Главная > Дифракция и волноводное распространение оптического излучения
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

7.12. НЕУСТОЙЧИВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

Лазеры высокой мощности можно разделить на два типа. В так называемых усилителях мощности с задающим генератором (название заимствовано из радиотехники) стабилизированный маломощный лазер управляет несколькими ступенями усиления. Напротив, если процессы генерации и стабилизации частоты излучения в генераторе идут одновременно с усилением, то лазеры относят к типу мощных генераторов. Лазеры первого типа более устойчивы, чем лазеры с самовозбуждающимся генератором. Последние чаще находят применение в тех случаях, когда важную роль играют небольшие размеры и компактность, а не требования к стабильности. Однако к обоим этим типам лазерных систем должно предъявляться важное требование, а именно работать по возможности в режиме одной поперечной моды это необходимо для получения почти однородного волнового фронта на выходе системы, что позволяет сфокусировать лазерный пучок до дифракционного предела, поскольку любое отклонение волнового фронта от однородного приведет к увеличению размеров фокального пятна и расходимости в дальнем поле. В режиме многомодовой генерации характерные нерегулярности структуры волнового фронта флуктуируют столь быстро, что их трудно уменьшить даже специальным образом сконструированными фазовыми корректорами на выходе. Опуская рассмотрение свойств систем с задающими генераторами, мы сконцентрируем свое внимание на изучении мощных генераторов.

Для получения оптически однородной моды резонатор необходимо конструировать таким образом, чтобы все элементарные излучатели в нем (возбужденные атомы или молекулы) сильно взаимодействовали между собой, поскольку это обеспечивает необходимую фазовую когерентность колебаний отдельных источников. Пучок, расходящийся за счет дифракции, возбуждает множество элементарных источников, а

Рис. 7.26. Схематическое представление основной моды и мод высших порядков при для устойчивого (а) и неустойчивого (б) резонаторов. (Из работы Чоцко и Честера [5]. © John Wiley and Sons, Inc., 1976.)

поскольку число Френеля представляет собой главный фактор, ответственный за этот эффект, можно сделать заключение, что малое число Френеля является необходимым условием сильного дифракционного взаимодействия элементарных источников в резонаторе. Действительно, режим одномодовой генерации достигается в устойчивых резонаторах с числом Френеля, близким к единице. Однако это условие не применимо к лазерам высокой мощности, которые, как известно, характеризуются большим объемом активной среды (например, при объеме активной среды чтобы получить на длине волны число Френеля, равное единице, необходим резонатор длиной 15 метров). Следовательно, в данной ситуации приходится идти на увеличение числа Френеля.

На рис. 7.26, а схематически показана конфигурация поля в устойчивом резонаторе с большим числом Френеля. Выходной пучок (изображен перекрестными штрихами) образуется в результате некогерентных вкладов различных мод, что является следствием неэффективной дифракционной связи. В неустойчивом же резонаторе (рис. 7.26, б) дифракционные эффекты компенсируются геометрическим взаимодействием между лучами, поскольку в данном случае лучи

перекрывают весь объем резонатора. Иными словами, в центральной области резонатора, для которой число Френеля порядка единицы, существует некоторое ядро моды, обеспечивающее однородное усиление волнового фронта при каждом полном проходе; при этом излучение выводится с краев выходного зеркала.

На преимущества неустойчивых резонаторов впервые указал Сигмэн [21] в 1965 г., который разработал также простой метод в приближении геометрической оптики [22]. В этом методе предполагается, что основная мода неустойчивого резонатора состоит из двух сферических волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Обозначим через ту часть энергии волны, которая распространяется в направлении зеркала 2 после отражения от зеркала 1 сферической волны единичной интенсивности. Аналогичным образом определим и С помощью рис. 7.16 нетрудно показать, что

здесь расстояния от фокусов двух сферических волн до зеркал (см. разд. 7.6), радиусы зеркал. Таким образом, относительную интенсивность волны на любом из зеркал после полного прохода в прямом и обратном направлениях можно записать в виде

Главный результат этого геометрического рассмотрения состоит в том, что потери за полный проход зависят лишь от увеличения резонатора и не зависят от диаметра зеркал. На плоскости можно построить семейство гипербол, каждая из которых соответствует различным конфигурациям резонаторов с одинаковыми потерями (рис. 7.27).

На рис. 7.28 показаны различные типы неустойчивых резонаторов. Из них наиболее часто применяются первые два, поскольку фокусы зеркал располагаются вне резонатора. Действительно, если фокусы лежат в области активной среды, то образующееся в них интенсивное световое поле может вызвать нелинейные эффекты (даже пробой), что, естественно, ухудшит качество оптического пучка. Отрицательная же конфигурация неустойчивых резонаторов (рис. 7.28, г) менее чувствительна к недостаточно точному изготовлению зеркал и их юстировке. Положительная конфокальная (рис. 7.28, а) конфигурация, впервые предложенная Ананьевым [3], применяется наиболее

(кликните для просмотра скана)

Рис. 7.29. Схематическое представление телескопического резонатора, используемого в проточных лазерах с поперечным разрядом. 1 — входной поток; 2 — выходное зеркало; 3 — фокусирующее зеркало; 4 — катод; 5 — анод; 6 — выходной поток; 7 — глухое зеркало.

часто, поскольку в этом случае коллимированное выходное излучение снимается с одного конца резонатора (рис. 7.29). Своим названием эта конфигурация обязана выпуклому выходному зеркалу и тому, что в плоскости она располагается в правом верхнем квадранте. Выходное зеркало (меньшего размера) радиусом а 2 имеет отрицательную кривизну радиуса в то время как глухое зеркало радиусом имеет положительную кривизну радиуса Потери а за полный обход в приближении геометрической оптики равны коэффициенту связи С, определяемому выражением

причем увеличение связано с простым соотношением

а параметры записываются в виде

Пучок, выходящий из этих резонаторов, в ближней зоне имеет форму бублика, поскольку центральная область ослаблена выходным зеркалом. В промежуточной зоне могут появиться постепенно

Рис. 7.30. Типичная форма пучков, используемых в лазерах высокой мощности.

исчезающие с расстоянием от источника кольца Френеля, модулирующие бубликовую форму профиля пучка, в центре которого возникает маленькое пятно, имеющее чрезвычайно высокую плотность мощности излучения и могущее потенциально приводить к разрушению оптических элементов. Это пятно называют пуассоновским, или пятном Лраго. В дальней зоне поперечный профиль пучка описывается функцией Эйри.

На рис. 7.30 схематически показаны профили пучков, которые наиболее часто используются в различного рода лазерных приложениях. Промежуточной между гауссовой формой и формой с провалом является распределение с плоской вершиной, которое можно рассматривать как гауссиан с усеченной вершиной. Неустойчивые резонаторы исключительно чувствительны к разъюстировке, в частности к наклону зеркал [23]. Если в телескопическом резонаторе наклонить заднее зеркало на угол то выходной пучок отклонится на угол [ср. выражения (7.11.13) и (7.12.5)], определяемый выражением

Из-за наличия здесь в знаменателе разности величину выбирают, как правило, больше чем 1,5.

1
Оглавление
email@scask.ru