ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Резонаторы с возвратными отражателями . Резонаторы с вращением поля из "Оптические резонаторы и лазерные пучки " Проблема однонаправленности генерации и кольцевые неустойчивые резонаторы. В большинстве применений кольцевых резонаторов необходимо (или по меньшей мере желательно), чтобы весь поток генерируемого излучения обходил кольцо только по одному из двух возможных направлений. В первую очередь это избавляет от неприятностей, связанных с тем, что в противном случае сквозь пол)шрозрачное зеркало или путем дифракционного вывода из резонатора удается выпустить только сразу два пучка, между которыми делится общая мощность. Кроме того, однонаправленный режим (или режим бегущей волны) полезен для достижения предельно узкого спектра генерации модуляция интенсивности вдоль оси резонатора, являющаяся у многих лазеров одной из важнейших причин многочастотной генерации, здесь отсутствует. [c.236] Особенности неустойчивых резонаторов навели нас в свое время на мысль, что арсенал средств для достижения режима бегущей волны может быть с их помощью дополнен. Дело в том, что при больших дифрак-щсонных потерях ход лучей становится существенно необратимым (о чем свидетельствует хотя бы то, что генерация на одной сходящейся волне существовать не может). Поэтому в отличие от случая резонаторов с малыми потерями в кольцевых неустойчивых резонаторах волны с противоположным направлением обхода заполняют объем резонатора совершенно по-разному. [c.237] Вскоре проведенное нами же более детальное рассмотрение [38] прояснило ситуацию. Указанные моды малого сечения здесь все же не только существуют, но и имеют в точности такие же потери, как моды с направлением обхода по часовой стрелке. Эта закономерность носит универсальный характер и вытекает из того, что интегральные уравнения для разных направлений обхода являются союзными (т.е. отличаются лишь тем, что в формуле для ядра меняются местами начальные и конечные координаты) и потому имеют одинаковые спектры собственных значений. [c.237] Помимо проведения соответствующего рассмотрения в дифракционом приближении, в [38] была также дана простая геометрическая трактовка найденных закономерностей (совершенно аналогичный геометрический анализ был вьшолнен много позже в [192]) приведем ее. [c.237] Совершенно аналогична ситуация для резонаторов типа рис. 4.66. Распределению излучения в плоскости диафрагмы здесь соответствует угловое распределение в селекторе. Подробнее все это рассмотрено в [38], а также в [16], 3.5. [c.238] в кольцевых неустойчивых резонаторах даже при угловой селекции излучения помимо волн с желательным направлением распространения существуют также волны с противоположным направлением обхода и теми же потерями. Излучение первых из них заполняет все сечение резонатора потери в этом случае вызваны главным образом тем, что часть пучка проходит мимо зеркала (ничтожные дифракционные хвосты распределений задерживаются все же и диафрагмой или другим селектирующим элементом). Излучение волн с противоположным направлением обхода при разумном выборе параметров селектора интенсивно лишь в области с небольшими поперечными размерам здесь потери обусловлены преимущественно тем, что часть излучения рассеивается на селектирующем элементе, однако они остаются прежними. Подчеркнем, что равенство собственных значений для этих двух родов волн вытекает из самих общих свойств интегральных уравнений и не может быть нарушено даже при наличии неравномерно распределенной инверсной населенности. [c.238] Действительно, уже к 1973 г. в кольцевом неустойчивом резонаторе без угловой селекции было экспериментально достигнуто отношение встречных потоков генерируемого излучения, равное 18 [168]. К сожалению, решить упоминавшуюся нами вначале проблему получения узкого спектра генерации на этом пути не удается ведь б неустойчивых резонаторах излучение растекается из играющего роль задающего генератора центрального участка сечения (см. рис. 3.8), а там существуют обе волны. Таким образом, вентильные устройства могут оказаться необходимыми и здесь. [c.239] Призменные отражатели используются преимущественно в импульсных лазерах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Смысл их применения поясняет рис. 4.14j. Наличие соответствующим образом ориентированного клина внутри такого резонатора не приводит ни к разъюстиров-ке последнего, ни к изменению направления излучения, выходящего через полупрозрачное плоское зеркало, — резонатор теряет чувствительность к волновым аберрациям первого порядка. Нетрудно видеть, что благодаря перевороту сечения пучка при отражении от призмы перестают ощущаться и другие волновые аберрации нечетных порядков чувствительность по отношению к симметрично распределенным источникам искажений остается. [c.239] Отсутствие влияния клина на направление выходящего из резонатора пучка здесь связано, по существу, с тем, что лучи геометрического решения перпендикулярны поверхности выходного зеркала, которое тем самым оказывается опорным элементом, задающим указанное направление. В неустойчивых резонаторах подобный элемент отсутствует, и влияние аберраций нечетных порядков при введении операции переворота сечения подавляется лишь частично. [c.239] Будем исходить из того очевидного обстоятельства, что в присутствии клина выходящий из телескопического резонатора пучок остается параллельным, а его направление задается направлением оси резонатора. Последнюю, в свою очередь, можно определить как траекторию луча, который после каждого отражения от зеркала или призмы возвращается назад по тому же пути. Исходя из этого определения, нетрудно видеть, что ось резонатора должна проходить через центры кривизны зеркал и вершины призм, их которых этот резонатор состоит. [c.240] К числу важных достоинств призменных резонаторов относится также малая чувствительность к разворотам их элементов. Действительно, наклон зеркала с радиусом кривизны R на угол вызывает поперечное перемещение центра его кривизны на расстояние eR, Можно показать, что такой же разБсрот призмы относительно ее вершины вызывает поперечное смещение опорной точки, через которую проходит ось резонатора, лишь на величину порядка eh(l — 1/я), где п — показатель преломления вещества призмы, Л — ее толщина вдоль направления оси резонатора. Обычно h/R 10 , и требования к точности ориентации призм (в зависимости от числа их граней по одному или обоим направлениям) оказываются на два— три порядка ниже требований, предъявляемых в случае зеркал. Наконец, в схеме рис. 4.146 благодаря большому расстоянию между опорными точками разворот выпуклого зеркала также вызывает значительно меньший эффект чем в обычном телескопическом резонаторе. [c.241] Все эти свойства призменных резонаторов столь привлекательны, что широкому их применению могло помешать лишь существование серьезных недостатков таковые действительно имеются. Весьма неприятной является поляризационная анизотропия, связанная с тем, что линейно поляризованное излучение после отражения от любой поверхности при значительных углах падения приобретает различные фазовые набеги в зависимости от того, лежит ли плоскость поляризации в плоскости падения или перпендикулярна ей. Отсюда следует, в частности, что если исходная плоскость поляризации была ориентирована в каком-либо промежуточном направлении, после отражения свет приобретает эллиптическую поляризацию. [c.241] В случае резонаторов, содержащих одну двугранную призму либо составленных из двух таких призм с параллельными ребрами, поляризационная анизотропия не приводит к особо неприятным последствиям. Нетрудно видеть, что здесь линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, параллельной или перпендикулярной ребрам отражателей, после полного обхода резонатора сохраняет первоначальное состояние поляризации. Отсюда следует, что собственные колебания подобных резонаторов могут иметь одно из этих двух напраддений плоскости поляризации. Вследствие разного набега фаз им соответствуют различные собственные частоты, поэтому решений с другими поляризационными состояниями, всегда являющимися суперпозицией этих двух, не существует. [c.241] Однако среди недостатков призменных элементов еще важнее то, что добиться такой точности их изготовления, чтобы фронт плоской волны после отражения от них не имел изломов , весьма трудно, а подчас и невозможно. В особенности это касается триппель-призм поэтому составленная из них схема типа рис. 4.14в, предложенная в [122], может оказаться полезной главным образом тогда, когда точная юстировка элементов резонатора затруднена, а активная среда не слишком однородна, так что особенно высоких требований к пространственной когерентности излучения предъявлять все равно нельзя. [c.242] Если точная юстировка осуществима (по крайней мере в одной плоскости) и желательна повышенная лучевая стойкость элементов резонатора, может использоваться система из двух двугранных призм (призмы обычно обладают большей лучевой прочностью, чем зеркала). Наконец, когда оптические неоднородности в значительной степени сводятся к переменному во времени клину по одному из направлений (что бывает из-за вибрации элементов резонатора), направление излучения может быть стабилизировано применением схемы рис. 4.146 с двугранной призмой. Высокая эффективность этого способа, рекомендованного в [И], была проверена на практике [65]. [c.242] Другой важной задачей, которая может быть возложена на возвратные отражатели, является выравнивание распределения интенсивности в присутствии значительной неравномерности распределения усиления. Отметим, что клин и градиент коэффициента усиления отличаются, с точки зрения математического их описания, лишь тем, что в одном случае линейно зави сящая от поперечной координаты поправка к величине показателя преломления действительна, а в другом она является мнимой. Отсюда следует, что присутствие возвратных отражателей выравнивает распределение интенсивности в той же степени, в какой стабилизирует направление излучения. [c.242] Указанная задача особенно актуальна в случае лазеров с поперечным протоком активной среды (см. конец 3.4),работаюших, главным образом, в далеком инфракрасном диапазоне, где прозрачные призмы полного внутреннего отражения едва ли осуществимы. Однако даже если число Френеля велико и необходимы не плоские, а неустойчивые резонаторы, отсутствие призм обычно не является непреодолимым препятствием для реализации соответствующих схем. Так, в случае однопроходовых резонаторов требуемые значения коэффициента увеличения М обычно невелики, что позволяет отказаться от конфокального варианта резонатора удовлетворительное заполнение рабочего сечения излучением генерации достигается и в резонаторе из плоского и слегка выпуклого зеркал. Заменив плоское зеркало на составленный из двух плоских зеркал двугранный 90-градусный отражатель, получаем искомое резонаторное устройство. Для выравнивания интенсивности ребро отражателя должно быть ориентировано, очевидно, перпендикулярно направлению потока среды. [c.242] Еще одна касающаяся лазеров на макроскопически неоднородных средах и связанная с возвратными отражателями идея высказывалась А.Ф. Сучковым еще в 60-х годах и стала активно обсуждаться в последнее время (например, [75]). Эта идея сводится к замене одного из зеркал широкоапертурного плоского резонатора на множество установленных вплотную друг к другу возвратных отражателей. [c.243] Смысл указанного приема становится понятным, если принять во внимание, что угловая расходимость излучения лазера с плоским резонатором на неоднородной среде ограничена снизу значением JKlJL (см. 3.2, AL — вариация оптической длины резонатора на его рабочем сечении) и обычно ненамного его превышает. Заменяя зеркало плоского резонатора на один большой возвратный отражатель, мы уже уменьшаем AL (за счет симметризации) и тем самым снижаем расходимость, однако при больших апертурах и неоднородной среде последняя продолжает во много раз превышать дифракционный предел. [c.243] Вернуться к основной статье