Лазерный микропроектор (лазерный проекционный микроскоп). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазерный микропроектор (лазерный проекционный микроскоп) - проекционный микроскоп, в к-ром для увеличения яркости получаемых изображений используется усилитель яркости (УЯ), действующий на основе стимулированного (вынужденного) излучения. Стимулированное излучение повторяет все свойства вынуждающего, в т. ч. фазу, поляризацию, поэтому УЯ на его основе, не включающий никаких преобразований световых полей, можно ставить в любое место оптич. системы на пути распространяющихся в ней пучков света. При этом возникает только один неустранимый источник помех - собственные шумы квантового усилителя.

Применение УЯ позволяет радикально решить одну из наиб. сложных для всех проекционных систем проблем - проблему проекции с большим увеличением, к-рая заключается в следующем. Для рассмотрения изображения на экране нужно обеспечить определённый уровень освещения. При этом весь световой поток, приходящий на экран, в обычном проекторе должен пройти через микрообъект или отразиться от него. Это означает, что при заданном освещении экрана плотность мощности излучения на объекте, пропорциональная квадрату линейного увеличения, при очень большом увеличении приводит к перегреву объекта или даже к его разрушению. Так, напр., линейное увеличение

10³ уже труднодостижимо.

В простейшей схеме Л. м. (рис.) усиливающий элемент У (напр., газоразрядная трубка с парами меди) служит одновременно и для усиления яркости и для освещения объекта. Спонтанное излучение, усиленное в усилителе, через объектив Л₁ освещает изображаемый объект, расположенный в предметной плоскости П₁. Свет, отражённый от объекта и рассеянный на нём, снова проходит через объектив Л₁ и затем усилитель У.

В результате в плоскости П₂ образуется увеличенное и усиленное по яркости промежуточное изображение объекта, к-рое через проекционный объектив Л₂ переносится на экран Э. Возможны и др. схемы, в частности работающие "на просвет". В этом случае за объектом можно поставить зеркало 3, возвращающее свет на объект. Применяются также схемы с освещением от отд. лазерного источника.

Осн. элемент Л. м.- усилитель яркости, к-рый уже давно и широко используется в лазерах и представляет там собой к--л. активную среду, помещённую в оптич. резонатор. Пучок света, многократно пробегая между зеркалами, усиливается до тех пор, пока не наступает насыщение усиливающей среды. Структура выходного пучка лазера полностью определяется резонатором; обычно стараются ограничить число генерируемых мод до одной с предельно малой дифракционной расходимостью. В оптических же приборах, в т. ч. в Л. м., обычно требуется передать большой объём информации, заложенный в распределении амплитуд и фаз по полю зрения. Т. о., пучки света, распространяющиеся в оптич. системе, должны иметь значит. размеры. Чтобы пропустить такие пучки, УЯ должен иметь достаточную угл. апертуру.

Поле зрения оптич. системы ограничивается размерами УЯ, а разрешающая способность - свойствами применяемого микрообъектива. Если разрешение объектива ограничено только дифракцией, то число разрешаемых элементов на линейном размере поля зрения

, где d₀ - диаметр объектива, d_y - диаметр усиливающего элемента,

- длина волны, L - расстояние от объектива до дальнего торца усиливающего элемента. Из этого соотношения видно, что для передачи достаточно большого объёма оптич. информации усиливающий элемент должен иметь достаточно большой диаметр и не быть слишком длинным (что эквивалентно ограничению числа проходов через среду).

Применение усилителя имеет смысл, если он даёт значит. усиление. При этом длина усиливающей среды практически всегда ограничена. При таких условиях нужны коэф. усиления порядка 0,1-1,0 на см длины усиливающей среды. Кроме того, усиливающий элемент должен быть оптически однородным и не вносить заметных искажений, а также обеспечивать на выходе достаточно большую мощность. А для этого УЯ должен работать в режиме, близком к насыщению, когда стимулированное излучение уносит б. ч. энергии, запасённой в активной среде. Удовлетворить всем этим требованиям оказалось возможным далеко не с любой активной средой. Наиб. удобными здесь оказались газовые лазеры, т. к. их среда из-за малой оптич. плотности не вносит заметных искажений даже при значит. нагреве в процессе работы.

Практически Л. м. удалось построить только после появления импульсных лазеров на парах металлов. В 80-е гг. в качестве УЯ в основном используется усиливающий элемент лазера па парах меди, обеспечивающий усиление на двух линиях с

=510,6 нм и 578,2 нм. С ним удаётся получать эфф. усиление за один проход

10*. При значит. увеличении входного сигнала усилитель насыщается, и усиление падает. Это приводит к появлению ряда особенностей, не свойственных обычным оптич. системам. Так, напр., при значит. насыщении световая мощность на выходе системы весьма слабо зависит от входного сигнала, а значит, и от светосилы системы. Имеются и др. особенности, связанные с возникновением разл. нелинейных эффектов в усилителях при больших мощностях входного сигнала.

Большое усиление и высокий уровень выходной ср. мощности УЯ на нарах меди позволил получать изображения микрообъектов с линейным увеличением

10⁴ и на экранах размерами 10-20 м², что недоступно для обычных микропроекторов.

Особый интерес представляет возможность полупения усиленных по яркости цветных изображений. Для этого необходимо иметь УЯ, как минимум, для трёх основных цветов: красного, зелёного и синего. Для зелёной и красной областей спектра можно применять уже имеющиеся УЯ на парах меди и золота, а для синей области спектра ещё нужно такой усилитель создать.

Литература по лазерным микропроекторам (лазерным проекционным микроскопам)

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.