4. Расчет и конструирование лазерных технологичеаских систем

4.3. Оптический резонатор

Оптический резонатор — резонатор оптического диапазона длин волн, образованный совокупностью отражающих поверхностей, в котором возбуждаются и поддерживаются слабозатухающие электромагнитные колебания различного вида (различные моды колебаний).

Мода колебаний (от лат. modus — мера, способ, правило) — один из видов собственных колебаний, которые могут существовать в колебательной системе с распределенными параметрами (например, упругих колебаний в струне, мембране, кристалле; электромагнитных колебаний в открытом резонаторе).

Мода колебаний (М.К.) характеризуется определенным пространственным распределением амплитуд и фаз колеблющейся величины и частотой колебаний (длиной волны). Частоты М.К. называются собственными частотами колебательной системы. Многообразие колебательных систем обуславливается многообразием М.К.

М.К. электромагнитных резонаторов, в частности О.Р., как правило, представляют собой стоячие электромагнитные волны, конфигурация полей которых обеспечивает минимум потерь в резонаторе. Обычно это такие волны, у которых узлы электрического поля совпадают со стенками резонатора или у которых вектор напряженности электрического поля ортогонален стенкам. В обоих случаях обеспечиваются минимальные потери.

М.К., различающиеся структурой поля в поперечном сечении О.Р., называются поперечными модами, в продольном сечении — продольными модами.

В лазерной технике используются открытые оптические резонаторы (О.О.Р.).

В отличие от объемных резонаторов, которые применяются в технике СВЧ, в открытых резонаторах отсутствуют боковые отражающие стенки.

Благодаря этому в открытом резонаторе слабозатухающими оказываются только те немногочисленные моды, которые распространяются вдоль оптической оси резонатора, часто называемой осевым контуром.

Отражающими элементами оптических резонаторов служат зеркала. В большинстве случаев это стеклянные пластины или призмы и т. п. с напыленными на их поверхности диэлектриками или металлическими покрытиями.

Покрытия увеличивают коэффициент отражения зеркал и часто обладают селективными свойствами.

Форма отражающих поверхностей в общем случае произвольная.

Иногда в качестве зеркал О.О.Р. используют призмы полного внутреннего отражения, дифракционные решетки и др. оптические элементы.

Основное назначение О.О.Р. — создание условий, при которых возникающее внутри него индуцированное излучение многократно проходит через активную среду.

Другими словами, задачей О.О.Р. является осуществление положительной обратной связи за счет возвращения некоторой части распространяющейся энергии излучения, назад в активную среду.

Излучение лазера получается достаточно мощным, благодаря тому, что оно многократно проходит через инверсную среду каждый раз усиливаясь. При этом фаза излучения не меняется, т.е. оно остается когерентным.

Процесс излучения тесно связан с направленностью выходного излучения. Наибольшее число раз активную среду проходит излучение которое распространяется под очень малыми углами к оси О.Р. Излучение распространяющееся под большими углами к оси О.Р. при каждом отражении все больше и больше отклоняется и выходит через боковые стенки активного элемента, не получив достаточного усиления.

Пространственная конфигурация мод в О.О.Р. образуется в результате дифракции волн на краях зеркал или внутри резонаторных диафрагм.

Рисунок 4.2. Схема открытого оптического резонатора: 1 — переднее зеркало; 2 — заднее зеркало; 3 — активный элемент; 4 — излучение.

При создании генераторов монохроматичного электромагнитного излучения часто возникает необходимость устранять все М.К. используемого резонатора кроме одной. Как правило, оставляют низшую М.К. Подобная операция называется селекцией мод. В лазерной технике для излучения сверхкоротких лазерных импульсов используют методы, основанные на упорядочении спектра генерируемых продольных М.К. и установления одинаковой разности фаз между соседними модами.

Линейно независимые М.К., отличающиеся формой, но имеющие одну и ту же собственную частоту, называются вырожденными.

Таким образом, О.Р. определяет основные свойства излучения: монохромотичность, когерентность, направленность и мощность.