про-пускаемости, с приемниками малой чувствительности, голографическн-ми системами с низкой дифракционной эффективностью и т.п. величина потерь в раде случаев составляет несколько порядков, вследствие чего возникают серьезные трудности.

В принципе, позволяет решить эту проблему квантовая электро-ника.Действительно ,в результате вынужденного излучения яркость световых пучков в оптической системе будет увеличиваться, наряду с сохранением, распределения амплитуд,фаз поляризации и направления распространения. Однако до начала настоящей работы (в группе Г.Г.Пет-раша, ФИАН, 1972 год) имелись лишь отдельные попытки реализовать такую возможность, так и не приведшие к созданию практически интересных систем.

Возможность реализации систем с усилителя!«! яркости была связана с предложением и разработкой в ФИАНе тазе называемых "саьго-разогревных лазеров" на парах металлов. Эти лазеры, обладающие высоким коэффициентом усиления, способны обеспечивать высокиа гва-

чения средней мощности генерации, благодаря высокой частоте повторения импульсов.

Определенный интерес для создания оптических систем с усилителями яркости наряду с лазерами на парах металлов представляю? также лазеры на парах: галогенидов металлов или других химических соединений. В частности, лазеры на парах галогенидов металлов могут обеспечивать на тех же.лазерных переходах генерации с близкими ха- 1 рактеристшсами, но при значительно низкой рабочей температуре. Естественно, это может открыть новые возможности для построения сравнительно простых, с практической точки зрения, усилительных систем.

Большой практический, интерес к этим лазерам определяется и тем обстоятельством, что они обладают значительной эффективностью, последняя также обуславливает их пригодность для решения многих как научных, так и практических задач.

Дель работы

Развитие физических принципов построения оптических систем с усилителями яркости, создание и исследование первых практически действующих оптических систем с усилителями яркости изображения. При этом предполагалось решить следующие конкретные задачи.

I. Формулировка комплекса основных требований, предъявляемых к усилителям яркости для оптических систем. Анализ возможности использования активных сред импульсных лазеров на парах металлов в качестве таких усилителей и проведение исследований их характеристик. Экспериментальное исследование различных оптических скоте;,:, сощдавда усилители яркости изображения, определение их бнергетк-ческнх, оптических, шумовых и др. характеристик и проведение оценок достнкшадх параметров.

2. Изучение возможности создания нового класса оптических систем с усилителями яркости, обеспечивающих заданные параметры лазерного излучения, воздействующего на исследуемые объекты различного вида.

3. Изучение влияния насыщения активных сред на структуру проходящих через усилители яркости световых пучков. Анализ вопросов возможной трансформации контраста изображений.

4. Изучение возможности разработки новых методов и схем для визуализации инфракрасных изображений.

Данная работа определяет собой новое научное направление: оптические системы с лазерными усилителями яркости.

Актуальность темы.

Лазерные источники света привели к появлении нелинейной оптики, лазерной спектроскопии, которые в значительной степени видоизменили существовавшие представления и за прошедшие четверть века позволили создать принципиально новые физические методы и приборы. Бое это, в свою очередь, требовато развития и совершенствования оптического инструмента, осуществляемых, как правило, путем усложнений схем, что неизбежно приводило к значительному увеличении числа элементов. Поэтому улучшение определенных характеристик оптического устройства или расширение функциональных возможностей оптической системы неизбежно приводило к увеличению потерь света в ней. Было бы справедливо отметить, что во многих случаях именно нехватка света сильно ограничивает возыоаности совершенствования оптических устройств. Например, успехи в волоконной оптико н основанной на ней оптической связи, зависят, в основном, от разработок новых волокон с. уменьшенный потерями.

Вместе с тем, во многих случаях, в частности в проекционных

системах необходимо иметь значительную освещенность на выходе, йри их реализации для этого на входе в оптическую систему традиционно используют большую световую мощность, включая излучение различных лазерных источников. Однако, как известно, любой носитель информации характеризуется верхнш пределом допустимого воздействия на него световой мощности, превышение которого приводит к необратимым изменениям, вплоть до его разрушения. Поэтому актуальной проблемой является создание устройств, основанных на лазерном усилении световых пучков слабой интенсивности, несущих оптическую информацию, что привело бы к принципиальному расширению возможностей оптических систем.

Своевременность такой постановки и решения исследованной Проблемы подтверждается тем, что в результате уже в настоящее время осуществляется промышленный выпуск первых оптических систем с усилителями яркости для широкого использования в научных исследованиях и в промышленной технологии.

Научная новизна.

1. Развиты физические принципы построения оптических систем с когерентными усилителями яркости и сформулированы требования, которым должны удовлетворять такие усилители. Показано, что в настоящее враля лучше воех этим требованиям удовлетворяют импульсные лазеры на парах металлов и их некоторых галогенвдов.

2. Разработаны новые методики измерения основных характеристик оптических систем с усилителями яркости, в частности, коэффициента усиления активных сред и контраста изображений.

3. Впервые экспериментально осуществлены и изучены различные оптические системы с усилителями яркости на парах меди, золота,

бария и др., что позволило получать усиленные изображения объектов в ввдшой, ультрафиолетовой и ближней Ж областях спектра, в тем числе, передавать динамическую информацию. Продемонстрирована возможность проекции на экран площадью в несколько десятков квадратных метров изображения микрообъектов с линейными увеличениями 103-10^.

4. Впервые предложен метод внутрирезонаторной лазерной обработки объектов при одновременном наблюдении объекта на окране. Выявлены способы управления параметрами мацного пучка, оказнващего воздействие на объект. Показано, что в определенна: условиях взаимодействие пучков, несмотря на с иль пуп степень пасщеппх активной среды, црактичеекп не приводит к ухудаеппз хетсстла изображения,

5. Влерипе изучены вопросы аранс$арг£ЩШ1 оптлтестк коле!' сложной пространственной структуры в паепцащнхея усилктаътх яркости. Обнаружено явление формирования светогшс пучков с распределением Ентенстностей негативнш по отногеншэ 1С входного распределению. Предложена физическая модель явления, основанная на взаимодействии усиленного спонтанного излучения, выпешшщего роль счипта-ющего пучка, со средой, в которой пространственная модуляция усклэ-плн осуществляется пучком, несупщм усиленное нзобраЕзние.

6. Предложен и осуществлен новнй метод визуализация тш|!ра-;фасных световых полей, основанннй на взаимодействии излучений в среде на двух связанных оптических переходам

Практическая ценность работы

Разработаны схемы оптических систем с усилителями яркости, послужившие основой для создания промышленных приборов многоцелевого назначения, в частности, для контроля и обработки интеграла ных схем. Результаты данной работа используются при разработке лазерного технологического .оборудования для современной нлкроэлек-

троншш и послукшш основой для создания оборудования нового типа.

В разработанных приборах активная среда служит как усилителем яркости изображений, передаваемых через оптическую систему, так и генератором мощного лазерного луча с управляемыми параметрами, способною производить множество технологических операций (микрооора-ботка тонких пленок, скрайбирование, рекристаллизация поликристаллических слоев и др.). При этом увеличенные изображения могут быть выведены на большой экран, с которого просто осуществлять визуальный контроль, кино- и фотосъемку процессов, происходящих в наблюдаемом объекте.

В настоящее время ряд оптических систем с усилителями яркости используется для решения различных задач в науке и технике (биология, медицина, проекционное телевидение и др.).

К защите представляются следующие положения;

1. Оптические системы с лазерными усилителями яркости, сочетающие высокие значения усиления (~ 1010^) с передачей большого объема информации (" 10^+10® разрешаемых элементов по полю зрения), записанной в виде пространственного распределения амплитуды световой волны на входе этого усилителя.

2. Экспериментальные методики определения основных параметров лазерных усилителей, на основании которых показана возможность оптимизации таких систем о помотаю лазеров на самоограничешшх переходах в атомах металлов (меди, бария, золота, свинца, марганца)

и методика измерения контраста изображений в оптических системах с усилителями яркости.

3. Явление формирования.негативных вторичных изображений в наевденных усилителях яркости, основанное на модуляции интенсивности усиленного спонтанного излучения активной среды пространственным

распределением усиления в области возникновения первичного позитивного изображения, несущего информацию об оптпческих свойствах исследуемых объектов.

Л. Методика внутрирезонаторной лазерной обработки различных объектов с одновременным оптическим контролем за качеством этой обработки с помощью той же активной среды.

5. Метод визуализации инфракрасных изображений в оптических системах с усилителями изображений, работавдих в видимой и инфракрасной областях спектра, основанный на взаимодействии световых пучков в среде на двух связанных оптических переходах, при котором первоначальная оптическая информация содержится только в инфракрасных лучах.

6. Проведенные автором исследования послужили физической основой для создания оптических систем различного назначения, преаде всего проекционных лазерных микроскопов видимого и ИК диапазонов длин волн, успешно применяющихся для решения ряда научно-технических задач.

Апробация работы

Основные результаты диссертации неоднократно докладывалиоь на международных и всесоюзных конференциях, на семинарах и школах: на 13 Всесоюзном семинаре "Газовые лазеры на парах химических элементов", Ростов-на-Дону, 1975 г.; Всесоюзной конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы", Ленинград, 1975 г.{ У семинаре по оптическим.и электрооптическим методам и средствам перо-дачи, преобразования, переработки и хранения информации", Москва, 1975 г.; II Всесоюзном симпозиуме по физика газбвых лазеров, Новосибирск, 1975-Г.; УП Всесоюзной.конференции по когерентной и нелинейной оптике, Тбилиси, 1976 г.; УП Национальной конференции по

спектроскопии, Болгария, Х976 г.; I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, ХЭ77 'г.} Ш Меадународаой конференции по лазерам а их применениям, Дрезден, Щ>, 1977 г.; 1У Всесоюзном семинаре "Газовые лазеры на парах химических элементов", Ростов-на-Дону, 1977 г.; II Всесоюзном семинаре по физическим процессам в газовых ОКГ, Ужгород, 1978 г. 5 УП Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений, Петрозаводск, 1978 г.; Сессии отделения общей физики и астрономии АН СССР, Москва, '1978 г.; II Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1980 г.; Международной конференции "Дазеры-80", Новый Орлеан, США, 1980 г.; Международном симпозиуме "0лтика-80", Будапешт, ВНР, 1980 г.; х Сибирском совещании по спектроскопии, Томск, 1981 г.; IX Международном конгрессе "Интерка-ыера-81"Драга, ЧССР, 1981 .г.; У1 Международной конференции "Лазеры и их применение", Лейпциг, ЭД5, 1981 г.; II Советско-французском симпозиуме по оптическому приборостроению, Москва, 1981 г.; Ш Всесоюзной конференции "Оптика лазеров-82", Ленинград, 1982 г.; Всесоюзной школе-семинаре по физике лазеров на парах химических элементов, Роотов-на-Дону, 1982 г., 17 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров-84", Ленинград, 1984 г.; Всесоюзном.семинаре по физике лазеров на парах тшеских электронов, Ростов-на-Допу, 1985 г.; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии И системах передачи и обработки информации", Ленинград, 1984 г. ; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", Звенигород, 1985 г.всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов", ФИАН СССР, Москва, в 1970-1986 гг.; семинарах Оптической лаборатории ни. Г.СЛандсберга ШН, гйскаа, 1372-1986 гг.

Результаты работы обсувдалнсь также на различных семинарах в Шо, ИОШе, МГУ, ЙСАНе, ЙАЭ СО АН СССР и других организациях и

учреждениях.

Список работ, материалы которых включены в диссертацию, цри-веден в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения и выводов. Общий объем диссертации 310 стр., 80 рис., .13 таблиц и список цитируемой литературы из 205 наименований.

СОДЕРЯАНИВ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика работы, цель работы, обоснована актуальность направления исследований, показали научная новизна и практическая ценность работы. Сформулированы па-учные положения, выдвигаемые на защиту. Приведена структура диссертации, коротко излонено содержание работы.

В первой главе приведен обзор работ, в которых с помощью активных сред лазеров осуществлялись отдельные попытки по передаче оптического изображения с усилением щжости. Из анализа литературных данных сделано заключение, что имевшиеся усилителя не обладали характеристиками, способными обеспечить их работу в реальных.оптических системах. Сформулированы требования к усилителям яркости в оптических системах, предложена модель "идеальной среды" со свойствами, наиболее подходящими для использования её в качестве усилителя яркости в оптической системе.

Модель усилителя яркости для реальных оптических систем должна удовлетворять следующим основным условиям. Это должна быть оптически однородная среда, о достаточно большой геометрической апертурой при длине порядка 10 см, обеспечивающая большое число пере-

даваемых разрешаемых элементов,определенных как число дифракционных углов в апертурном угле усилителя(с!а-/Ь) , обладающая в узкой полосе частот большим усилением на один проход. В настоящее время можно рассчитывать на усилители, работающие в импульсном режиме с достаточно высокой частотой повторения (в системах визуального наблюдения не менее 25 Гц). Немаловажным условием эффективной работы активной среды является выбор режима работы усилителя, близкого к насыщению.

Показано, что использование активных сред импульсных лазеров на парах металлов, работающих на переходах с резонансного на мета-отабилызый уровень, дает основание надеяться на создание оптических усилителей с практически интересными характеристиками. Рассмотрены особенности применения усилителей яркости изображения в проекционной оптической системе. Проведен сравнительный анализ известных но литературе характеристик некоторых проекционных систем.

Во второй главе приведена методика я техника экспериментов. Ввиру больших коэффициентов усиления активных элементов, применяемых в экспериментах, особое внимание как при конструировании активных элементов, так и при построении оптических схем уделялось ■ устранению возможных паразитных отражений, которые, как показали исследования, в определенных ситуациях могли существенно исказить полученные данные.

В основном использованы газоразрядные трубки, внешняя оболочка которых изготовлена из плавленного кварца, и рабочая часть представляла собой трубку из высокотемпературной керамики. Возбуждение активных сред осуществлялось путем разряда малоиндуктивной емкости через один или два параллельных импульсных водородных тиратрона. Частота повторения импульсов изменялась от I до 20 кГц,длительность

переднего фронта импульса тока обычно была порядка десяти не при общей длительности 100-300 не. Описана система генератор-усилитель, состоящая из генератора с неустойчивым резонатором, усилителя и оптической линии задержки, которая устраняла обратное влияние излучения сверхсветимости усилителя на параметры излучения генератора. Для регистрации параметров излучения и изучения пространственных характеристик усиленных по яркости изображений использовались фотоэлектрические и фотографические методы. В главе приводятся также некоторые оптические схемы экспериментов.

Третья глава посвящена усилительным свойствам активных сред на парах меди, золота, свинца, марганца и бария. Цредложена методика измерения эффективного усиления: активных сред с кероткояпвуцей инверсией и большими значениями коэффициентов усиления, определяемого как отношение средних мощностей выходного (PBHX) и входного (Рвх) сигналов при калиброванном изменении входного сигнала. В данной схеме, где входной сигнал является, по сути дела, частью мощности свсрхсветимости, возвращенной в усилитель, практически во всем диапазоне исследованных входных сигналов активные среды работают в режиме насыщения. При этом даже при наибольших.входных сиг-

р о

налах сохраняются значения эффективного усиления 10 s- 10 .

По результатам измерения эффективного усиления (Рвцх/Рвх) активных сред (A.C.) определены такие параметры сред, как ненасыщенный коэффициент усиления ( ^о ), мощность насыщения (Рпао)» максимальная достияшмая мощность на выхода усилителя (Рнако) в данных условиях возбуждения. Полученные значения этих параметров приведет в таблице I.

Экспериментально определены значения минимального входного сигнала для каждого усилителя, при котором еще сохраняется информация на выходе усилителя. Проанализировано выражение для собствен-

N t ( A i ного щума усилителя R.ax^TT"^^ 7?г(тг) > где ^z ~ насе-

д/V Т V/L/ , 4

ленность верхнего уровня, л/v - инверсная населенность, nv -

. энергия фотона, äV - частотная полоса усиления, Vcb - длительность импульса сверхсветнмости, Т - период повторения импульсов. В рассматриваемом случае источником такого шума является спонтанное излучение по рабочему переходу усиливающей среды. Оценены значения ширины полосы усиления с учетом сверхтонкого расщепления линий и изотопических сдвигов. Оцененные значения собственного шума для усилителя на парах меди оказались близки к измеренным.

В главе приведены такие результаты сравнительного изучения характеристик усилителей на парах меди в системе генератор-усилитель. Работа усилителя в большей части диапазона исследованных значений входного сигнала характеризуется значительным эффектом насыщения (минимальное значение эффективного усиления ^ 10) и лишь в части исследованного диапазона входных сигналов (ограниченной сверху значением б'Ю-® Вт) реализуется линейный режим работы усилителя (максимальное 'значение эффективного усиления - 1,4*10^). Значение ненасыщенного коэффициента усиления .среды в типичных условиях работы усилителя оказалось в пределах 0,1 - 0,3 см-*.

Глава четвертая посвящена описанию свойств первой оптической системы с усилителем яркости, обладающей практически применимыми характ ер котиками - лазерного проекционного микроскопа. Рассмотрены возможные оптические схемы построения такой системы для работы как в отраженном, так и в проходящем свете. В зависимости от оптических свойств объектов, параметров объектива, геометрии схемы, увеличения системы экспериментально изучены входные и выходные энергетические характеристики усилителей, а также разрешающая способность, величина поля зрения, распределение интенсивности в освещающем пучке, размер освещенной поверхности объекта.

Таблица

I. Параметры усилителей.

А.С. Переход нм Рвх, мВт рвых, мВт Эффек. усилен. 32» Рнас> мВт Ррасч макс, мВт рэкси махе, МмВт

См 510,5 МЛСГ1 240 1.7-Ю3 0,14 НО 1100 250

1.7.1СГЗ 2 1 1.6'Ю4

4м 627,5 2.10 х 344 102 0,13 90 840 350

4,5'Ю-3 16 3,5-Ю3

РС 722.9 1,26 НО 8,5-10 0,12 50 360 110

2'10"а 6 3-103

Ми «V -Л 1,29 * 1,4мкм 8-Ю"-1- 85 102 0,13 25 210 90

7-10"^ 24 3,4*10

Мп ■а'Р -Л 534 + 554 1.5 79 5.5.10 0,11 21 150 80

1,4«10Га 14 РЮ3

А Г, - % 1500 12.1 2100 1.7Ч08 0,17 360 4000 2100

1,5.10т1 390 2,7-Ю3

СцСб 510,5 2.4.10ГХ 193 Й.ТО2 120 1000 400

4,8'ЮГ3 ■ 47 9,7'Ю3

Показано, что величина входного оигнала в значительной степени зависит от коэффициента отражения и индикатрисы рассеяния объекта. В частности, для объектов, близких но свойствам к зеркальным, значение фактора геометрических потерь мало и может не учитываться при определении эффективного усиления.

Экспериментально показано, что введение в оптическую систему усилителя яркости не ухудшает разрешающей способности системы, которая, как правило, определяется разрешающей способностью используемого иикрообъекта.

Установлено, что полученные в экспериментах значения поля зрения, размера освещенной поверхности объекта хорошо описываются простыми геометрическими соотношениями, выведенными в предположении, что источником света служит область активной среды вблизи выходного торца усилителя. С этими нэ предположениями хорошо согласуются в результаты измерений распределений интенсивности в пучках, освещающих объект.

Результаты экспериментов со сменными минрообъективами пока-вали, что мощность светового излучения на выходе системы практически не зависит от светосилы используемой оптики. Таким образом, использование усилителей яркости в лазерном проекционном микроскопа позволяет преодолеть известное ограничение традиционной оптики,, ставящее интенсивность на выходе системы в зависимость от светосилы используемой оптики.

Схема лазерного проекционного микроскопа позволяет получать увеличенные в десятки тысяч раз изображения макрообъеквов в усиленных по яркости световых пучках, та зге схема позволяет получать нзобрагешш в наусиленных пучках, что реализуется в обычной трада-цвонноА схеме микроскопа с лазерным источником освещения. Развита

методика определения контраста изображений. Приведены результаты измерений; контраста усиленного и неусиленного изображений в схеме лазерного проекционного микроскопа в широком диапазоне рабочих условий. Большие трудности при измерениях были связаны с устранением паразитных отражений и рассеяний. Результаты исследований свидетельствуй? о том, что в типичных условиях работы лазерного проекци онного микроскопа контраст усиленного изображения мало отличается от контраста неусиленного изображения. Характеристики лазерных проекционных микроскопов приведены в Таблице 2.

Таблица 2. Характеристики лазерных проекционных микроскопов.

А.С. Объект. Объектив рИзоб|рген Вт {Вт • К коэф. вида. Площадь экрана Линейное увеличен.

Г* : А

См 510,5 мет.фольга 2х Г 0.07 1.5 :3,5 0,5 25 1.5'Ю4

штбгр, схема 8х 0.2: 40 5-103

90х £ 1.25 1.7 : 30 4.5.10й

со <с\г СО 8х ! 0,2 0,5 | 1,5 0,3 5 7'103

СмСЛ. 510,5 мет,Фольга 2х г 0,07 5,8: 0,5 2<5 : : 3,14* : 35 ^.З-ТО3

ингегр. схема 44 .5.9-103

М. -зеркало 55 :б,7'№>

534« м-, 554 иятегр„ I» 29+ : схема 1(14инм: • 2х | 0,07 * 0.14: 0,9г, I 5 2.103

0,1б| 0,9] 0

Рй . 722,9 * 2х : 0,07 .0,26* О.б'б'КГ4 5 60

Ьо. • 1500 : * 2х ; 0,07 * « 2,1 : 2,9: 0 • • •

В таблице 2 указаны значения максимальных полученных средних выходных мощностей усилителей Ризой * с различными активными средами. Сравнения этих значений с величинами средних мощностей генераций, полученных в тех же условиях накачки показывают высокую эффективность использования усилителями запасенной инверсии. В двух последних столбцах приведены рассчитанные максимально возможные значения площади экрана и увеличения. Экспериментально полученные значения этих величии, приведенные в первой строке, позволили оценить минимальную освещенность экрана, при которой обеспечивается удобное наблюдение в незатемиенном помещении ("20 лк).

Описаны и другие оптические системы с усилителями яркости. Экспериментально продемонстрирована возможность использования жидкокристаллических ячеек, совместно с усилителями яркости, для вывода динамической информации на большой экран. Достигнуты поля зрения более 1 см при небольших расстояниях от активной среды усилителя, в результате чего потери света из-за импульсного характера усиления небольшие.

Предложены и экспериментально реализованы различные схемы, использующие световолоконный жгут для вывода информации на вход усилителя яркости, при этом освещение изучаемого объекта производится с помощью того же световолоконного жгута. Такие системы могут найти широкое применение, например, в медицине для эндоскопии, в технике оптической связи.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования сравнительных характеристик генерации в парах галогенидов меди и меди в режиме регулярных импульсов. Выбранный режим работы должен обеспечивать большую среднюю мощность, а конструкция трубок - возможно большой объем передаваемой оптической информации.

Такие условия необходимы для возможного использования активных сред лазеров на парах галогешздов меди в качестве усиливающих элементов в оптических системах -с усилителями яркости.

Приведены результаты экспериментальных исследований, в которых активная среда лазера на парах хлорида меди используется для усиления изображений в оптических системах.

Глава шестая посвящена описанию модельных экспериментов по изучению влияния нелинейной активной среда на передаваемую оптическую информацию. Экспериментально изучались эффекты взаимодействия двух световых пучков в усилителе яркости на парах меди, работающем в режиме значительного насыщения, при различной геометрии перекрытия пучков. Наблюдалась значительная модуляция выходной мощности одного из пучков при изменении входной мощности другого: при увеличении входной мощности одного из пучков выходная мощность другого пучка падает более чем на порядок.

Показано, что при максимальной экспериментально достигнутой степени перекрытия двух одинаковых пучков в усилителе отнопения мощностей пучков на входе и выходе усилителя практически совпадают При независимом распространении пучков в активной среде, из-за эффекта насыщения, выходные плотности сучков могут быть сравнимы.

На основе модельных экспериментов рассмотрен вопрос передачи контраста дал случая объекта в виде двух самосветящихся точек, для которых геометрия пересечения пучков в пространстве изображений соответствует исследовавшейся в экспериментах по взаимодействию двух пучков одинакового диаметра. Показано, что для перемешанных пучков контраст на выходе очень близок к входному контрасту, в отличие от контраста пучков, распространяющихся независимо.

В другой системе на основе генератора-усилителя была реализована схема микропроектора, в которой наблюдались усиленные по

яркости изображения объектов. В этой схеме входной сигнал усилителя может быть больше, чем в обычной схеме лазерного проекционного микроскопа, за счет использования автономного источника освещения, что, в частности, дает возможность наблюдать "на просвет" плотные объекты. Тем не менее, да&е в условиях более сильного насыщения усилителя, чем в типичной схеме лазерного проекционного микроскопа, контраст усиленного изображения достаточно высокий.

Приведены результаты экспериментов по взаимодействию мощного лазерного пучка с пучком, несущи-! изображение. Показано, что и в этих условиях контраст усиленного изображения мало меняется в широком диапазоне изменения мощности лазерного пучка.

Глава седьмая посвящена обнаружению и исследованию новых эффектов, связанных с возникновением негативных изображений в оптических системах с усилителями яркости. Показано, что в схеме лазерного проекционного микроскопа "на отражение" тлеет место эффект саморегуляции мощности пучка, освещающего объект, выражающийся в зависимости её от коэффициента отражения объекта - с ростом коэффициента отражения объекта мощность освещающего пучка падает. Приведены результаты экспериментального изучения условий возникновения негативных изображений в схемах "лазерный проекционный микроскоп" и "генератор-усилитель", при этом показано, что негативные изображения получаются при расположении плоскости промеяуточного изображения внутри активной среды. В этом случае в активной среде образуется пространственная неоднородность усиления, которая "счи-тывается" пучками, распространяющимися в усилителе. В результате взаимодействия со средой, обладающей неоднородностью усиления, эти пучки приобретают структуру негативного изображения объекта. Обнаружено, что яркость негативного изображения возрастает при вве-

дении в схему матового рассеивателя на выходе усшштеля. В зависимости от места расположения рассеивателя и схеш эксперимента возможно таете получение усиленного по яркости за двойной проход активной среды позитивного изображения объекта.

Предложена и экспериментально реализована схема для получения негативных изображений объектов в поляризованных световых пучках. Экспериментальная оценка разрешающей способности оптической схеш показала, что по порядку величины она близка к разрешающей способности применяемой оптики. Получена мощность в негативном изображении, сравнимая с мощностью в позитивном изображении.

В главе восьмой предложен и осуществлен новый метод визуализации усиленных по яркости ИК изображений. На основе этого метода экспериментально осуществлена визуализация инфракрасных изображений, основанная на взаимодействии излучений в среде на двух связанных переходах в активной среде лазера на парах марганца. В зеленой области спектра получено усиленное по яркости изображение объектов освещенных ИК излучением. При этом информация в зеленом свете может быть получена при считывании как в попутных, так и встречных пучках.

Глава девятая посвящена разработке физических основ и описанию экспериментальных результатов по реализации внутрирезонаторной лазерной обработки объектов в оптических системах с усилителями яркости.

На основе анализа влияния паразитных обратных связей в системах с усилителями яркости показано, что отражения или рассеяния на деталях схемы, если они приводят к образованию резонатора с активной средой внутри них, могут привести к значительному нарушению работы системы.

С другой стороны, преднамеренное введение в оптическую схему

с усилителем яркости обратной связи с добротностью образовавшегося резонатора, достаточной для генерации мощного лазерного пучка, позволяет производить микрообработку объектов сфокусированным лучом лазера при одновременном визуальном контроле обработки в схеме лазерного проекционного микроскопа. Предложены и экспериментально реализованы простые схемы, в которых активная среда может служить одновременно осветителем, усилителем яркости и генератором обрабатывающего пучка.

Изученп вопросы формирования обрабатывающего пучка в схеме лазерного проекционного микроокопа на парах меди с зеркалом обратной связи. Установлено, что в резонаторе, образованном плоским зеркалом обратной связи и исследуемым объектом, формируется лазерный пучок, образующий в плоскости объекта распределение интенсивности в виде концентрических зон, исследованы его. временные и энергетические характеристики. Показано, что ойшстыо обработки в зависимости от распределения интенсивности могут служить одна или более центральных зон. Экспериментально продемонстрирована возможность плавной регулировки размеров зоны обработки. Достигнут размер обработки -> I мкм, соответствующий дифракционно разрешаемому размеру для используемой оптической системы.

В главе десятой описаны работы, направленные на создание и освоение промышленных образцов оптических систем с усилителями яркости.

Приведены результаты исследований и разработки опытного образца малогабаритной системы о усилителем яркости общего назначения с рабочими длинами волн 510,5 и 578,2 нм, с мощностью света в изображении 0,5 Вт, увеличением 100-5000. Предложены оптические охемы, позволяющие выполнить шогопозшщонную обработку объектов по всему полю зрения, в том числе в виде знаковых и цифровых символов, полу-

тоновых рисунков, при атом предусмотрена возможность контроля за ходом обработки па большом проекционном экране.

Для расширения возможностей обработки предложено устройство для лазерной обработки слабоотражающих и малоконтрастных объектов с помощью активной среда, работающей, по крайней мере, на двух длинах волн, причем обработка объекта и наблюдение за процессом обработки может осуществляться на различных длинах волн.

На основе системы генератор-усилитель реализована новая схема лазерной микрообработки с одновременным визуальным контролем, в которой излучение генератора с расходимостью, близкой к дифракционной, усиливалось в усилителе и фокусировалось объективом па объект, тот же усилитель слупил для усиления яркости изображения объекта.

В Заключении рассмотрены перспективы развития оптических систем о усилителями яркости и некоторые вопросы их применений в различных областях науки и техники.

Приводится сводка основных результатов и выводов работы, которая состоит в следующем.

1. Разработаны физические принципы построения оптических систем с усилителями яркости, сформулированы основные требования, которым долхнц удовлетворять активные среды. Показано, что усиливающие элементы импульсных лазеров на парах металлов могут быть эффективно использованы в качестве таких усилителей. Предложена и экспериментально реализована новая методика измерения усилительных характеристик активных сред в реальных условиях их работы п оптических системах. Выявлено, что в типичных условиях все изученные активные среды работают в решило насыщения усиления, при этом эффективное усиление изменяется в диапазоне 10 * Ю4.

2. Впервые экспериментально осуществлена и изучена оптическая система с усилителем яркости - лазерный проекционные микроскоп с

различными активными средами: на парах меди, хлорида меди, бария, золота, свинца, марганца, позволивший получать усиленные изображения микрообъектов в видимой и ближней Ж областях спектра. Показано, что введение усилителя яркости в оптическую систему не приводит к ухудшению разрешающей способности, которая для изученных систем близка к дифракционному пределу. Предложена простая модель для описания экспериментально определенных значений оптических характеристик. Выявлен ряд принципиально новцх особенностей, присущих оптическим системам с усилителями яркости.

3. Предложены и экспериментально реализованы различные схемы для передачи на большой экран динамической информации с использованием жидкокристаллических ячеек для ввода информации, световояокон-ных жгутов для передачи информации. Впервые показано, что лазерные ыикроцроекторы с усилителями яркости позволяют получать яркие изображения ыикрообъектов с большими линейными увеличениями Ю3 + Ю4 на экранах площадью десятки квадратных метов.

4. Впервые разработана методика и проведено изучение передачи контраста изображения в различных системах с усилителями яркости. Показано, что в типичных условиях работы лазерного проекционного микроскопа контраст усиленного изображения практически мало отлича-етоя от исходного. Изучены воцросы нелинейной трансформации оптических полей сложной пространственной структуры.

5. Впервые предложены и реализованы схемы для лазерной микрообработки объектов при одновременном визуальном контроле за процессом кшфообработки. При этом активная среда может одновременно служить в качестве источника освещения, усилителя яркости изображения, а также в качестве усилителя шш генератора обрабатывающего пучка. Рассмотрены вопросы формирования обрабатывающего пучка и его взаимодействия с пучком, несущим оптическую информацию. Показано, что

несмотря на сильную степень насыщения активной среды, качество изображения может практически но ухуддаться. Разработаны различные схемы, позволившие выполнять многопозиционнуга обработку объектов по всему полю зрения.

6. Впервые обнаружено явление формирования в насыщенных усилителях яркости световых пучков с распределением интенсивностей,негативным по отношению к входному распределению. Предложена физическая модель явлении, основанная на взаимодействии усиленного спонтанного излучения, выполняющего рель считывающего пучка, с пучком, несущим усиленное по яркости изображение, последний при этом вызывает в активной среде соответствующую модуляцию коэффициента усиления. Показано, что при работе о поляризованными световыми пучками разрешающая способность в негативном изображении может быть по порядку величины близка к разрешающей способности применяемой оптики.

7. Предложен и осуществлен новый метод визуализации инфракрасных изображений, основанный на взаимодействии излучений в среде на двух связанных переходах. С усилителем яркости па парах марганца в зеленом свете получено усиленное изображение объектов, освещенных ИК излучением.

8.. Проведенные исследования послужили физической основой для разработки первых в мировой практике промышленных приборов на основе оптических систем с усилителями яркости ОЭВП-1000-001 и 09ВП»-IOQ0002, а также специализированных установок для микроэлектроники, созданных при участии автора диссертации.

Основные результаты диссертации изложены в работах.

1. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян H.A., Петраш Г.Г. Лазерный проекционный микроскоп. - Квантовая электроника, 1974, т.1, ßl,

с.14-15. ' .

2. Земсков К.И., Исаев A.A., Казаряц М.А., Петраи Г.Г.Использование

активной среди импульсных лазеров на парах металлов в качестве усилителя световых пучков, несущих оптическую информацию. -Сборник тезисов П Всесоюзного симпозиума по физике газовых лазеров. Новороссийск, 1975, с. 159.

3. Арапова Э.Я., Исаев А..А., Казарян М.А., Маркова C.B., Бетраш Г.Г., Тимофеев Ю.П., Фридман С,А., Инфракрасный лазерный щг-екционный макроскоп. - Квантовая электроника, 1975, т.2, F7, с. I56&-I570.

4. Zeaakov K..I., Ioaov A.A., Kazaryan К. А., Markove, S.V., Petxash G.G. Activa Optical System with Erlglrtneaa Amplification by Pulsed Metal Vapor Lanera. - Optica Couipunications* 1976, v. 1 ö, H°1, p.144°

5. Д орешки A.A., Земсков К.И., Исаев АЛ,, Назарян М.А., Мпхайллк В.Г., Петрад Г.Г. Отображение динамической информации на большие э1фаны с помощью усилителя яркости. - Квантовая электроника, 1976, г.З, Ш, с.2515-2516.

6. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян М.А. Лазерный проекционный микроскоп. Сборник материалов смотр а-ко) ¡ i ;ур с а научно-технических конструкций приборов и приспособлений, выпуск I. Лазерная техника часть I, Москва, ФИЛИ, с.30.

7. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян М.А., Петрам Г.Г. Исследоза-ние основных характеристик лазерного проекционного микроскопа. -Квантовая электроника, .1976, т.З, Щ, с.35-43.

8. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян М.А., Петращ Г.Г. Оптические системы с усилителями яркости. - Тезисы докладов УП Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, "Мецпиереба" (Тбилиси), 1976, т.II, с.20.

9. Земсков К.И;, Исаев A.A., Казарян U.A., Маркова C.B., Петраи Г.Г. Оптические скстетл: с усилителем яркости» - Intors^icnale

Tagung"Laser and ihre Anwendungen,Dresden-DD.il,1977, с.3б2.

10. Земсков K.M., 1Сазарян M.A. Малогабаритная проекционная система с усилителем яркости. - ПТЭ, 1978, Й6, с.207.

11. ■ Казарян М.А., Трофимов А.Н. Газоразрядная трубка для лазеров на

парах галогенидов металлов. - Квантовая электроника, 1978, т.5, Ш, с. 2471-2472.

12. Земсков К.И., Казарян М.А., Пехошкина Т.Н., Трофимов А.Н. Проекционная система с усилителем яркости.на парах хлорида меди. --Квантовая электроника, IS79, т.6, й2, с.391-394.

13. Земсков К.И., Казарян М.А., Савранский В.В., Шафеев Г.А. Лазерный проекционный микроскоп в проходящем свете. - Квантовая электроника, 1979, т.6, Ш, с.2473-2475.

14. Земсков К.И., Казарян М.А. Усилители яркости изображений на парах свинца и марганца. - Краткие сообщения по физике, 1979, №5, с.34-37.

15. Zetnskov K.I., Kazaryan М.А., Petraeh G.G. Laser-Projectiona-microscop. - Bild und Ton, 1979, 32(1979), p.239-240.

16. Земсков К.И., Казарян M.A., Петраш Г.Г. .Оптические системы с усилителями яркости. - УФН, 1978, т.126, вып.4, C.695-69S.

17. Kazaryan U.A., Savransky V.V., Shafeev G.A., Zemskov K.X. Œran-sraitted - Light La о er Projection Microscope Pro jecziertsa Mik-roskopbild.-.Iaaer+Electro-Opt ic, 1980, Ur4, p.44.

18. Земсков К.И., Казарян M.A., Петраш Г.Г., Сморчков B.II., Тимофеев Ю.П., Фридман С.А. Лазерный проекционный микроскоп на парах бария и люминесцентными экранам.для визуализации ИК изобра-

. жения. - Квантовая электроника, 1980, т.7, Ж, с.2454-2459.

19. Zemskov K.I., Kazaryan.M.A., Petrash. G.G. Gold Vüpor Brightnaeo Amplifier. - Optica Coamunicationa, 19S0, v.33» p.209-212.

20. Казарян М.А., Петраш Г.Г., Трофимов А.Н. Сравнительное изучение лазеров на парах хлорида меди, бромида меди и меди. - Квантовая электроника, 1980, т.7, JS3, с. 583-592.

21. Kazaryan М.А., ïrofimov A.N, Comparison of CuCl, CuBr and Cu Laoant for Copper Vapor Lasers - Abstracts, ЕК0Ы-8О, Poznan, April, 1980, p.320.

22. Бункин Ф.В., Земсков К.И., Казарян M.A., Матвеев В.M., Петраш Г.Г., Савранский В.В., Шафеев Г.А. Саморегуляция мощности и образование негативного изображения в освещающем пучке лазерного проекционного микроскопа. - Квантовая электроника, 1981, т.8,

• с. 1372-1373.

23. .Казарян М.А., Петраш Г.Г., Земсков К.И. Оптические системы с усилителями яркости. Материалы докладов, Interkamera. ix Mezi-jwrodni kongres, 24-25 brezns, 19B1, Praha, 1931, 2. Cast.

p. 291-296.

24. Земсков К.И., Казарян M.A., Петраш Г.Г., Савранский B.B.Оптические системы с усилителями яркости и их применения в проекционной микроскопии. - Сборник докладов П Советско-французского симпозиума по Оптическому приборостроению. Москва, 1982 г., Изд-во инотитута спектроскопии АН СССР, с.169-175.

25. Земсков К.И., Зюзин П.В., Казарян М.А., Матвеев В.М., Петраш Г.Г, Контраст изображения в схеме лазерного проекционного микроскопа и усилитель яркости с автономной системой освещения.

4th. International Conference on Lasers end their Application, Octoter 1Э-23, 1381, Leipzig, GBR, paga 218-219.

26. КазарГш Ы.А., Матвеев В.M., Петраш Г.Г. Проекционная система с уошштелем яркости, и автономным источником освещения. - Известия АН СССР, сер.физ., 1982, т.46, НО, с. 189&-I904.

27. Земсков К.И., Казарян И.А., Матвеев В.М., Петраш Г.Г. Контраст изображения в схеме лазерного проекционного микроскопа. -Квантовая электроника, 1983, т.10, №2, с. 366-341.

28. Земсков К.И., Казарян М.А., Матвеев В.И., Петраш Г.Г. Исследование характеристик негативных изображений в оптических системах и усилителями яркости на парах меди. - Квантовая электроника 1983, т.1С, №11, о. 2278-2282.

29. Земсков К.И., Казарян MtA., Матвеев В./Л., Петраш Г.Г.-, Самсоно-ва М.П., Скришшчевйо А.С. Лазерная обработка объектов с одновременным визуальным контролем в системе генератор-усилитель на парах меди. - Квантовая электроника, 1984, т.II, №2, с.418-420.

30. Алейников B.C., Бункин 9.В., Дианов Е.М., Земсков К.И,, Казарян М.А., Петраш Г.Г., Прохоров A.M., Савранский В.В. Волоконных жгут в оптической системе с усилителем яркости. - ДАН СССР, 1984, т.274, №6, с. 1373-1376.

31. Казарян М.А., Матвеев В.М., Петраш Г.Г. Взаимодействие световых пучков в активной среде усилителя яркости на парах меди. -Квантовая электроника, 1984, т.II, #5, с. 932-936.

32. Земсков К.И., Казарян М.А., Матвеев В.М., Петраш Г.Г. Передача информации и обработка объектов на основе лазерной системы генератор-усилительj - Тезисы докладов Второй-Всесоюзной Научно-технической* конференции ''Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации''. Ленинград, 1984,

с. 16.

33. Гревцэв H.B.f Земсков К.И,; Казарян М.А<, Матвеев В.М., Петраш Г.Г., Скркпякченко А.С., Лазерная обработка объектов о одновременным визуальным Контролем« - Тезисы докладов Всесоюзной

конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве". Москва, "Наука", 1985, с. 196.

34. Zemskov K.I., Isaev A.A., Кагагуап М.А., Patraali G.Q., Skripni--chenko A.S., Onukhov H.A., Savin V.V., Evdokimov V.A., Grevt-eev HoV., ОохЪагепко V.A., Glikin L.S., Burmakin V., Bylkin V.I., Dorozhkin A.A.,Matveev V.M. Brevet D'Invention N 8106315.

35. Земсков К.И., Казарян 1.1.A., Петраш Г.Г. Визуализация усиленных ИК изображений при нелинейном взаимодействии пучков в насыщающихся усилителях. Письма в КЭТЙ, 1985, т.42, вып.6, с.260-263.

36. Земсков К.И., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Скрипниченко A.G. Формирование лазерного пучка при внутрярезонаторной обработке объектов. - Квантовая электроника, 1986, т.13, №11, с.2036-2102.

37. Земсков К.И., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Формирование негативных изображений в пучках поляризованного света в оптических системах с усилителями яркости. - Краткие сообщения по физике, 1986, Й4, с.17-18.