Оптические резонаторы неустойчивые

Исследования влияния термооптических искажений на характеристики лазерного излучения развивались в общем русле работ, направленных на совершенствование лазерных оптических резонаторов как устройств преобразования запасаемой в активном элементе энергии в излучение с заданными характеристиками, и в значительной мере стимулировали эти работы практически неизбежное наличие термооптических искажений в резонаторе едва ли не в большей степени, чем другие источники аберраций, приводит к значительному ухудшению лазерных характеристик. Специфичное для термооптических искажений пространственно неоднородное двулучепреломление приводит к ряду своеобразных эффектов в лазерном излучении (самопроизвольной поляризации лазерного излучения [37, 91], резкому ухудшению контраста электрооптических затворов [138, 154] и т.п.). Устранение влияния неоднородной оптической анизотропии на характеристики излучения представляет значительные трудности не только в резонаторах устойчивой конфигурации [52, 60, 88, 92], но и при использовании неустойчивых резонаторов, которые значительно менее чувствительны по сравнению с прочими типами резонаторов к аберрациям, и при компенсации аберраций весьма мощными и перспективными методами обращения волнового фронта при нелинейных вынужденных рассеяниях [21,41,96]. [c.7]

Детальное описание полей оптических резонаторов различного вида (устойчивых, плоских, неустойчивых во всевозможных их модификациях) содержится в книге Ю. А. Ананьева [1], специально посвященной данным вопросам. [c.65]

Рис. 4.3. Оптические схемы неустойчивых резонаторов (слева) и формы выходного пучка круглого и прямоугольного сечения (справа) при круглой и прямоугольной форме активного элемента и зеркал. На схеме д П— поляризатор. ХЦ — четвертьволновая пластинка

Оптический резонатор должен обеспечивать высокие значения энергетической эффективности генерации излучения. Практически в технологических лазерах применяются три типа оптических резонаторов многопроходные устойчивые (ЛГТ-2.01, мод. 973, RS-1500), неустойчивые (ТЛ-5М) и волноводные, близкие по свойствам к устойчивым. Используемые в технологических лазерах резонаторы обеспечивают качество излучения с расходимостью [c.437]

При многократных проходах через резонатор возрастающее сечение пучка оказывается ограниченным конечными размерами характерной для резонатора апертурной диафрагмы часть излучения при этом выходит из резонатора. Указанная структура поля определяет специфику конструктивного выполнения оптических схем лазеров с неустойчивыми резонаторами именно ту часть излучения, которая выходит за границы указанной диафрагмы, и используют для вывода излучения из резонатора. [c.82]

Отметим, что резонатор с подобным описанному выше петлеобразным ходом оптической оси может быть выполнен и неустойчивым, сохранив все преимущества призменного резонатора по схеме на рис. 3.19, в. [c.150]

Из соотношения (4.39) и рис. 4.8 следует, что, варьируя оптическую длину правого плеча с о, можно в широких пределах изменять потери основной моды в резонаторе такого типа. Это обстоятельство, как будет показано далее, является основой алгоритма построения динамически стабильных неустойчивых резонаторов. [c.210]

В целом итог этих исследований сводится к следующему [10, 118. В случае, когда граница ограничивающей апертуры очерчена резко и расположена симметрично относительно оптической оси моды, рассеивание основной моды на границе происходит на значительные углы, волны рассеивания от различных участков границы имеют одинаковую фазу и ири интерференции усиливают друг друга. Это приводит к тому, что структура излучения неустойчивого резонатора в этом случае имеет весьма сложный вид. Поперечная структура излучения изрезана, имеет место вырождение поперечных мод различного порядка по потерям. Все это приводит к низкому качеству поперечной структуры выходного излучения. [c.233]

Рис. 4.16. Зависимость коэффициента увеличения неустойчивого резонатора от оптической силы ТЛ АЭ

В неустойчивом резонаторе, геометрия которого характеризуется большой величиной параметра Френеля (М 2п), формирование собственных типов колебаний определяется главным образом геометрооптическими эффектами. Распределение амплитуды собственной волны в поперечном сечении резонатора имеет правильный монотонный характер. В отличие от волн устойчивого резонатора здесь амплитуда поля на краях зеркала может иметь существенное значение. Основная мода характеризуется однородным распределением поля. Амплитуда мод высшего порядка возрастает по мере удаления от оптической оси. Коэффициенты потерь мод в таком резонаторе значительно больше, чем в соответствующем устойчивом резонаторе. Монотонно нарастающая зависимость потерь от поперечных индексов здесь сохраняется. Зависимость потерь от параметра Френеля, естественно исчезает (из-за малости дифракционных эффектов). [c.14]

За период 1980-1989 гг. проведен большой объем экспериментальных и теоретических работ с целью повышения мощности и КПД лазера на парах меди, исследования структуры и повышения качества его выходного излучения [124-132]. Установлено, что структура излучения с оптическим резонатором многопучковая (обычно наблюдается от трех до пяти пучков). Каждый пучок излучения обладает своими пространственными, временными и энергетическими характеристиками. Применение неустойчивого резонатора телескопического типа с коэффициентом увеличения М = 50-300 приводит к формированию пучков излучения с расходимостью близкой к дифракционной и дифракционной. В режиме работы с одним зеркалом структура излучения двухпучковая. С одним выпуклым зеркалом, радиус кривизны которого на два порядка меньше длины АЭ, формируется пучок с расходимостью близкой к дифракционной и с высокой стабильностью характеристик [131, 132]. Исследована структура излучения и его характеристики в лазерных системах типа ЗГ-УМ [126-132. [c.25]

Главные отличия импульсного ЛПМ (как и других ЛПМет на RM-переходах) от лазеров других типов — короткое время существования инверсии населенностей (т = 10-40 не), соизмеримое со временем пробега излучения в резонаторе (длиной 0,5-2,0 м), и большие усиления активной среды (десятки и сотни децибел). ЛПМ может работать в режиме сверхсветимости — без зеркал или с одним зеркалом, но расходимость при этом из-за низкой когерентности большая. В ЛПМ с оптическим резонатором за время существования инверсии (т) излучение успевает пройти в резонаторе лишь несколько раз (N — т/ Ь/с), где с — скорость света, L — длина резонатора) и моды в обычном их понимании, образующиеся в результате дифракции на зеркалах, формироваться не успевают. Для формирования в импульсных лазерах пучков излучения с малой расходимостью в работах [67-71] был применен неустойчивый резонатор (HP) телескопического типа. [c.107]

Пространственная структура лазер- ного пучка зависит от геометрии оптического резонатора. От других известных типов резонаторов (например, микроволновых) оптический отличается тем, что его размеры велики по сравнению с длиной волны [ (Ю" 10 ) X], поэтому он обладает большим числом мод. Однако это открытый резонатор, образованный двумя далеко разнесенными зеркалами, и большинство мод характеризуется сильным затуханием из-за ухода излучения за его пределы. Моды с малыми потерями должны (в приближении геометрической оптики) соответствовать такому направлению распространения излучения, чтобы после повторных проходов и отражений излучение не выходило из резонатора. Требование существования таких мод налагает ограничения на соотношение между длиной резонатора и радиусами кривизны его зеркал, известные как условия устойчивости (неустойчивый резонатор может использоваться только в системах с очень высоким уровнем усиления в активной среде). Из-за ограниченного размера зеркал распространение света в резонаторе сопровождается дифракционными явлениями, и в общем случае задача расчета поля в резонаторе оказывается довольно сложной. [c.449]

Построение же компактной оптической системы большой оптической длины, как было показано в предыдущих параграфах, связано с определенными трудностями. В частности, в таких оптических системах имеет место сильная фокусировка излучения на копцевом зеркале. Когда подобные явления становятся трудно преодолимыми, например, при Wq 2 мм или при работе лазера с очень высокой пиковой мощностью, целесообразно использовать схемы резонаторов неустойчивой конфигурации. В этом случае, как следует из рис. 4.10, возможно использование достаточно компактных схем с [c.232]

Рис. 7.13. Простой линейный оптический резонатор. Излучение из резонатора выводится различными способами с помощью частично просветленного зеркала, с помощью отверстия, высверленного в одном из глухих зеркал, или с использованием лучей, претерпевщих дифраквд1Ю на краях зеркала (в неустойчивых резонаторах).

Все оптические элементы ОКГ изготовляются из материала, прозрачного для диапазона генерируемых длин волн (9,6 10,6 мкм). К таким материалам относятся КВг, Na l они неустойчивы и плохо поддаются обработке, поэтому лазеры на основе СО а, как правило, работают с внутренними зеркалами. Использование германия осложняется его высокой стоимостью и еще большими трудностями обработки. В качестве резонатора используются два зеркала — либо оба плоские, либо одно сферическое, а другое плоское, либо оба сферические. [c.46]

До сих пор в этой главе мы рассматривали ФКМ двух волн, распространяющихся в одном и том же направлении эти волны отличались друг от друга длинами волн или состояниями поляризации. Третий возможный случай когда две волны с одинаковыми частотами и состояниями поляризации распространяются по световоду в противоположных направлениях. Прямая и обратная волны будут взаимодействовать друг с другом за счет ФКМ. Такое взаимодействие может привести к качественно новым свойствам, проявляющимся в виде оптической бистабильности [63 66], когда волоконный световод используется для создания нелинейного кольцевого резонатора. Также это может привести к оптическим неустойчивостям и хаосу [67, 68]. Особый интерес представляет невзаимность, вызванная ФКМ она может воздействовать на работу волоконных гироскопов [69- 74] и волоконных ВКР-лазеров [75]. [c.209]

Немного сложнее только с излучением, выходящим из резонатора через одно из концевых зеркал (или проходящим мимо него, как в неустойчивых резонаторах, см. далее). Чтобы обеспечить тождественность распределений полей и во внешнем пространстве, следует дополнить комбинацию, заменяющую полупрозрачное зеркало (на рис. 2.5 - правое), еще одной тонкой линзой, расположенной по другую сторону плоского зеркала эквивалентного резонатора (изображена штриховыми линиями). Если свет выходит через полупрозрачное зеркало без изменения направления лучей или проходит мимо него, дополнительная линза должна иметь / = —R, компенсируя внутреннюю линзу. В том случае, когда полупрозрачное сферическое зеркало исходного резонатора само обладает определенной оптической силой Ilf iio отношению к проходящему через него свету (что имеет место, нацример, при плоской задней его поверхности), внешней линзе эквивалентной системы должна приписьшаться оптическая сила [c.72]

Крзошомасштабные аберрации в неустойчивых резонаторах. В случае неустойчивых резонаторов разлагать в ряды по собственным функциям нельзя [28], и от теории возмущений приходится отказаться зато геометрический подход может быть использован уже без каких-либо оговорок и в еще более простой модификации. Дело в том, что ход лучей, соответствующих низшим модам плоского резонатора, сильно меняется под воздействием самых ничтожных фазовых аберраций (ср. рис. 2.18 и ЪПа), В то же время на протяжении большей части сечения неустойчивого резонатора шаги луча по зеркалу столь велики ( удаление луча от оси на каждом двойном проходе возрастает в М раз), что небольшие аберрации на траекторию луча практически не влияют. Поэтому здесь можно считать ход лучей совпадающим с ходом при идеально однородной среде, а величину набегающего за счет неоднородности искривления волнового фронта — равной разности оптических путей по соответствующим траекториям. [c.159]

Рис. 3.8. К вопросу о влиянии аберраций в неустойчивых резонаторах а, б — телескопический резонатор и резонатор из софокусных вогаутых зеркал в, г - оптические линии, эквивалентные этим резотаторам

В подавляющем большинстве широкоапертурных импульсных лазеров применяются неустойчивые резонаторы. Сферой применения плоских остаются малопривлекательные лазеры на средах либо с аномально малыми усилениями, либо с очень большими оптическими неоднородностями, либо, наконец, с неодновременным возбуждением среды по всему сечению. Не останавливаясь на этих специфических случаях, немного обсудим вопрос [c.209]

Впервые положительный эффект за счет перехода к неустойчивому резонатору был достигнут в [61] правда, из-за относительно малых размеров стержня этот эффект как при использовавшемся вначале полупрозрачном выходном зеркале, так и при дифракционном вьюоде [62] был незначительным. В большей части последующих экспериментов применялся описанный в [37] высокоэффективный лазер на намного большем стержне диаметром 45 мм и длиной 600 мм, послуживший прототипом для многих генераторов, серийно вьшускаемых вплоть до настоящего времени. Здесь осевая сила света при замене плоского резонатора на неустойчивый (с дифракционным выводом) повысилась уже в десятки раз. Угловая расхо-димость излучения, измеренная по уровню половинной интенсивности, уменьшилась от в 10 до 1 10 " рад, по уровню половинной энергаи -от 1,5 10 до 2 10 рад [62]. Отметим, что эта ситуация является достаточно характерной чем крупнее генератор, тем к большему эффекту приводит использование в нем неустойчивого резонатора. Постигаемый выигрыш в расходам сти увеличивается также с повышением оптической [c.210]

Как упоминалось в 2.5, метод решения этой задачи был предложен автором в 1975 г. [12]. Он целиком основывался на введении операции поворота сечения, что и инициировало все последующие работы по неустойчивым резонаторам с вращением поля. Здесь приходится исходить из того, что в резонаторах, состоящих из ставдартных оптических элементов со сферическими или плоскими поверхностями, световой пучок в плоскости выходного зеркала, полностью его перекрывая, имеет форму сечения, геометрически подобную форме сечения самого выходного зеркала (с масштабом подобного преобразования М). Таким образом, сечение выходящего из резонатора пучка является результатом вычитания друг из друга различающихся только размерами геометрически подобных фигур (примером тому может послужить кольцо). Нетрудно показать, что это сечение может иметь компактную форму, лишь когда указанные две фигуры развернуты одна относительно другой. [c.247]

Существуют несколько вариантов интерферометрических устройств вывода излучения генерации, в том числе устройства на основе интерферометров Фабри—Перо и Майкельсона. Достоинство таких устройств состоит в возможности регулирования коэффициента пропускания (что обеспечивает достижение максимальной выходной мощности) без нарушения вакуума, неизбежного при смене оптических элементов. Однако интерферометрическим устройствам вывода свойственны и определенные недостатки сложность юстировки, регулирования, а также возможность повреждения их элементов мощным излучением накачки. Были предложены и осуществлены несколько подходов к созданию резонаторов F/jR-лазеров и устройств вывода энергии, в том числе неустойчивые резонаторы и беззеркальные резонаторы с продольно распределенной по длине резонатора обратной связью. [c.141]

Рассматриваемые независимыми аберрации оптического пути высших порядков оказывают на характеристики лазерного излучения влияние, качественно похожее на уже рассмотренное выше действие аберраций нечетных порядков подобно разъюстйровке зеркал влияние аберраций четных порядков напоминает действие параболических искажений оптического пути и вызывает либо возникновение мод, обладающих каустиками, либо разбега-ние поля от центра к периферии резонатора, аналогичное имеющему место в неустойчивых резонаторах. [c.80]

Аберрации второго порядка (неустойчивые резонаторы). В том случае, когда компоненты матрицы однократного прохода через резонатор не удовлетворяют условию (2.6) (наиболее очевидная ситуация — выпуклые зеркала или отрицательная линза в плоском резонаторе), резонатор относится к классу неустойчивых и структура поля в нем существенно отличается от описанной выше каустических поверхностей, ограничивающих поперечный размер моды, не возникает [1]. Напротив, поле в геометрооптическом приближении представляет собой сферическую волну, исходящую из точки на оси резонатора. Поперечное сечение, занимаемое излучением на каждом проходе резонатора, увеличивается. Коэффициент увеличения связан с компонентами AB D матрицы соотношением М = AD ВС -у/А B D, где из двух знаков перед радикалом берется тот, при котором М > 1. Если М < О, то это означает, что при проходе резонатора в прямом и обратном направлениях луч идет по разные стороны от оптической оси. [c.82]

Призмы полного внутреннего отражения можно успешно применять как в резонаторах устойчивой конфигурации и плоских, так и в неустойчивых резонаторах. Хотя в последних (например, телескопических резонаторах) влияние аберраций первого порядка на энергию излучения (оно также связано с виньетированием апертуры) невелико, но диаграмма направленности излучения лазера с такими резонаторами довольно чувствительна к наличию разъюстировок [см. формулу (2.11) и рис. 2.23]. Призменные неустойчивые резонаторы в значительной мере лишены этого недостатка, и стабильность расходимости излучения по отношению к аберрациям первого порядка (а также и всех нечетных) в них существенно повышается. На рис. 3.17 изображена оптическая схема такого резонатора и приведена зависимость величины аберрационного коэффициента первого порядка для 9той схемы ОТ коэффициента увеличения, [c.146]

Видно, что при фиксированном уровне потерь 72, т.е. при фиксированных значениях параметров /02 и 5о2 чувствительность резонатора к флуктуациям оптической силы ТЛ АЭ слабо зависит от величины ограничивающей анертуры и целиком определяется оптической длиной плечей резонатора с о, с/1. Это коренным образом отличает неустойчивый резонатор с динамической стабильностью, расположенный в области / О от резонатора, обеспечивающего минимум потерь основной моды / /1 (4.33) и позволяет использовать динамически стабильные неустойчивые резонаторы в большеапертурных лазерных системах. [c.210]

Потери при этом определяются соотношением (4.36). Поскольку s = = sq > 1, то резонатор является неустойчивым. Как и резонатор, рассмотренный в предыдугцем варианте, он реализуется при равенстве нулю оптической длины обхода резонатора, рассчитанной без учета ограничиваюгцих апертур. [c.211]

Рис. 4.17. Зависимость потерь основной моды неустойчивого резонатора от оптической силы ТЛ АЭ, расчитанная в геометро-оптическом приближении

Перейдем к построению алгоритма расчета схемы неустойчивого резонатора с динамической стабильностью. Будем исходить из того, что схема должна обеспечивать заданный оптимальный уровень гауссовых потерь и обеспечивать динамическую стабильность потерь при заданном значении ТЛ АЭ рт и, кроме того, обеспечивать заданный диапазон допустимого изменения мощности накачки, т. е. заданный диапазон изменения ТЛ АЭ Арт- Последнее условие весьма существеппо, так как измерение оптической силы ТЛ АЭ всегда проводится с конечной точностью, кроме того, на практике всегда имеют место некоторые флуктуации рт из-за нестабильности накачки и целого ряда других факторов. [c.240]

Рис. 4.22. Зависимость отношения оптических длин плечей неустойчивого резонатора с динамической стабильностью от потерь основной моды т — = (1гро = 0,01 1У 0,05 2)- 0,1 (5) 0,2 ( ) 0,5 (5)

Они обладают тем иреимуш,еством, что выходное излучение такого резонатора в геометро-оптическом приближении имеет плоский фазовый фронт и, следовательно, минимальную расходимость. Для того чтобы убедиться в этом, рассмотрим сферическую волпу радиуса К, которая в геометро-оптическом приближении описывает моду неустойчивого резонатора ( 2.3). После обхода резонатора, согласно правилу AB D , радиус кривизны фазового фронта, без учета дей- [c.245]

Само условие устойчивости находит такую же графическую интерпретацию на С-диаграмме, как и для пустого резонатора. Однако новые параметры конфигурации определяются не только кривизной зеркал и расстоянием между ними, но и оптическими параметрами активного элемента (по, /) и его расположением в резонаторе (4-, 1к, /). Существуют конфигурации, которые, являясь неустойчивыми в приближении пустого резонатора, оказываются устойчивыми при учете влияния активной среды. Такие конфигурации, видимо, можно называть квазинеустойчивыми . Существуют также конфигурации резонаторов, которые оказываются за пределами области устойчивости при ее деформации линзой активного элемента. Соответствующие конфигурации можно назвать квазиустойчивыми . [c.138]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...