Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ

Оптические резонаторы являются одним из основных элементов лазерных устройств. Здесь термин «резонанс» подразумевает нарастание амплитуды электромагнитных волн вследствие многократоного их отражения от некоторых отражающих поверхностей, при этом необходимо помнить, что резонатор - это колебательная система, которая имеет собственные колебания.

Для возбуждения генерации необходимо, чтобы оптически активное вещество было помещено в резонатор, состоящий из двух зеркал с хорошей отражающей способностью (рис. 3). Принцип действия такого резонатора (резонатор Фабри-Перо): представим одну электромагнитную волну, которая, отражаясь от зеркал, усиливается при многократном прохождении через активную среду. Для генерации необходимо, чтобы волна после двукратного отражения имела такую фазу, при которой она усиливалась бы, интерферируя с излучаемой в данный момент волной. Для этого длина резонатора должна быть равна целому числу полуволни резонатор Фабри-Перо выполняет свои функции только на определенных (собственных) частотах n=(с/2L)·n. В действительности, спектр собственных колебаний резонатора более сложный из-за того, что каждая собственная частота расщепляется на ряд близко расположенных частот. Это связано с отражением волн от края зеркала внутрь резонатора и другими эффектами, потери приводят к тому, что условия резонанса выполняются для небольшой полосы вблизи каждой из собственных частот резонатора. Кроме того, в резонаторе генерируются лишь такие волны, которые распространяются лишь строго параллельно его оси. Другие волны после нескольких отражений выходят из резонатора через боковые стенки, т.е. зеркала резонатора должны быть строго параллельными. При наличии потерь при отражении собственные колебания сохраняют ту же форму, что и в идеальном резонаторе.

Спектральная линия лазерного перехода обладает некоторой шириной Dn, если эта ширина меньше разности частот собственных колебаний резонатора (n_n-n_n-1), то есть если Dn меньше с/2L, то в пределах спектральной линии может возбуждаться только одно колебание резонатора и излучение будет монохроматическим.

Если же в ширину спектральной линии попадает сразу несколько собственных частот резонатора и Dn больше с/2L, то возможна генерация частиц сразу на нескольких частотах, попавших в пределы спектральной линии, излучение лазера становится немонохроматичным и состоит из набора частот.

В некоторых лазерах, например, в гелий-неоновом, на органических красителях активные среды обладают усиливающими свойствами на нескольких энергетических переходах, т.е. для них возможна генерация на нескольких заметно отличающихся длинах волн. В этих случаях для сужения спектра генерации в резонатор вводят специальные селективные элементы: покрытия зеркал, светофильтры, клиновые и плоскопараллельные интерферометры, дифракционные решетки и дисперсионные призмы. Введение одного селективного элемента сужает длину линии генерации до 10^-3…10^-5 мкм без существенного уменьшения выходной мощности и позволяет перестраивать спектр генерации в пределах 0,1 … 1 мкм.

Хорошие показатели следует ожидать у резонатора, снабженного специальными вогнутыми зеркалами (рис. 12).

z

(x₁, y₁) (x₂, y₂)

z = 0

Рис. 12 - Оптический резонатор со сферическими зеркалами

Волны, распространяющиеся в таком резонаторе даже не параллельно оси, всегда отражаются внутрь резонатора. Вогнутые зеркала следует располагать друг относительно друга так, чтобы излучение волн через боковые стенки было минимальным. Очевидно, с этой точки зрения наиболее благоприятным является конфокальное расположение сферических зеркал, при котором центр каждого зеркала лежит как раз на поверхности другого зеркала. В этом случае луч, исходящий из центра, всегда, независимо от его направления, отражается обратно в исходную точку.

В оптических резонаторах, так же как и в акустических, и микроволновых объёмных резонаторах, возникают собственные колебания. Однажды возбуждённое, такое колебание будет поддерживаться до тех пор, пока его энергия не исчезнет вследствие потерь при отражениях и из-за излучения через боковые стенки, т.е. пока оно полностью не затухнет. В лазерах потери энергии компенсируются благодаря процессу стимулированного испускания, и собственные колебания не затухают. Для более полного понимания работы лазера и придания ему правильной геометрической формы необходимо точно знать собственные колебания оптического резонатора. При их расчете исходят из отмеченного выше представления о том, что волны при многократных отражениях всё время должны переходить сами в себя.

Поверхности зеркал являются поверхностями равных фаз для собственных колебаний. Внутри резонатора фазовые поверхности также имеют сферическую форму с зависящим от координаты z радиусом кривизны.

R=(-1/z)(z²+z₀²)

Отрицательный знак радиуса кривизны означает, что центр кривизны при положительных z лежит слева от фазовой поверхности (рис. 14). В середине резонатора (z = 0) фазовой поверхностью является плоскость симметрии резонатора.

v₀ a v

z

Распределение

поля основного

колебания

Рис. 14. Фазовые фронты и радиусы пятна для собственных колебаний в оптическом резонаторе

Параметр v характеризует размер сечения области, в которой сосредоточено поле собственных колебаний. Это сечение минимально при v = v₀ в плоскости симметрии резонатора (z = 0). По обе стороны от неё сечение в соответствии с аргументом экспоненты увеличивается по гиперболическому закону x² + y² = const v²(z). На поверхности гиперболоида x² + y² = v² амплитуда поля в е раз меньше по сравнению с амплитудой на оси резонатора. Величину v называют также радиусом пятна резонатора.

Из изображенной на рис. 14 общей схемы следует, что сферические зеркала можно устанавливать в разных местах. Если зеркала совпадают со сферическими фазовыми фронтами, а расстояние между ними выбрано таким, что разность фаз число p, то собственные колебания с распределением поля при этом остаются неизменными.

В случае двух разных сферических зеркал, расположенных на заданном расстоянии друг от друга, можно установить положение плоскости z = 0 и выбрать минимальную величину радиуса пятна v₀ так, чтобы сферические фазовые фронты распределения поля совпадали с поверхностями зеркал. Важно, чтобы центр кривизны одного зеркала или само зеркало лежали на оси между другим зеркалом и его центром кривизны. Если это условие не выполняется, то собственные колебания не возникают и в таком случае прибор не работает как резонатор. На рис. 15 показаны возможные типы оптических резонаторов.

РезонаторФабри-Перо