Оптичні резонатори

де V a = S · l - обсяг активного середовища; S - площа поперечного перерізу активного середовища; l - її довжина; υ mp - різниця частот між основним і верхнім лазерним рівнями; dN / dt - швидкість переходу між рівнями.

Розрахунок ККД вимагає рішення рівнянь переносу Больцмана із залученням всіх відомих процесів зіткнення за участю електронів, в результаті яких відбувається порушення обертальних, коливальних і електронних ступенів свободи всіх присутніх в газі компонент.

Таким чином, розрахунок ККД стає досить складним завданням, тому на практиці часто використовують оцінну величину ККД.

Роль властивостей активного середовища і способів її збудження велика, проте на багато характеристик генерованого випромінювання величезний вплив роблять і властивості резонансної системи, в яку це середовище поміщена. Поки немає резонатора, активне середовище здатна лише підсилювати що проходить через неї випромінювання в довільному напрямку.

Основна функція оптичного резонатора полягає в тому, що частина посиленого випромінювання назад відправляється о активну середу знову для посилення і т. Д. Багаторазове пропускання через активне середовище зінверсної населенностью випромінювання в резонаторі зростає до рівня,

коли посилення за рахунок індукованого випромінювання перевищує втрати всередині резонатора. Таким чином, резонатор в лазері виконує функцію позитивного зворотного зв'язку [6].

Першим оптичним резонатором послужив звичайний интерферометр Фабрі - Перо, що складається з двох плоскопаралельних дзеркал. Одне з дзеркал є повністю непрозорим, а друге - напівпрозорим, крізь нього здійснюється висновок лазерного випромінювання. Зазвичай оптичні резонатори мають розміри, які набагато перевищують довжину хвилі лазерного випромінювання.

2.3.1. Модовая структура випромінювання лазера

В оптичному резонаторі інтерференція падаючої і відбитої хвилі призводить до утворення стоячої хвилі з подвоєною амплітудою, при цьому відбувається просторове перерозподіл напруженостей електричного і магнітного полів. Такі розподілу представляються як типи коливань або моди оптичного резонатора. Для різних мод прийнято позначення типу TEM mnq як скорочена назва для хвиль з напруженістю поперечного електричного і магнітного полів. При цьому m і n показують розподіл інтенсивностей на поперечному перерізі лазерного пучка, q показує число максимумів напруженості поля на осі лазера. Кожна мода, що відрізняється своїми значеннями m. n. q. володіє іншою частотою випромінювання. Нижчий тип коливань TEM 00 називається основний модою, для неї характерно гауссово розподіл інтенсивності.

На рис 2.8 показана модовая структура випромінювання в резонаторі (М 1 - непрозоре дзеркало; М 2 - напівпрозоре дзеркало).

На рис. 2.8, а представлений резонатор, в якому укладається n = 8 поперечних мод, на рис. 2.8, б резонатор з n = 10 модами, на рис. 2.8, в резонатор з n = 12 модами. Поздовжні моди TEM 00 q відрізняються один від одного тільки частотою коливань, в той час як поперечні моди розрізняються між собою як по частоті, так і за розподілом поля на дзеркалах резонатора. Кожна мода характеризується певним зрушенням фази за подвійний прохід резонатора, рівним 2π q.

З виразу (2.18) видно, що паралельно оптичної осі можуть поширяться невелика кількість мод з низькими втратами енергій. Всі інші моди резонатора відповідають хвилям, які майже повністю затухають після одного проходження через резонатор. Тому конструктивно оптичні резонатори виконуються у вигляді відкритих резонаторів. Вихідні параметри лазерного випромінювання обумовлені геометричній конструкцією оптичного резонатора. найбільш широко

2.3.2. Плоскопараллельний резонатор (резонатор Фабрі - Перо)

Плоскопараллельний резонатор складається з двох плоских дзеркал, розташованих на деякій відстані один від одного. Перша робота, присвячена вивченню плоскопараллельного резонатора, з'явилася в американських фізиків А. Шавлова і С. Таунса в 1958 р [8]. На рис. 2.9 показана оптична схема плоскопараллельного резонатора.