Типы колебаний оптического резонатора

ТИПЫ КОЛЕБАНИЙ ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА [c.10]

Влияние активной среды иа формирование типа колебаний. Типы колебаний оптических резонаторов обычно изучались в предположении, что резонатор заполнен однородным пассивным веществом. Это предположение ие соответствует действительности. [c.329]

Моды (типы колебаний) оптического резонатора. Как бы [c.101]

Собственное колебание оптического резонатора практически всегда может быть представлено в виде совокупности нескольких световых пучков, которые при отражении от зеркал либо границ раздела переходят друг в друга, чем и обеспечивается воспроизводимость процесса во времени. Так, моды простейших линейных резонаторов типа изображенного на рис. 2.1а плоского резонатора, часто применяющегося и в настоящее время, состоят из двух пространственно совмещенных пучков с противоположными направлениями распространения. У кольцевых резонаторов принадлежащие [c.62]

Основным понятием, которым мы оперировали на протяжении всего курса, служила плоская (или сферическая) волна. В данной главе выяснилось, что применительно к оптическим квантовым генераторам более адекватным физическим образом является совокупность когерентных между собою волн, удовлетворяющая требованиям принципа цикличности. Такая совокупность, характеризующаяся определенными частотой, поляризацией и стационарной геометрической конфигурацией, носит название типа колебаний резонатора ). В резонаторе, образованном плоскими зеркалами, типом колебаний служит стоячая волна (229.8), в случае резонатора со сферическими зеркалами, — стоячая волна, состоящая из двух гауссовых пучков, распространяющихся навстречу друг другу, волновые фронты которых совпадают с поверхностями зеркал. В других случаях конфигурация поля будет иной, характерной для каждой конкретной геометрии резонатора. [c.809]

В простейшем случае оптического резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами, расположенными на расстоянии I друг от друга, наибольшую добротность имеют аксиально симметричные типы колебаний. Электромагнитное поле таких колебаний медленно меняется в направлении, параллельном зеркалам, что позволяет ограничиться рассмотрением одномерной задачи, в кото- [c.360]

Полученные формулы, составляющие первое приближение теории возмущений, в случае оптических резонаторов имеют данную им в [8 весьма простую трактовку. Матричные элементы оператора возмущения с тп Ф I есть не что иное, как относительные амплитуды световых волн, рассеиваемых за счет возмущения из одних типов колебаний в другие. Величины [c.147]

Поскольку в ряде практических случаев требуется высокая монохроматичность излучения ( Ю МГц), применяется режим селекции типов колебаний, основанный на создании в оптическом резонаторе лазера условий, при которых генерация развивается и происходит на одном, преимущественном типе колебаний. Путем [c.163]

Искажения оптического пути в элементах резонаторов весьма сильно влияют на структуру типов колебаний и в связи с этим — на диаграмму направленности лазерного излучения, распределение его интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка, состояние поляризации генерируемого света, а также на энергетические характеристики лазера (см. пп. 2.1 и 2.2). [c.6]

Значительно большую роль играют термооптические искажения в составе генератора помещение такой детали в оптический резонатор радикально изменяет всю структуру его собственных типов колебаний и оказывает существенное влияние не только на состояние поляризации и расходимость, но и (через изменение потерь в резонаторе) на энергию и мощность лазерного излучения. [c.64]

В том случае, когда активная среда не вносит искажений оптического пути в резонатор, поперечная структура собственных типов колебаний сохраняется. Изрезанность распределения интенсивности излучения отдельной моды приводит при генерировании к соответствующей неравномерности распределения инверсной населенности. Вследствие этого поле отдельной моды не в состоянии использовать энергию, запасенную во всем объеме активной среды, и при большом числе Френеля из-за нелинейности усиления в активном элементе при генерации одновременно возбуждается несколько поперечных типов колебаний, размещающихся в резонаторе таким образом, чтобы наиболее полно высветить накапливаемую в активном элементе энергию (многомодовая генерация) [1]. [c.66]

Теперь перейдем к волновой теории оптических резонаторов. При конечных размерах зеркал собственные типы колебаний резонатора находятся как стационарные решения задачи с граничными условиями. Каждое решение дает один тип колебаний, который характеризуется собственной структурой поля и собственной частотой. [c.131]

Селекция поперечных колебательных типов осуществляется при создании таких условий в оптическом резонаторе, когда дифракционные потери колебаний высших порядков превышают дифракционные потери основных колебательных типов ТЕМ о . Это достигается применением специальной конструкции резонаторов либо введением в резонатор дополнительных элементов. [c.135]

Поскольку при измерении параметров пучка очень существенна структура мод резонатора и рабочего вещества, часть этой главы посвящена описанию наиболее важных типов оптических резонаторов и их мод (типов колебаний). Методы определения картины излучения в ближней и дальней зонах, связанной с модами резонатора, проиллюстрированы на конкретных примерах. Иллюстрации делают описание более наглядным и позволяют получить представление о достижимой точности. Особое внимание также уделяется оборудованию, которое было сконструировано специально для измерения лазерных параметров, и новым методам использования существующих приборов. [c.35]

Картины типов колебаний, обладающие азимутальной симметрией, наблюдались на гелий-неоновом газовом лазере, работающем на длине волны 1,15 мк с полусферическим резонатором. Моды выделялись при помощи проволочек, пересекающихся с оптической осью резонатора, и круглых диафрагм различного радиуса [34]. Когда картина излучения соответствует наличию одной угловой моды, ее чистота проверяется по отсутствию биений между разными угловыми модами. Картины типов колебаний наблюдались и фотографировались при помощи инфракрасного ЭОП. Измерения распределения интенсивности в картине излучения хорошо соответствовали предсказаниям по формуле (3.10). [c.60]

Более широкое распространение получил метод оптического контроля в связи с созданием оптического квантового генератора (ОКГ). С его помощью можно производить контроль геометрических размеров изделий со сложной конфигурацией, несплошностей, неоднородностей, деформаций, вибраций, внутренних напряжений прозрачных объектов, концентраций, чистоты газов и жидкостей, толщины пленочных покрытий, шероховатости поверхности изделий. Первым ОКГ был рубиновый генератор, активным элементом которого являлся цилиндрический стержень из кристалла рубина с внедренными в его решетку ионами хрома. Возбуждение активных частиц в ОКГ осуществлялось воздействием на активный элемент светового излучения высокой интенсивности с помощью газоразрядных ламп-вспышек и ламп непрерывного горения серийного производства (оптическая накачка). Управление излучением частиц (создание обратной связи) производилось с помощью зеркал, одно из которых полупрозрачно на длине волны генерации. В резонаторе (системе из двух зеркал и помещенного между ними активного элемента) устанавливаются стоячие волны. Типы колебаний (или моды) отличаются друг от друга. [c.540]

Продольное (вдоль оси) распределение электромагнитного поля в резонаторе аналогично распределениям, возникающим в замкнутых объемных резонаторах. Как правило, это волна с периодическим изменением мгновенных составляющих поля вдоль оси резонатора. Число полуволн, укладывающихся по длине линейного резонатора (или число волн — по длине кольцевого), указывается в обозначении данного типа колебаний с помощью продольного индекса д. Для оптических резонаторов это число велико и обычно известно лишь приближенно, поэтому продольный индекс записывается в обозначении собственной волны либо буквенно +1, q- -2,. .., либо вообще опускается. [c.11]

Описанные обозначения резонансных типов колебаний не содержат информации о расположении векторов электромагнитного поля относительно координатных осей сечения резонатора. Поэтому в некоторых работах по теории оптических резонаторов тип колебаний [c.13]

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]

Примерные распределения амплитуды и фазы по граничной волновой поверхности лучевого приближения для резонатора с нерезкой апертурой и параметрами ё 1= 2=1,8 Сэкв=37 изображены на рис. 3.18 непрерывными линиями. Распределения имеют регулярный характер, близкий к лучевому приближению. Отличие от лучевого приближения обнаруживается вблизи оптической оси для высших типов колебаний. [c.89]

Излагается теория однополосных открытых оптических резонаторов. Большое внимание уделено прикладным методам расчета пространственных, частотных и поляризационных характеристик собственных типов колебаний, а также дифракционных потерь. [c.208]

Принцип работы оптических резонаторов (рис. 6.1) ничем не отличается от аналогичных устройств СВЧ-диапа-зона. Однако имеются конструктивные отличия, что обусловлено рабочими длинами волн. Так, если объемные резонаторы СВЧ-диапазона имеют линейные размеры, соизмеримые с рабочей длиной волны, то размеры оптических резонаторов на много порядков больше рабочей длины волны. Отсутствие боковых стенок у оптического резонатора открытого резонатора) приводит к существенному уменьшению числа типов колебаний с высокой добротностью. Поскольку размеры резонатора существенно превышают длину волны, то, казалось бы, для описания структуры поля в резонаторе можно воспользоваться геометрической оптикой. Это справедливо в тех случаях, когда дифракционные эффекты не существенны. Строгий анализ показал, что геометрооптическое описание дает правильные результаты, если конфигурация резонатора находится вдали от границы устойчивости (см. ниже) и параметр Френе- [c.36]

В оптическом и инфракрасном диапазоне линейные размеры резонаторов значительно превышают длину волны. Поэтому здесь в пределах ширины линии излучения может возбуждаться огромное число осцилляторов поля, каждому из которых соответствует свое направление и чистота. Но генерация будет на том типе колебаний, у которого наибольшее усиление и наименьшие потери в резонаторе. Таким образом, почти вся энергия будет сосредоточена на одном типе колебаний. Излучение будет иметь высокую направленность и монохроматичность. [c.435]

В формировании собственных типов колебаний оптических резонаторов существенную роль играют дифракционные эффекты. Поэтому в рамках лучевой оптики невозможно исследовать ряд важных модовых характеристик (детальное пространственное распределение электромагнитного поля, затухание, сдвиг резонансных частот), обусловленных конечной величиной длины волны излучения и ограничением поперечных размеров резонаторной полости. Указанные характеристики, естественно, вытекают из волнового рассмотрения вопроса, которое составляет содержание данной главы. [c.41]

Излучение черного тела в отдельной поперечной моде. Для того чтобы сравнить излучение лазера с излученнеи других источников нам следует проанализировать типы коле- баиий. В п. 3.1 мы описывали излучение черного тела, пользуясь понятием типов колебаний закрытого резонатора. Здесь мы рассмотрим излучение черного тела в одной поперечной моде оптического резонатора. Такое излучение может спонтанно возникать в активной среде. [c.45]

Лит. см. при ст. Модуляторы света. А. Н. Напорский. МОДЫ (от лат. modus — мера, образ, способ, вид) — тииы колебаний (нормальные колебания) в распределённых колебат. системах (см. Объёмный резонатор. Оптический резонатор) ИЛИ типы волн (нормальные волны) в волноводных системах и волновых пучках (см. Волновод, Квазиоптика). Термин М. стал употребляться также для любого волнового поля (вне его источников), обладающего определ. пространственной структурой (симметрией). Так появились понятия М. излучения лазера, утекающая М., поверхностная М., М. шепчущей галереи , экспоненциально спадающая М., селекция М. ИТ. д. [c.185]

Различные колебания в резонаторе характеризуются набором модовых чисел q, т, п, которые принято писать рядом с буквенным обозначением типа электромагнитных волн (например, ТЕМ,,т, ). Стоячая электромагнитная волна в резонаторе имеет как продольную (вдоль оптической оси), так и поперечную структуру распределения электрического поля. Продольное распределение поля [c.48]

При чтении литературы по лазерам следует еще иметь в виду, что в первых работах по теории оптических резонаторов низшие колебания типа ТЕМоосу были названы, по аналогии с СВЧ-диапазоном, аксиальными, остальные (с ненулевыми поперечными индексами) — поперечными. Впоследствии при описании спектральных или угловых характеристик излучения многомодовых генераторов терминам аксиальные и поперечные стали придавать несколько иной смысл. Подробнее на всем этом мы бста-новимся в 3.3, сейчас же отметим только, что когда говорят об угловой структуре излучения, то поперечными обычно называют все моды, не выделяя ТЕМоо в особую категорию. [c.108]

Ниже мы приводим результаты расчетов некоторых характеристик волноводных резонаторов ГЛОН, полученных с помощью решения уравнения (3.75) и их анализа, которые позволяют оптимизировать выбор этого типа резонатора в ГЛОН [33, 34]. Решить уравнение (3.75) можно только приближенно, используя численные методы с применением ЭВМ, либо методом теории воз-муш,ений в случае малого отличия геометрии резонатора от плоскопараллельной, когда характеристики его типов колебаний близки к характеристикам мод бесконечного полого волновода. Рассмотрим волноводный резонатор, у которого di — d.2 О, т. е, зеркала резонатора рассматриваются без отверстий связи. Такая постановка задачи позволяет рассмотреть влияние кривизны зеркал волноводного резонатора на характеристики его типов колебаний. Кроме того, этот случай представляет интерес для волноводных систем с элементами связи в виде полупрозрачных зеркал или в виде окон в боковой поверхности волновода, которые можно использовать в оптических системах ГЛОН (см. рис. 3.12). Исходное уравнение (3.75) значительно, упрощается, так как при di == О, Ф (г) = 1. Кроме этого значительно упрощается параметр Dig. Если обратиться к формуле (3.77), то нетрудно видеть, что интеграл в этом выражении можно представить Г1 г 1 [c.167]

У открытого резонатора, по сравнению с волноводным, спектр различных типов колебаний значительно реже, а модовый объем основного типа колебаний больше, чем у основного типа колебаний ЕНц волноводного резонатора. Однако для зеркал с отверстиями связи эффективность выходного отверстия в волноводном резонаторе значительно превосходит эффективность этого же отверстия в открытом резонаторе, образованном зеркалами той же геометрии, что и волноводный. Этим можно объяснить известное преимущество волноводных резонаторов для ряда конфигураций зерйал в конструкциях ГЛОН большой выходной мощности генерации по сравнению с открытыми резонаторами. Однако в цельм проблема выбора оптимальной конструкции резонатора ГЛОН (открытой или волноводной) по отношению к конкретной лазерной системе (активные молекулы, система оптической накачки и т. д.) остается далеко не решенной. Это особенно касается случаев, когда от лазерного источника ГЛОН требуется сочетание высокой энергетической эффективности излучения и его малой угловой расходимости. В таких задачах необходимые рекомендации по выбору оптимальной конструкции резонатора ГЛОН можно дать только при сравнительном анализе характеристик волноводных и открытых резонаторов с учетом активной среды. [c.169]

Ширина спектральной полосы — одна из наиболее тонких характеристик лазера. Измерение спектральной характеристики лазера затрудняется тем, что лазерное излучение, если не принимать особых мер, состоит из ряда дискретных спектральных компонент, испускаемых одновременно. В идеальном случае эти отдельные компоненты соответствуют собственным типам колебаний (модам) совокупности резонатора и усиливающей среды, составляюидих лазер. В газовом лазере эти спектральные компоненты сильно зависят от собственных мод резонатора и довольно медленно изменяются со временем (что обусловлено механической нестабильностью резонатора). В твердотельном лазере, где усиление на единицу длины и число Френеля очень велики и где, кроме того, оптические свойства среды за время выходного импульса меняются почти неконтролируемым образом, для того, чтобы обеспечить спектральное разрешение при регистрации полного развития сложного спектра выходного импульса, необходимы как временное разрешение, так и значительный спектральный интервал. В твердотельных лазерах расстояния между осевыми и угловыми модами могут быть настолько малы, что дискретные спектральные компоненты могут отличаться лишь на 100 Мгц. [c.361]

Излагается теория однополостных открытых оптических резонаторов, широко применяемых в квантовой электронике. Рассмотре ны резонаторы, содержащие внутренние оптические элементы и неоднородную среду. Большое внимание уделено прикладным методам расчета пространственных, частотных и поляризационных характеристик собственных типов колебаний, а также дифракционных потерь. Описаны общие свойства гауссовых пучков и теория их преобразования идеальными оптическими системами. Анализируется искаже ние собственных волн при разъюстировке резонаторов. [c.2]

Произвольная оптическая волна, введенная в резонатор извне или возбуждаемая в резонаторной полости, последовательно проходит образующие элементы, претерпевая на каждом из них фазовое, геометрооптическое и дифракционное искажения, теряя при этом свою энергию. Можно характеризовать волну в любой точке внут-рирезонаторного пространства в фиксированный момент времени амплитудой, фазой и состоянием поляризации. После циклического обхода резонаторной полости рассматриваемая произвольная волна вновь вернется в отмеченную точку пространства при этом характеристики волны в общем случае изменятся. Существует, однако, бесконечный дискретный набор волн, которые в результате различного рода взаимодействий с образующими резонатор элементами в каждом последующем проходе восстанавливают относительное пространственное распределение амплитуды и фазы, а также состояние поляризации в каждом поперечном сечении резонаторной полости. Такие волны называются собственными волнами или собственными типами колебаний резонатора. [c.10]

В устойчивом резонаторе распределения поля образуют характерные чередования максимумов и минимумов. Характер симметрии распределения поля моды зависит от оормы и оптической однородности сечения резонатора. При прямоугольной симметрии индексы т, п в обозначении типа колебаний соответствуют числу перемен знака поля вдоль каждой поперечной оси. Низший тип колебаний (так называемая основная, или фундаментальная, мода) не содержит изменений знака поля. [c.12]

Уравнения (3.16) и (3.17) также, как (3.10) и (3.13), являются фундаментальными в теории оптических резонаторов, определяя характеристики собственных типов колебаний. Все уравнения принадлежат к одному виду. Это однородные линейные интегральные уравнения Фредгольма второго рода относительно одномерной функции. Ядра уравнения симметричны, но не эрмитовы. Свойства таких уравнений достаточно хорошо изучены. Известно, что решения образуют полную систему ортогональных функций [И, 83]. [c.48]

Наряду с рассмотренными простыми двухзеркальными резонаторами в лазерной технике широко распространены более сложные однополостные устройства, единственная резонансная полость которых образуется не двумя, а большим числом оптических элементов. Резонаторы, в формировании собственных типов колебаний которых существенно участвуют более двух оптических элементов, называются сложными. Класс сложных однополостыых резонаторов, объединяемый общей методикой расчета, включает в себя широкий ряд реальных устройств. Строго говоря, любой реальный активный резонатор содержит те или иные оптические элементы. Таким внутренним оптическим элементом является сама активная среда. Кроме того, двухзеркальный резонатор может содержать дополнительные функциональные оптические элементы, используемые для модуляции и пространственно-частотной селекции излучения. [c.114]

В предыдущих главах, руководствуясь методическими соображениями, мы считали рассматриваемые резо-наторные системы изотропными. Это позволяло до сих пор отвлекаться от поляризационных свойств собственных типов колебаний, поскольку в изотропных резонаторах все состояния поляризации вырождены и любое оказывается собственным. Однако почти все используемые на практике оптические резонаторы в большей или меньшей степени анизотропны. Анизотропным называют резонатор, содержащий такие оптические элементы, амплитудно-фазовые характеристики пропускания или отражения которых зависят от состояния поляризации излучения. [c.140]

Выше рассматривались идеально съюстированные резонаторы. На практике, однако, всегда возможна разъ-юстировка элементов, образующих резонатор. При инженерном подходе к изучению оптических резонаторов необходимо учитывать возможные изменения характеристик собственных типов колебаний в результате разъ-юстировок. [c.166]

В идеально съюстированном резонаторе ось проходит через оптические центры всех диафрагм. При разъюстировке либо ось резонатора смещается, либо сдвигаются диафрагмы во всяком случае ось уже не проходит через все центры диафрагм. Чем дальше отклоняется ось от линии центров диафрагмы, тем больше степень разъюс-тировки резонатора и соответствующие искажения собственных типов колебаний. Знание закономерностей деформации осевой линии позволяет оптимизировать конструкцию резонатора, определить в первом приближении возмущенные характеристики резонатора ц, наконец, подготовить рациональный координатный базис для волнового рассмотрения задачи. [c.167]

В принципе световое и вообще электромагнитное поле содержит все возможные длины волн, направления распространения и на правления поляризации. Но главное назначение лазера как прибора состоит в генерации света с определенными характеристиками. Первый этап селекции, а именно по частоте, достигается выбором лазерного материала. Частота V испускаемого света определяется формулой Бора Ну = и нач — конечн и фиксируется выбором уровней энергии активной среды. Разумеется, линии оптических переходов не являются резкими, а по различным причинам уширены. Причиной уширения могут быть конечные времена жизни уровней вследствие излучательных переходов или столкновений, неоднородность кристаллических полей и т. д. Для дальнейшей селекции частот используются оптические резонаторы. В простейшем СВЧ-резонаторе, стенки которого имеют бесконечно высокую проводимость, могут существовать стоячие волны с дискретными частотами. Эти волны являются собственными модами резонатора. Когда ученые пытались распространить принцип мазера на оптическую область спектра, было не ясно, будут ли вообще моды у резонатора, образованного двумя зеркалами и не имеющего боковых стенок (рис. 3.1). Вследствие дифракции и потерь на пропускание в зеркалах в таком открытом резонаторе не может длительно существовать стационарное поле. Оказалось, однако, что представление о типах колебаний (модах) с успехом может быть применено и к открытому резонатору. Первое доказательство было дано с помощью компьютерных вычислений. Фокс и Ли рассмотрели систему двух плоских параллельных зеркал и задали начальное распределение поля на одном из зеркал. Затем они исследовали распространение излучения и его отражение. После первых шагов начальное световое поле рассеивалось и его амплитуда уменьшалась. Однако после, скажем, 50 двойных проходов мода поля приобретала некую окончательную форму и ее амплитуда понижалась в одно и тоже число раз при каждом отражении (с постоянным коэффициентом отражения. Стало ясно, как обобщить понятие моды на случай открытого резонатора. Это такая конфигурация поля, которая не изменяется [c.64]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...