гауссовы пучки / 1. Оптические резонаторы

1. Оптические резонаторы: назначение, функции, схемы резонаторов, кольцевые резонаторы.

Оптический резонатор — совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ), формирующих стоячую световую волну. Оптические резонаторы являются одним из основных элементов лазеров, обеспечивая обратную связь для взаимодействия лазерного излучения с активным элементом.

В генераторе оптического диапазона резонатор может исполнять

три важнейших функции:

1) накопление энергии колебаний в некотором объеме для увеличения времени когерентного взаимодействия электромагнитного поля с усиливающей средой,

2) формирование нужной диаграммы направленности излучения во внешнее пространство,

3) выделение (селекция) определенной частоты колебаний.

Свет многократно отражается, образуя стоячие волны с определенными резонансными частотами. Продольные моды отличаются, как правило, только частотой, в то время как поперечные моды имеют существенно различное распределение интенсивности в сечении луча. Наиболее часто используются оптические резонаторы, образованные двумя отражающими элементами, такими как зеркала или уголковые отражатели, и простейшим оптическим резонатором является интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Однако для лазеров случай двух плоских зеркал используется не очень часто, ввиду сложности юстировки. Используются резонаторы со сферическими зеркалами. Такие резонаторы отличаются фокусным расстоянием отражающих элементов и расстоянием между ними. Геометрические параметры резонатора выбираются исходя из требований устойчивости а также других факторов, таких как, например, формирование наименьшей перетяжки оптического луча или отсутствие фокальной точки внутри резонатора.

Оптические резонаторы обычно конструируются таким образом, чтобы иметь наиболее высокую добротность (порядка ): свет должен отражаться максимальное количество раз, не затухая, поэтому ширина резонансных пиков очень мала по сравнению с частотой излучения лазера.

Типы резонаторов

Оптические резонаторы могут содержать большое количество отражающих и других элементов, но наиболее часто применяются двухзеркальные резонаторы, зеркала которых плоские или сферические. В зависимости от радиусов зеркал и их взаимного расположения выделяют следующие типы двухзеркальных резонаторов:

• Плоскопараллельный () - так называемый резонатор Фабри-Перо. Широко используемой в лазерной технике разновидностью резонатора с плоскопараллельными зеркалами является резонатор с брегговскими отражателями, представляющими собой многослойные диэлектрические или полупроводниковые структуры.

• Конфокальный (). Конфокальный резонатор образован двумя одинаковыми сферическими зеркалами, оси и фокусные расстояния которых совпадают. Поле в таком резонаторе концентрируется около оси, что снижает дифракционные потери в таком резонаторе. Данный тип резонатора мало чувствителен к разъюстировке, однако объем активной области используется неэффективно.

• Полуконфокальный (). Полуконфокальный резонатор образован одним плоским и одним сферическим зеркалом, радиус кривизны которого равен удвоенной длине резонатора. По своим свойствам он аналогичен конфокальному резонатору с удвоенной длиной.

• Концентрический (). Концентрический резонатор образован двумя сферическими зеркалами, оси и центры кривизны которых совпадают. В таких резонаторах дифракционные потери для неаксиальных мод быстро возрастают, что используется для селекции мод.

• Полуконцентрический (). Образован одним сферическим зеркалом и одним плоским, по своим свойствам близок к концентрическому резонатору.

Кольцево́й резона́тор — оптический резонатор, в котором свет распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объемные кольцевые резонаторы состоят из трёх или более зеркал, ориентированных так, что свет последовательно отражается от каждого из них совершая полный оборот. Кольцевые резонаторы находят широкое применение влазерных гироскопах и лазерах. В волоконных лазерах применяют специальные конструкции волоконных кольцевых резонаторов, обычно имеющих вид замкнутого в кольцооптического волокна с WDM-ответвителями для ввода излучения накачки и вывода генерируемого излучения.

Кольцевые резонаторы в лазерах
Схема объемного кольцевого резонатора с тремя зеркалами. Пунктиром показ путь света в резонаторе.   Обычный кольцевой резонатор, встроенный в волоконный лазер. In: излучение накачки. Out: выходное излучение. 1: активное волокно. 2: поляризатор. 3: оптический изолятор. 4 WDM-ответвитель.   Волоконный лазер с кольцевым резонатором в виде восьмерки. In: излучение накачки. Out: выходное излучение. 1: активное волокно. 2: поляризатор. 3: оптический изолятор. 4 WDM-ответвитель. 50:50делитель 50/50.