УСИЛИТЕЛЬ ЯРКОСТИ

УСИЛИТЕЛЬ ЯРКОСТИ

-элемент, применяемый в оп-тич. системах для увеличения распространяющегося в них светового потока и, следовательно, яркости (напр., яркости изображений). В обычных оптич. приборах, не имеющих У. я., можно с помощью линз, зеркал и т. п. пассивных элементов сконцентрировать световой поток на небольшой площади и сильно увеличить освещённость, но при этом яркость не увеличивается. В случае, когда в оптич. системе нет потерь, яркость сохраняется, что является простым следствием закона сохранения энергии.

На практике недостаточная яркость света часто существенно ограничивает возможности оптич. систем, в связи с чем и разрабатываются У. я., увеличивающие яркость за счёт подводимой к ним от внеш. источника энергии.

Существуют разные типы У. я., использующие разл. физ. принципы. Простейшим примером У. я. может служить электронно-оптический преобразователь (ЭОП), в к-ром оптич. изображение на фотокатоде с внеш. фотоэффектом преобразуется в пучки электронов. Затем электроны ускоряются электрич. полем и на выходе фокусируются на слой люминофора, <где изображение снова преобразуется в оптическое. Благодаря сильному увеличению энергии электронов изображение на выходе ЭОП может быть значительно ярче исходного.

Даже проектор, дающий яркое изображение слайда, можно рассматривать как У. я. статич. изображения, т. к. яркость изображения на слайде при фотографировании может быть значительно меньше, чем при проекции. Телевизионная аппаратура тоже может рассматриваться как У. я., если она обеспечивает на экране большую яркость, чем на входе. Однако значительно больший интерес представляют оптически управляемые транспаранты, называемые также пространственно-временными модуляторами света. Если интенсивность света, к-рую может модулировать транспарант, окажется больше интенсивности управляющего света, то оптически управляемый транспарант является У. я., притом работающим в реальном времени.

Все упомянутые выше У. я. представляют собой усилители-преобразователи, т. к. в них оптич. изображение преобразуется в пучки электронов или в распределение пропускания транспаранта. Это накладывает определ. ограничения на характеристики таких У. я. (на пространственное разрешение и быстродействие). Спектральный состав излучения на выходе таких У. я. также обычно не совпадает с исходным. В ряде случаев это даже полезно, т. к. позволяет, напр., преобразовать невидимое глазом изображение (ИК или УФ) в видимое. Наиб, важное ограничение усилителей-преобразователей заключается в потере информации о распределении фаз исходной световой волны; поэтому их используют для усиления яркости изображений, когда достаточно передать лишь распределение интенсивности по полю зрения. В принципе, если применять вместо управляемого транспаранта динамич. голограмму (см. Динамическая голография), то, восстанавливая световое поле светом большой яркости, можно восстановить его полностью, в т. ч. и распределение фаз, увеличив при этом его яркость. Пока такие У. я. не получили заметного применения в оптич. системах из-за трудностей создания динамич. голограмм.

Существует универсальный способ усиления света с помощью вынужденного (стимулированного) излучения, к-рый используется во всех лазерах. Псгеамбй своей природе вынужденное излучение позволяет усиливать любые пучки света, не внося в них искажений, т. к. оно повторяет все свойства вынуждающего излучения, включая фазу и поляризацию. У. я. на основе вынужденного излучения можно помещать в любое место оптич. системы, поскольку он не включает никаких преобразований. При этом возникает только один неустранимый источник помех - собственные шумы квантового усилителя.

В настоящее время (1990-е гг.) существует много разл. лазеров, работающих во всех диапазонах спектра - от рентгеновского до далёкого инфракрасного. Однако применение лазерных усилителей в оптич. приборах до сих пор весьма ограничено. Связано это с тем, что усилители в лазерах и оптич. системах используются по-разному. В лазерах обычно стремятся получить предельно высокую направленность излучения, применяя для этого оптические резонаторы и ограничивая число генерируемых мод. В оптич. системах обычно требуется передать большой объём информации, заложенный в распределении амплитуд и фаз (иногда и поляризации) по полю зрения, на к-ром укладывается порядка 10⁶ разрешаемых элементов. Такая "много-канальность" и есть одно из осн. преимуществ оптич. систем с У. я. Это накладывает дополнит, требования на У. я. для оптич. приборов, к-рый должен обладать большой угл. апертурой, чтобы пропустить большой объём информации, обеспечивать значит, усиление за один проход усиливающей среды и, естественно, не должен вносить искажений в усиливаемые световые поля. Достижение высокого усиления (а желательно иметь коэф. усиления 0,1 - 1,0 см ^-1) и составляет осн. трудность на пути создания лазерных У. я. для оптич. систем. Высокий коэф. усиления (при прочих равных условиях) легче получить для узкого спектрального интервала и в коротких импульсах.

Наиб. удобным для практич. применения оказались усилители импульсных лазеров на парах ряда металлов. Они обладают сравнительно высокой эффективностью и работают при высокой частоте повторения импульсов, что обеспечивает достаточно высокую ср. выходную мощность. Среди них чаще используется усилитель на парах меди, усиливающий на двух линиях в видимой области спектра (= 510,6 нм и 578,2 нм). Этот усилитель работает в импульсном режиме с длительностью светового импульса 10-30 не и частотой повторения импульсов 5-20 кГц. В России в течение ряда лет промышленностью серийно выпускается запаянная саморазогревная лазерная трубка на парах меди (тип УЛ-102), специально предназначенная для применения в качестве усилителя яркости в оптич. приборах. Активная зона этой трубки имеет диам. 2 см, длину 40 см, усиление за один проход составляет (по ср. мощности) 10 -10⁴, а ср. мощность на выходе усилителя ~1 Вт. В др. странах промышленный выпуск таких У. я. пока не налажен.

У. я. на парах меди используется в лазерном микропроекторе, в системах для лазерной обработки объектов с визуальным контролем за процессом на экране микропроектора, в системах маркировки деталей, для усиления телевизионных изображений, для локального масс-спектро-метрич. анализа и т. п. Близкие характеристики имеют усилители на галогенидах меди.

Несколько худшими характеристиками обладают усилители на парах золота и марганца (неск. линий в жёлто-зелёной и ИК-областях спектра). В ближней ИК-области хорошими характеристиками обладает усилитель на парах бария мкм).

Интенсивно разрабатывается голографич. усилитель--усилитель на динамич. решётках. В этом усилителе в нелинейной среде в результате взаимодействия волны накачки и сигнальной волны, несущей оптич. информацию, образуется динамич. голограмма, на к-рой при определ. условиях (нелокальный отклик среды и др.) происходит перекачка энергии из волны накачки в сигнальную волну, обеспечивая усиление последней. При этом сигнальная волна, как и в случае вынужденного излучения, экспоненциально усиливается в среде. В качестве сред для таких У. я. используются фоторефрактивные кристаллы, напр, титанат бария, позволяющий получать усиление за один проход до 10⁴.

Лит.: Петраш Г. Г., Усилители яркости для оптических приборов, "Вестник АН СССР", 1982, № 2, с. 66; Пространственные модуляторы света, М., 1987; Оптические системы с усилителями яркости, ред.-сост. В. И. Беспалов, Г. А. Пасманик, Горький, 1988; Одулов С. Г., С о скин М. С., Хижняк А. И., Лазеры на динамических решетках, М., 1990; Оптические системы с усилителями яркости, под ред. Г. Г. Петраша, М., 1991 (Труды ФИАН, т. 206).

Г. Г. Петраш.

У. я. изображения. Усиление яркости изображения (оптич. пучков сложной пространственно-временной структуры), как уже указывалось, может осуществляться посредством оптических квантовых усилителей, усилителей на эффектах вынужденного рассеяния или четырёхфотонного взаимодействия и др. Однако наиболее подходящими для использования в оптич. устройствах в наст, время (90-е гг.) являются У. я. изображения (УЯИ) на основе активных сред лазеров.

Отличительной чертой таких усилителей является то, что активные среды используемых лазеров работают в режиме значит, насыщения, а следовательно, и большого усиления. При этом могут использоваться как однопроходные (однонаправленные) УЯИ, так и двух- и более проходные.

Взаимодействие разл. пучков, распространяющихся в усилителе (пучки, несущие усиленное по яркости изображение, и пучки спонтанного излучения по лазерному переходу, тоже усиленные), может приводить к нелинейным преобразованиям усиленных изображений: образованию негативных изображений, изображений со сдвигом по спектру. Такие эффекты реализуются, если плоскость промежуточного изображения находится в геометрич. преде-jrax активной среды. Тогда усиленное спонтанное излучение служит в качестве считывающего пучка неоднородности усиления, созданной воздействием на активную среду первоначального пучка, несущего усиленное изображение входного оптич. сигнала.

Если используются У. я., работающие одновременно на неск. лазерных переходах, связанных по верхнему или нижнему уровню, то можно наблюдать негативное изображение, сдвинутое по спектру: напр., усиленное по яркости ИК-изображение преобразуется в усиленное по яркости изображение в видимой области спектра. Такая схема оптич. устройства с УЯИ, в к-рых промежуточное изображение находится в пределах активной среды, приводит к падению контраста передаваемого первичного изображения.

Однако, если плоскость промежуточного изображения выведена за пределы активной среды, то реализуется схема лазерного микропроектора и контраст практически не искажается.

Многопроходные У. я. могут повышать контраст изображения, если освещать объект его собственным изображением (УЯИ с обратной связью).

УЯИ могут использоваться для лазерной обработки объектов. Такие обрабатывающие устройства позволяют сформировать на поверхности, предназначенной для обработки, мощный лазерный пучок со сложной формой распределения световой интенсивности (мощности), определяемой конфигурацией маски на зеркале. В определённых случаях может производиться обработка и по изображению объекта ввиду повышения контраста и превышения порога разрушения в соответствующих местах поверхности объекта. Аналогичный эффект-микрометрическое копирование изображения - может быть достигнут при ускорении микронных частиц внутри резонатора в оптич. системе с УЯИ, позволяющей обрабатывать поверхность твёрдых тел посредством бомбардировки этими частицами.

УЯИ находят применение в разл. областях науки, техники и народного хозяйства. В микроэлектронике применяются специализир. установки для микрообработки тонких плёнок, скрайбирования, нанесения покрытий на подложки, отжига ионно-имплантированных слоев, контроля и изготовления разл. деталей микроэлектроники и др. В последнее время значит, прогресс наметился в создании цветных (синий, зелёный, красный) УЯИ, что нашло применение в системах для воспроизведения вещательных телевизионных передач, а также любых изображений с цветных мониторов компьютеров на большие экраны.

Для мед. и биол. исследований и микрохирургич. операций, для целей генной инженерии системы с УЯИ используются при облучении участков тканей по форме патологии, что значительно уменьшает травматизм по сравнению с обычными методами лазерного лечения. Более того, УЯИ с обратной связью позволяют автоматически следить за непроизвольными движениями выделенного для лазерного воздействия отд. органа (его части) живого организма. .

По мере развития лазерной физики и техники и появления новых У. я., работающих в широкой области спектра, могут быть построены перестраиваемые по спектру У. я., пригодные для использования в современных микро-спект-роанализаторах.

Лит.: Захаров С. Д., Казарян М. А., Короткое Н. П., Ударный разгон частиц в поле лазерного излучения, "Письма в ЖЭТФ", 1994, т. 60, в. 5, с. 317; Via so v D. V. [e. a.], An Optical Scheme of the Laser Reproduction TV Image-Technical Program of 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Opt., and 8-th Laser Optics Conference June 27-July I. 1995, St.-Petersburg, Russia, v. Ill, p. 82. М. А. Казарян.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.