Открытые резонаторы лазеров

Открытые резонаторы лазеров 267 [c.267]

Открытые резонаторы лазеров [c.267]

В лазерах применяются резонаторы Фабри—Перо как с прямоугольными, так и с круглыми плоскими зеркалами, а также другие типы открытых резонаторов конфокальные, в которых сферические зеркала располагаются на расстоянии, равном их радиусу кривизны резонаторы, в которых одно зеркало является плоским, а другое сферическим, и т. д. [c.13]

В отличие от резонаторов, применяемых в устройствах СВЧ-диапазона, лазерные резонаторы характеризуются следующими двумя главными особенностями I) они, как правило, являются открытыми, т. е. не имеют боковой поверхности, и 2) их размеры намного превышают длину волны лазерной генерации. Поскольку длина волны лазера простирается от долей микрометра до нескольких десятков микрометров, лазерный резонатор с размерами, сравнимыми с этими длинами волн, имел бы слишком низкий коэффициент усиления, чтобы могла возникнуть лазерная генерация. Упомянутые выше две особенности оптического резонатора оказывают значительное влияние на его характеристики. Например, то, что резонатор является открытым, приводит к неизбежным потерям для любой моды резонатора. Эти потери обусловлены дифракцией электромагнитного поля, вследствие чего часть энергии покидает резонатор. Поэтому такие потери называются дифракционными. Таким образом, строго говоря, определение моды в смысле (4.1) нельзя применить к открытому оптическому резонатору, и в таком резонаторе не существует истинных мод (т. е. стационарных конфигураций). Однако в дальнейшем мы увидим, что в открытых резонаторах в действительности существуют конфигурации типа стоячих электромагнитных волн, имеющие очень небольшие потери. Поэтому мы будем определять моду (иногда [c.160]

Применение открытого резонатора диктуется также соображениями удобства например, в случае когда накачка лазера осуществляется излучением импульсной лампы, боковая поверхность препятствовала бы накачке. [c.161]

Самостоятельные и наведенные паразитные колебания. Продолжим рассмотрение всевозможных источников возмущений со стороны тех самых боковых границ резонатора, которые в теории предполагаются открытыми. Часто к этим границам прилегают вполне реальные объекты, способные возвращать назад в резонатор значительную часть того излучения, которое пересекает условные боковые границы изнутри и в рамках модели открытого резонатора считалось бы безвозвратно его покидающим. Имеются в виду боковые поверхности активных элементов твердотельных лазеров, стенки кюветы с газовой средой, электроды системы возбуждения электроразрядных лазеров и т.д. [c.141]

Рассчитывая коэффициенты разложения, имеет смысл использовать не только собственные функции, но и разности собственных значений закрытого резонатора. Действительно, у открытых резонаторов эти разности с точностью до членов относительной величины /М определяются значениями фазовых поправок Фазовые поправки, в отличие от дифракционных потерь, практически не зависят от случайных параллельных сдвигов или неравенства величины зеркал, наличия промежуточных диафрагм и т.п. (см. предыдущий параграф), примерно совпадая с поправками для закрытого резонатора. Отсюда, кстати, следует, что характер изменения распределения поля под воздействием внутрирезонаторных аберраций мало зависит от случайных причин. Поэтому сведения, полученные с помощью первого приближения теории возмущений, могут служить объективной характеристикой поля излучения реальных лазеров расчет влияния возмущений на дифракционные потери требует намного более сложного анализа (см., например, [186]). [c.152]

Резонаторы. Резонатор является элементом, во многом определяющим характеристики излучения лазера. Поэтому исследование открытых резонаторов, выбор их параметров для конкретного лазера является одной из узловых задач разработки и конструирования лазеров любого типа. Собственно задачи расчета пустых резонаторов (определение собственных типов колебаний и собственных частот) как в устойчивой, так и неустойчивой областях изучены довольно хорошо. За исключением нескольких случаев аналитического решения (резонаторы с бесконечными плоскими зеркалами, конфокальные устойчивые резонаторы) задачи расчета резонаторов решаются только приближенно численными [c.85]

В газовых лазерах торцовые окна разрядной трубки представляют собой плоскопараллельные стеклянные пластинки, расположенные под углом Брюстера к оси трубки" (см. рис. 9.8). Благодаря этому излучение, распространяющееся вдоль оси трубки в образованном зеркалами открытом резонаторе и поляризованное в плоскости падения на пластинки, проходит сквозь них беспрепятственно, не испытывая отражения. В результате лазер генерирует свет, поляризованный в этой плоскости. [c.149]

Фабри — Перо дифракция несущественна и предположения -элементарной теории вполне Полосы пропускания интерференционного оправданны.) Впоследствии по фильтра ряду причин в газовых лазерах стали использовать открытые резонаторы со сферическими зеркалами, дифракционные потери в которых могут быть значительно меньше (см. 6.4). [c.265]

Спектр излучения лазеров на неодимовом стекле определяется как спектроскопическими параметрами стекла, так и характеристиками резонатора. Открытый резонатор имеет дискретный набор собственных частот (продольных мод), расположенных эквидистантно с периодом [c.226]

На зеркалах конечного размера световые волны будут дифрагировать. При обычных спектроскопических исследованиях влиянием дифракции на 8Хр можно пренебречь, так как зеркала имеют большие размеры (диаметр зеркала приблизительно 50 мм) и отклонения лучей невелики. В случае применения ИФП в качестве открытого резонатора для лазера влияние дифракции следует учитывать. [c.461]

Хорошо известно, что открытые резонаторы применяются в лазерах для генерации излучения — это их первое, но далеко не последнее приложение. Характерное свойство открытых резонаторов в том, что их размеры гораздо больше длины волны. [c.6]

Как и в объемном резонаторе, в открытом резонаторе может существовать целый ряд отдельных мод, отвечающих последовательности дискретных частот. Конфигурации собственных мод резонатора могут быть охарактеризованы распределением интенсивности на зеркалах. Примеры таких распределений показаны на рис. 3.2. В силу конечного времени жизни мод, обусловленного дифракцией и особенно прозрачностью зеркал, амплитуда поля убывает со временем, что приводит к увеличению ширины линии. В большинстве лазеров такое уширение намного меньше исходной ширины атомной линии (резонатор с высокой [c.65]

В данном разделе мы подытожим все сказанное об основных уравнениях в предыдущих разделах. Это даст возможность читателю, которого не интересует их детальный вывод, приступить к этим уравнениям прямо здесь. Дадим вначале интерпретацию величин, входящих в лазерные уравнения. К таким величинам относится напряженность электрической составляющей светового поля в лазере. Эту функцию, которая зависит как от координат, так и от времени, следует искать в виде разложения по собственным модам резонатора и (х). Индекс X характеризует различные моды. Предположим, что моды резонатора нормированы на объем резонатора н взаимно ортогональны. Рассмотрим открытый резонатор, кото-торый образован двумя зеркалами, установленными на противоположных концах лазерного стержня. Одномерным примером такой моды может служить стоячая волна [c.134]

Во второй главе анализируется роль резонатора в формировании поля излучения лазера, излагаются основы теории открытых резонаторов. Используются геометрооптическое приближение, итерационный метод Фокса—Ли, модель гауссовых пучков, закон АВСО. Учитываются апертуры зеркал, наличие внутри резонатора линзы или диафрагмы, разъюстировка элементов в резонаторе. Рассматриваются резонаторы различной геометрии — как устойчивые, так и неустойчивые. В случае активных резонаторов обсуждаются эффекты тепловой линзы, затягивания частот и выгорания дыр . Уделяется внимание вопросам селекции продольных мод, а также физике волноводных резонаторов и пленочных лазеров с распределенной обратной связью. [c.5]

Резонаторы, используемые в лазерах, относятся к так называемым открытым резонаторам >. Они имеют ряд существенных отличий от применяемых в СВЧ диапазоне объемных резонаторов. [c.109]

Активное вещество лазера имеет удельную проводимость — 2-10 См/м на длине волны 0,85 мкм и заполняет все пространство внутри конфокального открытого резонатора. [c.148]

А. Джаваном и др., представлял длинную газоразрядную трубку со смесью гелия и неона, помещенную внутрь резонатора, образованного плоскими зеркалами с очень высоким коэффициентом отражения (более 99%). В открытом резонаторе лазера размеры зеркал много меньше расстояния между ними. Теория такого резонатора должна строиться с учетом потерь света в результате дифракции (см. 6.3) при ограничении площади поперечного сечения пучка света из-за конечных размеров зеркал. Этим она сущест- [c.264]

Открытый резонатор лазера отличается от резонаторов СВЧ диапазона тем, что имеет размеры, зна штельно превыша] ие длину волны генерируемого излучения. Специфической особенностью открытого резонатора является отсутствие боковых отражающих стенок. В простейшем случае открытый оптический резонатор представляет собой систему из двух обращенных друг к другу отражающих. поверхностей, в которой могут возбуждаться колебания оптического диапазона. В квантовой электронике используются и более сложные резонаторы, составленные тремя, четырьмя и большим числом отрал ающих и преломляющих оптических эл.е-ментов.. [c.5]

Понятие мод для открытого резонато ра вводится так же, как и для о бъемного резонатора. Однако в открытом резонаторе отсутствие боковых стенок приводит к тому, что появляются дополнительные потери, поскольку часть излучения, отраженного от одного из зеркал, может пройти мимо второго зеркала и выйти из резонатора. Эти потери, называемые дифракционными, существенно отличаются для разных мод открытого резонатора. Относительно малыми дифракционными потерями Обладает лишь небольшое количество мод, иоле которых концентрируется вблизи оси резонатора. Именно эти моды и возбуждаются в лазере. [c.283]

Оптические квантовые генераторы (ОКГ, лазеры). Колебат. системами ОКГ являются открытые резонаторы с размерами 1 >Х, образованные двумя или более отражающими поверхностями. Семейство газовых лазеров многочисленно, они перекрывают диапазон длин волн от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. В твердотельных лазерах активной средой являются диэлектрич. кристаллы и стёкла. Особый класс твердотельных ОКГ составляют полупроводниковые лазеры, в к-рых используются излучательные квантовые переходы между разрегпёнными энергетич, зоиами, а не дискретными уровнями энергии. Жидкостные лазеры работают на неорганических активных жидкостях, а также на растворах органич. красителей (см. Лазеры на красителях). [c.434]

Здесь Тс — время жизни фотона в резонаторе (время релаксации квадрата амплитуды электрического поля). Из указанного выше второго свойства оптического резонатора следует, как мы увидим в дальнейшем, что в оптическом резонаторе резонансные частоты расположены очень близко друг к другу. Действительно, в соответствии с выражением (2.14) число мод резонатора N, расположенных в пределах полосы лазерной линии шириной Avo, равно N = Snv KAvo/ = 8я(КД ) (Л> оА), где Л>.о = = K .vol — ширина лазерной линии, выраженная в единицах длины волны. Из приведенного выражения видно, что N пропорционально отношению объема резонатора V к кубу длины волны. Так, например, если v=5-I0 Гц (частота, соответ-ствуюш,ая середине видимого диапазона), V=I см и Avo = 1,7-10 Гц [доплеровская ширина линии Ne на длине волны 0,6328 мкм см. выражение (2.81)], то число мод Л 4-10 . Если бы резонатор был закрытым, то все моды имели бы одинаковые потери и такой резонатор в случае его применения в лазере приводил бы к генерации очень большого числа мод. При этом лазер излучал бы в широком спектральном диапазоне и во всех направлениях, что является весьма нежелательным. Эта проблема может быть решена с помош,ью открытого резонатора. В таком резонаторе лишь очень немногие моды, соответствуюш,ие суперпозиции распространяюш,ихся почти параллельно оси резонатора волн, будут иметь достаточно низкие потери, чтобы стала возможной генерация. Все остальные моды резонатора соответствуют волнам, которые почти полностью затухают после одного прохождения через резонатор. Это главная причина, почему в лазерах применяется открытый резонатор Хотя отсутствие боковых поверхностей означает, что может возбуждаться лишь очень небольшое число мод, все же число генерируемых мод, как мы покажем ниже, может быть значительно больше, чем одна. [c.161]

Пример 3. Резонаторы ГЛОН. Как уже отмечалось, в ГЛОН могут быть использованы резонаторы двух типов открытые и волноводные. Расчет характеристик открытых резонаторов ГЛОН MIR- и // -излучение) не отличается принципиально ни по постановке задачи, ни по технике ее реализации на ЭВМ от задач открытых резонаторов в оптическом диапазоне. Поэтому при расчетах открытых резонаторов ГЛОН можно пользоваться методиками и программами, изложенными в гл. 2. Рассмотрим результаты расчетов и анализ волноводных резонаторов. Конструктивно волноводный резонатор заложен в любом газовом лазере с разрядной трубкой, которая может рассматриваться как диэлектрический полый волновод. Но в оптическом диапазоне влияние стенок трубки на формирование поля в резонаторе не учитывается, так как отношение (ИХ d — диаметр трубки, X —длина волны) в этом диапазоне очень велико и каустика эффективного поля резонатора при таких условиях меньше диаметра трубки. Однако в ИК-диапазоне с успехом используются волноводные СОг-лазеры, где отношение d/i много меньше, чем в обычных лазерах за счет уменьшения d (единицы мм) [37]. При расчете характеристик такого лазера учитывается влияние стенок на формирование поля в резонаторе. В лазерах с оптической накачкой при увеличении длины волны излучения вплоть до субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов отношение d/X становится еще меньше, даже с учетом того, что диаметры их трубок для увеличения эффективности генерации делаются большими по сравнению с диаметрами трубок СО -лазеров. Поэтому роль стенок трубки в заполненных эффективным полем объеме резонатора увеличивается. Рассмотрим наиболее типичную схему волноводного резонатора ГЛОН (рис. 3.28). Зеркала этого резонатора, расположенные на торцах диэлектрического поля волновода (трубки), имеют отверстия di и dg соответственно для ввода излучения накачки в активную среду ГЛОН и вывода излучения генерации. Так как задача является осесимметричной, будем искать искомые поля в резонаторе как функцию от координаты U (г). В качестве базисных функций этой задачи выбираются радиальные ортонормированные собственные функции бесконечного полого диэлектрического волновода со следующими условиями. [c.163]

Картина лазерного излучения тесно связана с характеристиками резонатора. Существует семь основных типов открытых резонаторов, применяемых для лазеров плоскопараллельный, с большим радиусом кривизны, конфокальный, сферический, вогнуто-выпуклый, полусферический и полуконфокальный ). У всех лазерных резонаторов имеется одна общая черта — они представляют собой открытые резонаторы, т. е. у них отсутствуют боковые стенки. Если границы диэлектрика оказываются частью рабочего вещества, как, например, в волоконных, кубических, сферических и кольцевых системах, то в структуре мод выходного излучения важную роль играют различные эффекты связи. [c.35]

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]

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]

Ситуация коренным образом изменится, если каким-либо способом попытаться выключить добротность резонатора лазера и тем самым предотвратить возникновение генерации на время, в течение которого работает источьшк накачки при этом удалось бы в инвертированной активной среде запасти знач14тельную энергию. Последующее достаточно быстрое включение обратной связи, т.е. открытие высоко добротного резонатора, позволило бы излучить запасенную энергию в виде короткого гигантского импульса. [c.30]

Специфической особенностью опгического резонатора лазера является то, что он имеет открытую структуру, состоящую из двух далеко разнесенных зеркал с большим коэффициентом отражения. [c.18]

Добротность и моды открытого резонатора. До сих пор добротность резонатора рассматривалась без учета модо-вой структуры излучения. Однако, как уже отмечалось, потери в открытом резонаторе могут сильно изменяться от одной моды к другой. Поэтому надо рассматривать, строго говоря, добротность не резонатора вообще, а добротность данной моды в данном резонаторе. Подчеркнем, что именно различие потерь для разных мод лежит в основе процесса формирования поля лазерного излучения это обстоятельство отмечалось в 2.2 при обсуждении роли резонатора в лазере. [c.116]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...