Optický rezonátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 12. ledna 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Optický rezonátor (laserový rezonátor) - sada několika reflexních prvků, které tvoří otevřený rezonátor (na rozdíl od rezonátorů s uzavřenou dutinou používaných v mikrovlnné oblasti ), tvořící stojatou světelnou vlnu. Optické dutiny jsou jedním z hlavních prvků laserů , poskytují pozitivní zpětnou vazbu, aby zajistily, že laserové záření projde aktivním prostředím vícekrát, což má za následek zvýšení světelného výkonu.

V optickém rozsahu nelze použít rezonátor o rozměrech řádově vlnové délky kvůli technologickým potížím a kvůli prudkému poklesu činitele jakosti; rezonátor typu uzavřené kovové dutiny velkých rozměrů ve srovnání s vlnovou délkou nelze použít kvůli vysoké hustotě jeho vlastních kmitů, což vede ke ztrátě rezonančních vlastností. Jsou zapotřebí rezonátory se vzácnějším spektrem vlastních kmitů. Tyto vlastnosti mají otevřené rezonátory, což určuje jejich použití v optické oblasti.

Světlo se opakovaně odráží a vytváří stojaté vlny s určitými rezonančními frekvencemi . Podélné vidy se liší zpravidla pouze frekvencí, zatímco příčné vidy mají výrazně odlišné rozložení intenzity v průřezu svazku. Nejčastěji používané optické rezonátory jsou tvořeny dvěma reflexními prvky jako jsou zrcadla nebo rohové reflektory a nejjednodušším optickým rezonátorem je Fabry-Perotův interferometr , který se skládá ze dvou plochých rovnoběžných zrcadel. U laserů se však pouzdro dvou plochých zrcadel příliš často nepoužívá kvůli složitosti ustavování. Používají se rezonátory se sférickými zrcadly. Takové rezonátory se liší v poloměru zakřivení (a tedy v ohniskové vzdálenosti) reflexních prvků a ve vzdálenosti mezi nimi. Geometrické parametry rezonátoru jsou voleny na základě požadavků na stabilitu a dalších faktorů, jako je například vytvoření nejmenšího pásu optického paprsku.

Optické dutiny jsou obvykle navrženy tak, aby měly nejvyšší kvalitativní faktor (řádově ): světlo se musí odrážet tolikrát, jak je to možné, aniž by se rozpadalo, takže šířka rezonančních vrcholů je velmi malá ve srovnání s frekvencí laseru. $10^{3}-10^{9}$

Režimy rezonátoru

Světlo v rezonátoru se opakovaně odráží od zrcadel. Odražené paprsky interferují , což způsobuje, že v rezonátoru se zadrží pouze určitá rozložení pole na určitých frekvencích, záření na jiných frekvencích nebo s odlišnou distribucí je rušeno interferencí nebo rychle opouští rezonátor. Rozdělení, která se opakují během jednoho úplného průchodu rezonátoru, jsou nejstabilnější a nazývají se vlastní módy nebo módy rezonátoru. Režimy optické dutiny se dělí do dvou skupin: podélné, které se liší frekvencí, a příčné, které se liší jak frekvencí, tak rozložením pole v průřezu paprsku. Základním příčným módem je obvykle Gaussův paprsek .

Výzkum A. Foxe a T. Lee v letech 1960-1961. poskytl jasný obraz o vytváření vlastních módů otevřeného rezonátoru zvážením změn v rozložení amplitudy a fáze původně rovinné vlny během jejích několika po sobě jdoucích průchodů rezonátorem. Foxova a Leeho analýza, kterou provedli pro otevřené rezonátory typu Fabry-Perot interferometr v několika geometrických konfiguracích (pravoúhlá plochá zrcadla, kulatá plochá zrcadla), jakož i pro konfokální sférická a parabolická zrcadla, vedla k následujícím závěrům:

Otevřené rezonátory se vyznačují diskrétní sadou vibračních režimů.
Homogenní rovinné vlny nejsou normálními módy otevřených rezonátorů
Elektromagnetické vlny odpovídající vlastním módům rezonátoru jsou téměř zcela příčné. Proto jsou režimy označeny symbolem TEM.
Režimy vyššího řádu mají vyšší difrakční ztrátu než základní režim.
Pro základní režim amplituda pole silně klesá směrem k okrajům zrcadla. Proto jsou jeho difrakční ztráty mnohem menší než ty, které se předpokládají na základě konceptu homogenních rovinných vln a jsou v reálných situacích zanedbatelné.

Modusová frekvence prázdné optické dutiny s ideálními nekonečně velkými zrcadly vyhovuje vztahu:

\Omega _{qnm}={\frac {c}{L}}(\pi q+(1+n+m)\arccos {\sqrt {g_{1}g_{2}}})

Kde - Úhlová frekvence vidu s indexy q,n,m. q - index podélného módu, n,m - indexy příčného módu. c je rychlost světla. L je vzdálenost mezi zrcadly pro plochý rezonátor a polovina obvodu pro prstencový rezonátor. - g-parametry rezonátoru (viz #Stabilita rezonátoru ). [jeden] ${\displaystyle \Omega _{qnm))$ $g_{1},g_{2}$

Typy rezonátorů

Optické rezonátory mohou obsahovat velké množství reflexních a jiných prvků, nejčastěji se však používají dvouzrcadlové rezonátory, jejichž zrcadla jsou plochá nebo kulová. V závislosti na poloměrech zrcadel a jejich vzájemném uspořádání se rozlišují následující typy dvouzrcadlových rezonátorů ( a jsou poloměry křivosti zrcadel): $R_{1}$ $R_{2}$

Planparalelní ( ) - tzv. Fabryho-Perotův rezonátor . Typ rezonátoru s planparalelními zrcadly široce používaný v laserové technologii je rezonátor s Braggovými reflektory , což jsou vícevrstvé dielektrické nebo polovodičové struktury. $R_{1}=R_{2}=\infty$

Konfokální ( ). Konfokální rezonátor je tvořen dvěma identickými sférickými zrcadly, jejichž ohniska a splývají. Pole v takovém rezonátoru je soustředěno blízko osy, což snižuje difrakční ztráty. Tento typ rezonátoru není příliš citlivý na nesouosost, ale objem aktivní oblasti je využíván neefektivně. $R_{1}=R_{2}=L$ $F_{1}$ $F_{2}$
Semikonfokální ( ). Semikonfokální rezonátor je tvořen jedním plochým a jedním sférickým zrcadlem, jejichž poloměr zakřivení je roven dvojnásobku délky rezonátoru. Svými vlastnostmi je podobný konfokálnímu rezonátoru s dvojnásobnou délkou. $R_{1}=2L,R_{2}=\infty$
Soustředné ( ). Soustředný rezonátor je tvořen dvěma kulovými zrcadly, jejichž osy a středy křivosti se shodují. V takových rezonátorech se difrakční ztráta pro neaxiální módy rychle zvyšuje, čehož se využívá pro volbu módu. $R_{1}=R_{2}=L/2$
Polosoustředné ( ). Tvořen jedním sférickým zrcadlem a jedním plochým zrcadlem, svými vlastnostmi se blíží vlastnostem koncentrického rezonátoru. $R_{1}=L,R_{2}=\infty$

Stabilita rezonátoru

Rezonátor se nazývá nestabilní, když se libovolný paprsek, postupně odražený od každého ze zrcadel, vzdaluje do neomezené vzdálenosti od osy rezonátoru. Naopak rezonátor, ve kterém paprsek zůstává v omezené oblasti, je považován za stabilní. V rezonátoru tvořeném dvojicí zrcadel lze pouze pro určitý rozsah délek rezonátorů a poloměrů zakřivení zrcadel splnit podmínky, které zajistí stabilní lokalizaci světla v rezonátoru, jinak se zvětší průřez paprsku. s každým průchodem se zvětší než rozměry zrcadel a nakonec se ztratí.

Poměr poloměrů křivosti zrcadel a optické délky rezonátoru pro zajištění stability (navíc 1. zrcadlo je vpravo a 2. vlevo a poloměr křivosti je považován za kladný, pokud paprsek, zleva doprava se setkává s konvexní částí sférického zrcadla; například pro soustředný případ: ) musí splňovat následující vztah: $R_{1}, R_{2}$ $L$ $R_{1}=-L/2<0,R_{2}=L/2>0$

0\leqslant \left(1+{\frac {L}{R_{1}}}\right)\left(1-{\frac {L}{R_{2}}}\right)\leqslant jeden.

Představení notace

g_{1}=1+{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

je vhodné graficky znázornit oblasti stability v souřadnicích . Tmavé oblasti na obrázku odpovídají hodnotám, při kterých je rezonátor stabilní. Na hranici těchto oblastí může být paprsek stabilní i nestabilní. $g_{1},g_{2}$

Nestabilní rezonátory

Nestabilní rezonátory a 2) rezonátory záporné větve, které odpovídají podmíncelze rozdělit do dvou tříd: 1) rezonátory kladné větve, které splňují podmínku Při tak malém průřezu vidu se nevyhnutelně omezuje výstupní výkon (energie) laserového záření, který lze získat v jednom příčném režimu. U nestabilních rezonátorů však pole nemá tendenci se koncentrovat v blízkosti osy a v režimu jednoho příčného vidu lze získat velký objem vidu. To však vyvolává další problém související s tím, že paprsky mají tendenci opouštět rezonátor. Proto mají odpovídající módy mnohem větší geometrické ztráty než módy stabilního rezonátoru. Tato okolnost však může být výhodná, pokud jsou paprsky, které se ztrácejí na výstupu z rezonátoru, zahrnuty do užitečného výstupního záření laseru. $g_{1}g_{2}>1$ $g_{1}g_{2}<0.$ $g_{1},g_{2}$

Prstencové rezonátory

Prstencový rezonátor je optický rezonátor, ve kterém se světlo šíří po uzavřené dráze v jednom směru. Objemové prstencové rezonátory se skládají ze tří nebo více zrcadel orientovaných tak, aby se světlo postupně odráželo od každého z nich, čímž došlo k úplné revoluci. Prstencové rezonátory nacházejí široké uplatnění v laserových gyroskopech a laserech .

Výběr módy

Výběr režimu je sada metod, které poskytují režim, ve kterém rezonátor podporuje pouze jeden nebo několik vybraných režimů oscilace. Všechny tyto metody jsou založeny na vytváření ztrát v optické dutině nebo zisku v aktivním médiu, které nejsou stejné pro různé režimy. Možností volby jak podélných režimů, jejichž pole kmitá (změny znaménka) podél osy rezonátoru, tak příčných režimů, jejichž pole kmitá i v příčném směru, je několik.

Výběr příčných režimů se obvykle používá k vytvoření generování pouze na nulovém příčném režimu, který má minimální průměr a vyznačuje se hladkým profilem intenzity a minimální divergencí. Volba se provádí zpravidla umístěním membrány do rezonátoru, která svými okraji zakryje všechny příčné vidy kromě nulového. Spolu s tím se někdy používají nestabilní rezonátory k volbě příčných módů, kdy jsou rozměry všech módů uměle zvětšeny do té míry, že zrcadla rezonátoru nebo aktivní prvek začnou hrát roli membrán. Možné jsou i jiné metody - například umístěním fotonických krystalů do rezonátoru . Podélný výběr režimu se používá hlavně k produkci monochromatického záření. Selekce z důvodu nestejných ztrát se provádí umístěním dalších polopropustných zrcadel nebo disperzních prvků (hranolů, mřížek, interferometrů) dovnitř rezonátoru.

Přídavná zrcadla spolu s hlavními tvoří jeden nebo více přídavných rezonátorů spojených s tím původním. Do generace jdou pouze ty podélné režimy původního dvouzrcadlového rezonátoru, které jsou nejméně spojeny s přídavným rezonátorem s nízkým Q. Disperzní prvky jako hranoly a mřížky vychylují paprsky o různých vlnových délkách pod různými úhly. V důsledku toho vzniká vysoce kvalitní rezonátor pouze pro úzké spektrum vidových frekvencí. Intrakavitální interferometry volí podélné vidy díky tomu, že mají dobrou průhlednost pouze pro úzké úseky vidového spektra. Selekce z důvodu nerovnoměrnosti zisku se provádí především u prstencových pevnolátkových laserů, v důsledku čehož v nich dochází k jednosměrnému generování (pojezdové vlně). Za těchto podmínek se začíná silně projevovat rovnoměrnost rozšíření zesilovací linie aktivního média a spektrum laseru se zužuje na jeden nebo dva módy.

Faktor kvality optických rezonátorů

Oscilační systémy jsou obvykle charakterizovány faktorem kvality Q. Faktor kvality rezonátoru lze určit několika způsoby, které jsou ekvivalentní při velkých hodnotách faktoru kvality. [2]

Aplikace optických rezonátorů

Viz také

Poznámky

↑ Radina T. V. , Stankevich A. F. Rezonance a parametrické jevy v problémech generace a šíření laserového záření. - Petrohrad: Nakladatelství St. Petersburg State University, 2009. - S. 39-43. — 231 s. - ISBN 978-5-288-04965-1 .
↑ Archivovaná kopie (odkaz není dostupný) . Získáno 1. července 2015. Archivováno z originálu 24. září 2015. (neurčitý)

3. Vznik a výběr příčných módů v laserových dutinách : monografie / A. V. Degtyarev, V. A. Maslov, V. A. Svich, A. N. Topkov. - H. : V. N. Karazin KhNU, 2017. - 212 s. ISBN 978-966-285-374-2