Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ANDRUShKO_1981g.doc
Скачиваний:
545
Добавлен:
10.02.2016
Размер:
34.61 Mб
Скачать

Глава 11 лазеры

11.1. Оптические резонаторы

Лазером называют генератор электромагнитного излучения опти­ческого диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения. В лазерах используется вещество, в котором в про­цессе накачки может быть создана лазерная активная среда, об­ладающая способностью усиления электромагнитного излучения на частоте квантового перехода. В зависимости от агрегатного состояния лазерного вещества различают газовые, твердотель­ные, полупроводниковые и жидкостные лазеры. Система накачки лазера должна обеспечивать передачу энергии от внешних источ­ников питания к активному веществу для создания инверсии на­селенностей уровней. Положительная обратная связь в лазере создается с помощью оптического резонатора.

Открытым оптическим резонатором называют систему, состо­ящую из двух обращенных друг к другу отражающих поверхно­стей, в которой могут возбуждаться электромагнитные колебания оптического диапазона. Отражающими поверхностями могут быть зеркала различной формы (плоские, сферические, параболичес­кие), грани призм полного внутреннего отражения, границы раз­дела сред с различными показателями преломления. Оба зерка­ла могут иметь как одинаковую, так и различную кривизну. Рас­стояние между отражающими поверхностями определяется ис­пользуемой активной средой и может быть от десятых долей миллиметра до нескольких метров в зависимости от типа и мощности лазера.

Простейшим открытым оптическим резонатором является си­стема из двух плоских строго параллельных зеркал, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Эффективное взаимо­действие электромагнитного поля с активной средой осуществля­ется при помещении ее в резонатор, который должен быть таким, чтобы можно было разместить внутри него достаточное количество активного вещества. Активное вещество может заполнять рабо­чий объем резонатора частично или полностью. В последнем слу­чае торцы твердого вещества обрабатываются так, что могут служить отражающими поверхностями. Кроме того, взаимодейст­вие должно происходить в как можно меньшей полосе частот. Обычные закрытые резонаторы не могут удовлетворить этому тре­бованию, поскольку для возбуждения колебаний только одного типа размеры резонатора должны быть сравнимы с длиной вол­ны. На оптических частотах это невыполнимо. Если же взять большой по размерам резонатор, то он будет много волновым и усиление будет возможно на всех его частотах внутри спект­ральной линии активного вещества.

Задача резонатора лазера — обеспечить, чтобы возникающее внутри него вынужденное излучение многократно проходило че­рез активную среду, способную усиливать проходящее через нее излучение. Таким образом, с помощью резонатора получается по­ложительная обратная связь. Для вывода полезного излучения из резонатора его зеркала делаются частично прозрачными (полу­прозрачными).

Резонатор во многом определяет основные свойства выходного излучения: степени монохроматичности и когерентности, направ­ленность и мощность. Нормальные типы колебаний (моды) ре­зонатора можно рассматривать как результат интерференции плоских волн, распространяющихся от одного зеркала к другому. В результате в резонаторе образуются стоячие волны.

Нормальные типы колебаний открытого резонатора обознача­ют , чтобы показать, что векторы электрического и магнит­ного полей в большинстве случаев перпендикулярны продольной оси резонатора. Индексы — целые числа; равно числу полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора между его зер­калами. Для прямоугольных зеркал индекс означает число из­менений знака поля по оси , а — по оси . Для круглых зер­кал индекс означает число изменений знака поля вдоль радиу­са, а — по углу. Типы колебаний с различными и называют поперечными. Они отличаются друг от друга распределением ам­плитуды и фазы поля на поверхностях зеркал, а также дифрак­ционными потерями. Типы колебаний, имеющие одни и те же зна­чения и , но разные , называются продольными. Они отлича­ются друг от друга резонансной частотой. Интервал между час­тотами двух соседних, различающихся по величине на единицу, продольных колебаний в резонаторе с плоскими параллельными бесконечно протяженными зеркалами, составляет

, (11.1)

где — скорость света; — расстояние между зеркалами.

На рис 11.1 представлены структуры электрических полей для простейших нормальных типов колебаний для плоских зеркал прямоугольной и круглой форм. Стрелки указывают направление вектора напряженности электрического поля. Каждое колебание характеризуется двумя индексами и , так как каждому тако­му распределению соответствует целое семейство типов колеба­ний, отличающихся индексом . Число велико по сравнению с и (этот индекс в обозначениях типов колебаний обычно опускают). Тип колебаний с индексами называется ос­новным.

В лазерах сначала применялись резонаторы с плоскими зер­калами. В настоящее время такие резонаторы используются в твердотельных и полупроводниковых лазерах. Одним из досто­инств резонаторов с плоскими зеркалами является максимальная направленность выходного излучения.

Резонаторы, образованные двумя сферическими зеркалами с равной кривизной, находящимися друг от друга на расстоянии ра­диуса кривизны, называются конфокальными резонаторами.

Каждый тип колебаний характеризуется потерями, которые при отсутствии внутри резонатора активного вещества состоят из потерь в зеркалах и дифракционных потерь. При отражении из­лучения от зеркал наблюдаются частичное рассеяние и поглоще­ние излучения. Кроме того, для вывода полезного излучения одно из зеркал делается полупрозрачным. Эти потери можно оце­нить произведением , где и — коэффициен­ты отражения от зеркал по мощности.

При отражении плоской волны от зеркала конечных размеров возникает дифракция от края зеркала. Если в плоскости зеркала диаметра имеется синфазный фронт волны, то отраженная вол­на распространяется в пределах дифракционного угла, определя­емого

(11.2)

Вследствие конечности угла расхождения электромагнитной вол­ны и конечных размеров зеркал часть электромагнитной энергии теряется при каждом отражении.

Дополнительные потери получаются из-за рассеяния на опти­ческих неоднородностях активной среды, заполняющей резона­тор.

На (рис. 11.2) приведены значения дифракционных потерь мощ­ности ад за один проход волны для резонаторов с плоскими зер­калами и конфокальными сферическими зеркалами. Одним про­ходом волны называют прохождение излучением удвоенного рас­стояния между зеркалами ,так что излучение успевает отразить­ся по 1 разу от каждого зеркала резонатора. По оси абсцисс отложен параметр, называемый в оптике числом Френеля:

.

С уве­личением числа Френеля потери уменьшаются. Потери мощности на один проход в конфокальном резонаторе (сплошные линии) значительно ниже потерь в резонаторе с плоскими зеркалами (пунктир).

Часто используются полусферические резонаторы, у которых одно зеркало плоское, а второе — сферическое. Длина такого ре­зонатора равна половине радиуса кривизны сферического зерка­ла. Резонатор имеет низкие потери и мало критичен к изменению расстояния между зеркалами.

Открытые резонаторы по сравнению с закрытыми тех же раз­меров имеют значительно более разреженный спектр собственных частот. Однако необходимо применять дополнительные меры по разрежению спектра, потому что ширина контура спектральной линии активной среды много больше, чем расстояние между час­тотами соседних типов колебаний в открытом резонаторе, что при­водит к одновременной генерации нескольких типов. Это ухудшает когерентность выходного излучения и расширяет диаграмму на­правленности.

Разрежение спектра достигается созданием в открытом резо­наторе таких условий, при которых дифракционные потери для нежелательных типов колебаний больше, чем для рабочего коле­бания. Например, используя тот факт, что поле основного типа ко­лебания концентрируется вблизи оси резонатора и чем выше порядок поперечной моды, тем дальше от оси простирается поле, можно осуществить подавление поперечных типов колебаний выс­шего порядка путем введения внутрь резонатора специальной ди­афрагмы. Круглое отверстие в диафрагме подбирается таким образом, чтобы оно оказывало минимальное влияние на поле основно­го колебания, а по мере перехода к поперечным типам коле­баний более высокого порядка диафрагма будет вносить все большие дифракционные потери.

Один из методов селекции продольных типов колебаний основан на внесении в резонатор тонкой поглощающей пленки, которая избирательно ослабляет колебания, имеющие в плоскости пленки большую напряженность электрического поля. Те же типы колебаний, стоячая волна которых в плоскости пленки имеет узлы, будут ослабляться незначительно при условии, что толщина пленки много меньше длины волны. Один из самых простых методов получения одночастотного режима состоит в снижении мощности накачки до значения, близкого к пороговому, когда условия самовозбуждения выполняются только для центральной частоты спектральной линии.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]