На головну

резонатор

Резонатор є оптичною системою, що дозволяє сформувати стоячу електромагнітну хвилю і отримати високу інтенсивність випромінювання, необхідну для ефективного протікання процесів вимушеного випромінювання збуджених часток робочого тіла лазера, а отже, когерентного посилення генерується хвилі. Оптичні резонатори в квантовій електроніці не тільки збільшують час життя кванта в системі і ймовірність вимушених переходів, а й так само, як резонансні контури і хвилеводи визначають спектральні характеристики випромінювання.

В довгохвильовому діапазоні класичної електроніки довжина хвилі випромінювання істотно більше розмірів контуру і його спектральні характеристики визначаються зосередженими параметрами електричного кола. Довгі радіохвилі при цьому випромінюються в простір практично изотропно. При скороченні довжини хвилі і перехід в СВЧ-діапазону для формування електромагнітної хвилі використовуються пустотілі об'ємні резонатори з розмірами, порівнянними з довжиною хвилі. При цьому з'являється можливість формування спрямованих (анізотропних) розподілів випромінювання в просторі за допомогою зовнішніх антен. В ІК і видимому діапазоні довжина хвилі випромінювання багато менше розмірів резонатора. В цьому випадку оптичний резонатор визначає не тільки частоту, але і просторові характеристики випромінювання.

Найпростішим типом резонатора є резонатор Фабрі-Перо, що складається з двох паралельних дзеркал, розташованих один від одного на відстані Lp. У технологічних лазерах резонатор Фабрі-Перо використовується вкрай рідко через великі дифракційних втрат. Найчастіше використовуються резонатори з однією або двома сферичними відбивають світло. Властивості цих резонаторів залежать від знака і величини радіусу їх кривизни R, а також від Lp і визначаються стабільністю існування в ньому електромагнітної хвилі.

У так званому стійкому (стабільному) резонаторі розподіл поля відтворюється ідентично при багаторазових проходах випромінювання між дзеркалами і має стаціонарний характер. В результаті поперемінного відображення електромагнітних хвиль від дзеркал хвиля формується таким чином, що в наближенні геометричної оптики не виходить за межі дзеркал в поперечному напрямку і виводиться зі стійкого резонатора тільки завдяки частковому пропускання самих елементів, що відображають. У разі відсутності втрат, випромінювання могло б існувати в усталеному резонаторі нескінченно довго. У нестійкому (нестабільному) резонаторі світлові пучки (або описують їх електромагнітні хвилі) в результаті послідовних відображень від дзеркал переміщуються в поперечному осі резонатора напрямку до периферії і залишають його.

Властивості резонаторів і характеристики створюваних ними пучків можна описувати і в хвильовому, і в геометричному наближенні. Як критерій застосовності цих наближень зручно використовувати так зване число Френеля  , Де a, L - характерні розміри завдання поперек пучка і вздовж напрямку його поширення. Умова NF>> 1 відповідає застосовності геометричного наближення. при NF? 1 необхідно враховувати також хвильові властивості електромагнітного випромінювання.


 У геометричному наближенні умова стійкості резонатора має вигляд:  . Відстань між дзеркалами Lp в цьому виразі завжди позитивно, а R1 і R2 позитивні тільки для увігнутих тобто фокусирующих дзеркал і негативні для дзеркал з опуклою поверхнею. Для стійких резонаторів існує стаціонарний розподіл інтенсивності електромагнітного поля. У загальному випадку інтенсивність випромінювання в стійких резонаторах розподілена не рівномірно по всьому об'єму резонатора, а зосереджена всередині області, званої каустик (Рис.9). радіуси w1, w2, Цій галузі на дзеркалах а також її мінімальний радіус w0 в місці перетяжки визначаються довжиною хвилі і параметрами резонатора (R1, R2, Lp). Для основного типу коливань їх можна розрахувати за допомогою співвідношень:

відстані L1 L2 від місця положення перетяжки до дзеркал складають: .

Найбільшого поширення набув серед стійких резонаторів полуконфокальний резонатор, у якого одне дзеркало плоске (R2= ?) а друге має радіус R1= 2LP тобто його фокус лежить на плоскому дзеркалі. Основне зручність полуконфокального резонатора, що визначає його широку поширеність, полягає в можливості використання для виведення випромінювання плоских вікон з частково прозорих матеріалів а також в паралельності виходить пучка. У разі використання металевих дзеркал випромінювання можна виводити через одне з них або систему отворів.

Стійкий резонатор порівняно простий в експлуатації. Він легко юстіруется, досить стійкий по відношенню до раз'юстіровке. Його сферичні дзеркала порівняно легко піддаються виготовленню і контролю радіуса кривизни. Тому вони знаходять широке застосування в лазерній техніці, особливо в техніці малопотужних (? 1 кВт) лазерів. До числа недоліків стійких резонаторів слід віднести розбіжність обсягу каустики з об'ємом активного середовища, що призводить до зменшення ККД і збільшення розмірів лазера, а також підвищені значення щільності потужності при перетягуванні, що в разі її малих розмірів може привести до оптичного пробою. Однак найсерйознішим недоліком стійких резонаторів є невисока променева стійкість використовуваних як вихідних вікон діелектричних оптичних матеріалів. Саме ця обставина обмежує використання стійких резонаторів при великій щільності випромінювання.

У лазерах підвищеної потужності останнім часом широкого поширення набули нестійкі резонатори зі сферичними металевими дзеркалами. Найбільш часто в лазерній техніці використовується телескопічний конфокальний нестійкий резонатор, що дає на виході паралельний пучок. Одне з його дзеркал опукле, а інше увігнуте. Генерація виникає в пріосевой зоні. Покидає цю зону випромінювання посилюється при багаторазових проходах між дзеркалами, зміщуючись до периферії резонатора. Відносна величина зміщення положення променя на опуклому дзеркалі за один прохід називається коефіцієнтом збільшення резонатора  . На відміну від сталого резонатора прозорість нестійкого резонатора визначається не пропусканням випромінювання вихідним дзеркалом, а геометричними розмірами системи. Через геометричного розширення випромінювання його інтенсивність падає на одному проході в М2 раз. Однак в стаціонарних умовах при малих внутрірезонансних втрати посилення випромінювання на одному проході також складе М2. Таким чином, весь нестійкий резонатор заповнений випромінюванням з практично однаковою інтенсивністю, що на відміну від стійких резонаторів забезпечує повне і рівномірне використання всієї активної середовища. Якщо додати до цього високу променеву стійкість металевих дзеркал, то перевага нестійких резонаторів для потужних лазерних систем стає очевидним.




 МОСКОВСЬКИЙ державного технічного університету імені Н. Е. БАУМАНА |  Вступ |  Технічні характеристики |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати