Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка.docx
Скачиваний:
21
Добавлен:
28.04.2022
Размер:
898.24 Кб
Скачать
    1. Оптическиерезонаторы

    1. Особенностиоптическихрезонаторов

Основнымиструктурнымисоставляющимилюбоголазераявляютсяактивная среда, оптический резонатор (ОР) и источник питания (накачки).Активная среда (АС), конструктивно оформленная тем или иным способом,носит название активного элемента (АЭ) лазера. Активный элементпомеща-ется в оптический резонатор для улучшения взаимодействия излучения с АС,обеспеченияположительнойобратнойсвязи,превращающейоптическийусилитель в генератор, повышения временной и пространственной когерент-ностей индуцированного излучения. В газоразрядных лазерах активным эле-ментом является разрядная трубка. В твердотельных лазерах АЭ выполняют-ся чаще всего в виде цилиндров из кристаллов или легированных оптическихстекол. В инжекционных полупроводниковых лазерах активным элементомслужит кусок кристалла в виде параллелепипеда. Линия излучения лазерногоперехода данной активной среды, или контур усиления АС, определяет об-ластьрабочихчастот νлазера.

Любой резонатор – устройство, способное накапливать или запасатьэнергию. Запасенная в резонаторе энергияWзапв дальнейшем расходуется стойилиинойскоростью,определяемойпостояннойзатуханияколебаний

τр=Wзап/Рпот,гдеРпот– мощность потерь. Напряженность электрическогополя в резонаторебудетописываться затухающейво временифункциейE(t)=Emsin2πνtexp(–tр).ПритакихусловияхконтурусиленияIν=f(ν)

резонатора характеризуется шириной линии Δν0,5~1/2π τрна половинномуровнеинтенсивности.ПрималыхзначенияхпостояннойзатуханияΔν0,5

относительно велика (рис. 4.1,а). Если же устремить τрк бесконечности, то видеале напряженность поля станет изменяться по чисто гармоническому за-конуE(t)=Emsin ωt,где ω= 2πν– круговая частота (рис.4.1,б).

Сопоставлениерезонаторныхсистемудобнопроводитьспомощью

понятия добротностиQ= ν0/ Δν0,5= 2π ν0τр= ω0τр, где ν0– центральная ре-зонансная частота, определяемая свойствами конкретного резонатора. Чембольше потери в резонаторе, т. е. выше скорость расходования энергии, темнижеегодобротность(рис.4.2).

E

E

Iν

Iν

ν0 ν

а б

Рис.4.1.Колебанияврезонатореприпостояннойзатухания:

аконечной;ббесконечной

Iν

Δν'0,5Δν''0,5

Высокодобротныйрезонатор

Низкодобротныйрезонатор

ν0 ν

Рис.4.2.Кпонятиюдобротностирезонатора

Простейшимустройствомдлягенерированияэлектромагнитныхколе-банийявляетсяLC-контур,резонанснаячастотакоторогоν0=f(L,C),адоб-

ротностьQимеетпорядок100…102.Начастотахвышесотенкилогерц–

единиц мегагерц вLC-контурах резко возрастают потери, связанные с радио-излучением, и теряются резонансные свойства. В микроволновом диапазонеиспользуют объемные (x,y,z) резонаторы с проводящими стенками. Мини-мальными потерями, а значит самой высокойдобротностью в таких резона-торахобладаютколебания,длянапряженностиэлектрическогополякоторых

выполняются нулевые граничные условияЕi= 0. Нулевые условия для резо-натора с размерамиLx,Ly,Lzвыполняются, если по всем трем координатам(наотрезкахLx,Ly,Lz)укладываетсяцелоечислополуволн:m=Lx/λx/2,

n=Ly/ λy/2,q=Lz/ λz/2, гдеm,n,q– целые числа. В объемных резонаторах вмикроволновом диапазоне формируются колебания, для которых числаm,n,qимеютпорядок единиц. Отсюдаследует,чтохарактерныеразмерыLx,Ly,Lz

объемныхрезонаторовблизкикдлиневолныλ.

В случае использования объемных резонаторов в оптическом диапа-зоне с характерной длиной волныλ ~ 10–6м их размеры, а соответственно,объемы активной среды и запасаемая в них энергия будут ничтожно малыми.Используютоткрытые,илиоптические,резонаторы(ОР),получаемыеизобъемных при сохранении только торцевых отражателей, перпендикулярныхосиz.ВтипичномслучаеОРобразуетсядвумявзаимнопараллельнымиот-

ражающими поверхностями – зеркалами З1и З2с коэффициентами отраже-нияна рабочей длине волны:ρ1= 1– α1– τ1иρ2= 1– α2– τ2.Одноиззеркал

2) имеет конечный коэффициент пропускания τ2> 0 для длины волны из-лучения лазерного перехода. Благодаря этому часть потока индуцированныхквантов,циркулирующихвОР,выводитсянаружуиформируетвыходное

излучение лазера. Второе нерабочее, или «глухое», зеркало (З2) изготавлива-етсясвысокимкоэффициентомотражения(τ10),достигающимулучших

образцов значений 99,8 %. Коэффициенты паразитных потерь α1≈ α2обычноне превышают 10–2…10–1. ПротяженностьLоптическихрезонаторов, ис-пользуемых в лазерах, лежит в пределах 10–3…100м. Для типичной длиныволныλ =1мкм индексqсоставляетпорядка103…106.

Рассмотрим, как оптический резонатор влияет на характеристики излу-чения активной среды: расходимость пучка и спектральную функцию. Пред-ставим себе АС с поперечным размеромdи протяженностьюL>>d. При от-сутствии зеркал основная часть потока, совершившего один проход – про-шедшегопутьLвдольосиz,будетсосредоточенавпределахуглагеометри-

ческойрасходимостиΘ1(рис.4.3,а).

d

а

d

З1

б

d

в

Рис.4.3.Изменениерасходимостипотокаквантов:априоднократном;

бдвукратном;втрехкратномпроходах излученияврезонаторе

ПриналичииодногозеркалаобщийпутьизлучениявОРудваивается,чтосопровождаетсяуменьшениемрасходимости(рис.4.3,б).Вдвухзеркальном

ОРприминимальномчислепроходовNпр=3геометрическаярасходимость

сокращается до трети от начального значения(рис. 4.3,б), т. е.ростNприз-лучения сквозь АС уменьшаетрасходимость потока. В реальных условияхчисло возможных проходовNпр= 100…102, а расходимость лазерных пучковсоставляетӨ ~ 10–2…10–4рад. Таким образом, наличие резонатора приводитк уменьшению расходимости потока квантов – фронт волны приближается кплоскости, т. е. излучение становится более когерентным, повышается сте-пеньпространственной когерентности.

Оценимтеперьвлияниемногократногопрохожденияпотокаквантовв

оптическомрезонаторенаширину спектральнойлинииизлучениялазера.Предположим,чтоактивнаясредапротяженностьюLнацентральнойчастоте

ν0обладает показателем усиления χ0, а на некоторой частоте ν0,5усилениеспадает до уровня χ0/2 и при этом χ0L= 1. Тогда коэффициентыG1 =eχLусиления за один проход излучения вдоль АС на выбранных частотах будутсоотноситься какG11) /G10,5) = е0,5. При увеличении числа проходов доNсоотношениебудетизменятьсяпозаконуGN1)/GN0,5)=е0,5N.Это

означает,чтоитоговыйкоэффициентусилениявобластицентральнойчасто-тыбудет существенновыше,чемна боковых частотах(рис.4.4).

ν0 ν0,5 ν

Рис.4.4.Сжатиелинииизлученияврезонаторе

Таким образом, с увеличением числа проходов вдоль АС спектральнаялинияиндуцированногоизлучениясжимаетсяилокализуетсявзонецен-тральной частоты. Это означает, чтостепень монохроматичности, а соответ-ственно,истепеньвременнойкогерентности повышаются.

Соседние файлы в предмете Функциональные узлы и устройства микроэлектроники