7.5. ЛИНЕЙНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

Математические выражения, полученные нами для эллиптических резонаторов, качественно справедливы и для большинства открытых резонаторов, которые представляют собой обычно конструкцию из двух зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями.

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, претерпевших дифракцию на краях зеркала (в неустойчивых резонаторах).

Это так называемый линейный резонатор, показанный на рис. 7.13. Поперечными размерами линейного резонатора можно пренебречь и, следовательно, считать, что он имеет одну размерность, которая определяет оптическую ось. Поле в таком резонаторе можно рассматривать в геометрическом приближении в виде представляющем собой поперечные электромагнитные (ТЕМ) волны. Эти предположения позволят нам в последующих разделах применить приближение параксиальной оптики, для которой построен метод лучевых матриц. Кроме того, моды линейного резонатора можно подразделить на устойчивые и неустойчивые. В то время как в замкнутых эллиптических резонаторах могут существовать моды обоих этих типов, в открытых резонаторах может быть лишь один тип колебаний, и поэтому резонаторы подразделяются на устойчивые и неустойчивые. Моды устойчивого резонатора концентрируются вблизи оптической оси, и, вообще говоря, на них не влияют размеры зеркал. Моды неустойчивого резонатора заполняют весь объем резонатора и сильно зависят от формы и размеров зеркал. Неустойчивые резонаторы применяют в тех лазерах, в которых необходимо возбуждать генерацию в больших объемах активной среды (как, например, в лазерах высокой мощности). Характерной особенностью неустойчивых резонаторов является то, что излучение на выходе лазеров с такими резонаторами является пульсирующим (рис. 7.14).

В устойчивом резонаторе компонента к, волнового вектора, перпендикулярного оптической оси, является мнимой; действительно, вещественная величина к, означала бы, что сечение пучка изменяется при его отражении (рис. 7.12).

Устойчивые моды, как известно, ограничены каустической

Рис. 7.14. Распределения интенсивности поля в ближней (верхний ряд диаграммы) и дальней (нижний ряд диаграммы) зонах, вычисленные для неустойчивых конфокальных резонаторов. Представлены два типа диаграмм для различных чисел Френеля и разных значений увеличения работы Ренша и Честера [13а].)

поверхностью, которая как бы заменяет недостающую боковую поверхность резонатора и удерживает пучок вблизи оптической оси. Если диаметр зеркал резонатора сделать достаточно большим, то краевой эффект в резонаторе будет отсутствовать и резонатор не будет иметь дифракционных потерь.

Среди всех возможных конфигураций резонаторов, отличающихся радиусом кривизны и расстоянием между зеркалами, в настоящее время используется лишь небольшое их число (рис. 7.15). Первым из них стоит упомянуть плоскопараллельный резонатор (интерферометр) Фабри — Перо, который является прародителем всех открытых резонаторов. В симметричном конфокальном резонаторе два одинаковых зеркала, разделенных расстоянием имеют одинаковые радиусы кривизны. Сферический резонатор получается при разнесении зеркал с одинаковой кривизной на удвоенное фокусное расстояние. Полусферический и полуконфокальный резонаторы состоят из плоского зеркала и половины сферического или конфокального резонатора.

Рис. 7.15. Распределение интенсивности излучения внутри резонатора для различных конфигураций резонаторов, а — плоскопараллельный резонатор; б - с зеркалами большого радиуса кривизны; в — конфокальный; г - сферический; д - вогнутовыпуклый; е - полусферический. (Из работы Блума [136].)

Особенность плоского и сферического резонаторов состоит в том, что они слабо устойчивы, т. е. любое небольшое отклонение их геометрии от идеальной сразу же делает их неустойчивыми.