Фізичний енциклопедичний словник - оптичний резонатор

оптичний резонатор

пристрій, в к-ром можуть збуджуватися стоячі або біжать електромагнітного магн. хвилі оптич. діапазону. О. р. являє собою сукупність дек. дзеркал і явл. відкритим резонатором, на відміну від більшості об'ємних резонаторів, що застосовуються в діапазоні СВЧ. для # 61548;<0,1 см использование закрытых объёмных резонаторов, имеющих размеры порядка , затруднительно из-за

малості їх розмірів і великих втрат енергії в верстатах. Використання ж об'ємних резонаторів з розмірами l> # 61548 ;, також неможливо через порушення в них великої кількості власної. коливань, близьких по частоті, в результаті чого резонансні лінії перекриваються, і резонансні св-ва практично зникають. Однак виявилося, що при видаленні частини стінок об'ємного резонатора б. ч. його власної. коливань сильно загасає і лише мала частина їх (при належній формі залишилися стінок) загасає слабо. В результаті спектр утворився відкритого О. р. сильно розріджене.

Найпростішим О. р. явл. інтерферометр Фабрі mdash; Перо, що складається з двох плоских паралельних дзеркал. Якщо допустити, що між цими дзеркалами, розташованими на відстані L один від одного, нормально до них поширюється плоска хвиля, то в результаті відображення її від дзеркал в пр-ве між ними утворюються стоячі хвилі. Умова резонансу має вигляд: L = q # 61548; / 2, де q- ціле число, наз. поздовжнім індексом коливання (поздовжні моди). Власної. частоти О. р. утворюють арифметич. прогресію з різницею с / 2L (еквідистантним спектр). Насправді через вплив країв О. р. поле коливань залежить від поперечних координат і характеризується разл. поперечними індексами m і n, що визначають число осциляції електричні. і магн. полів в поперечних напрямках і розподіл струмів на поверхні дзеркал (рис. 1). Чим більше індекси m і n, тим число осциляції більше і тим вище загасання коливання, обумовлене випромінюванням в-во, т. Е. По суті дифракцией світла на краях дзеркал.

Мал. 1. Розподіл струмів, поточних по поверхні прямоку. дзеркала, для коливань з індексаміm = 2 іn = 1.

Резонансна крива плоского О. р. має вигляд, зображений на рис. 2. Оскільки коеф. загасання зростає зі збільшенням m і n швидше, ніж частотний інтервал між сусідніми коливаннями,

Рис, 2. Резонансна крива оптич. резонатора (схематично).

то резонансні криві, що відповідають великим m і n, перекриваються і відповідні коливання

не виявляються. Переходи. загасання, викликаного випромінюванням, залежить як від індексів m і n, так і від числа N зон Френеля, видимих на дзеркалі діаметром R з центру ін. дзеркала, що знаходиться від першого на відстані L: N = R2 / 2L # 61548 ;. при N

1 залишається 1 - 2 коливання, супутні осн. коливанню.

О. р. з плоскими дзеркалами чутливі до деформацій і перекосів дзеркал, що обмежує їх застосування. Цього недоліку позбавлені О. р. зі сферич. дзеркалами, в яких брало промені, неодноразово відбиваючись від увігнутих дзеркал, не виходять за межі обвідної поверхні - каустики. Оскільки хвиль. поле швидко убуває поза каустики при видаленні від неї, випромінювання з сферич. О. р. з каустик набагато менше, ніж випромінювання з плоского О. р. Розрідження спектра в цьому випадку реалізується завдяки тому, що розміри каустики, що обмежує поле, зростають з ростом т і п. Для коливань з великими m і n каустика виявляється розташованої поблизу краю дзеркал або зовсім не формується, і ці коливання дають великий внесок у випромінювання. Такі сферич. О. р. наз. стійкими, т. к. Параксіальний промінь при відображенні не йде з пріосевой області (рис. 3, а). Стійкі О. р. застосовуються в газових лазерах і ін.

Іноді використовуються нестійкі О. р. в яких брало зовн. каустика утворитися не може; промінь, що проходить поблизу осі резонатора під малим кутом до неї, після віддзеркалень необмежено віддаляється від осі. На рис. 3, б дана діаграма стійкості О. р. при разл. співвідношеннях між радіусами R 1 і R 2 дзеркал і відстанню L між ними. Незаштриховані області відповідають наявності каустик, заштриховані - великим загасання. Точки (на малюнку кружечки), відповідні резонаторам з плоскими П і концентричних До дзеркалами, лежать на кордоні заштрихованих і незаштриховані областей; З - софокусних, С '- плоске і увігнуте дзеркала (половина софокусних резонатора). На кордоні між стійкими і нестійкими О. р. розташовані софокусних О. р. в яких брало фокуси обох дзеркал (віддалені на відстані R 1/2 та R 2/2 від відповідного дзеркала) збігаються, в т. ч. телескопічний О. р. що складається з малого опуклого і великого увігнутого дзеркал. Втрати на випромінювання в нестійких О. р. для коливань вищих типів в них значно більше, ніж для осн. коливання. Це дозволяє домогтися одномодової генерації лазера і пов'язаної з нею високою спрямованістю випромінювання.

Існують різні доповнить. методи розрідження спектра (з е л е к ц і й м о д), пов'язані з виміром профілю країв дзеркал, із застосуванням лінз, системи пов'язаних О. р. та ін.

Мал. 3. a - освіту каустики у резонатора зі сферич. дзеркалами; б - діаграма стійкості О. р.

Селекція поздовжніх мод (що мають однакове поперечне розподіл поля) вимагає застосування дисперсійних елементів (призм, дифракції. Решіток, еталона Фабрі - Перо).

Мал. 4. Кільцеві оптич. резонатори: а, б, в - ізотропні; г - анізотропний (1 - газорозрядні трубки, 2 - осередок Фарадея, 3 - полуволновой пластина).

Але вони вносять в О. р. великі втрати і використовуються тільки в тих випадках, коли посилення активного середовища лазера велике (напр. в лазерах на барвниках). Селекція поздовжніх мод можлива також при введенні в О. р. анізотропних елементів (кристали з подвійним променезаломлення, оптично активні в-ва і ін.). Для селекції поперечних мод застосовується діафрагмування пучка всередині О. р. При використанні кільцевих О. р. (Рис. 4) осн. проблемою явл. зменшення вз-наслідком між зустрічними хвилями. Для цього хвилі «розводять» по частоті за допомогою навзамін анізотропних елементів, а їх поляризації намагаються зробити ортогональними.

• Вайнштейн Л. А. Відкриті резонатори і відкриті хвилеводи, М. 1966; Ананьїв Ю. А. Кутове розходження випромінювання твердотільних лазерів, «УФН», 1971, т. 103, ст. 4; його ж. Оптичні резонатори і проблема розходження лазерного випромінювання, М. 1979.

С. А. Елькінд, В. П. Биков.