Пассивные и активные резонаторы.

Если внутри резонатора нет усиливающей активной среды, то такой резонатор называют пассивным. При наличии усиления говорят об активном резонаторе.

Лазерный резонатор — это активный резонатор. Однако при изучении процесса формирования поля излучения в лазерных резонаторах сначала рассматривают пассивные резонаторы. Большинство расчетных работ посвящено именно пассивным резонаторам. Это объясняется не только тем, что исследование активных резонаторов встречает серьезные трудности. Дело в том, что пассивный резонатор позволяет получить в первом приближении вполне реалистическую картину процессов формирования светового поля в лазерном резонаторе.

На основе рассмотрения пассивных резонаторов можно исследовать затухание различных мод, выявить слабозатухающие моды, характеризующиеся наименьшими потерями (высокодобротные моды), определить структуру поля этих мод; кроме того, можно оценить влияние апертурных эффектов и линзовых систем. При наличии усиливающей активной среды именно высокодобротные моды усиливаются

в первую очередь, поэтому полученные для пассивных резонаторов результаты оказываются применимыми к лазерам вблизи трога генерации. Известно, что активный резонатор при низких значениях коэффициента усиления характеризуется практически такими же, что и соответствующий пассивный резонатор, распределениями амплитуды и фазы поля на поверхности зеркал, а также потерями, связанными с дифракционными эффектами.

Заметим также, что для пассивных резонаторов развиты достаточно сильные методы расчета. Эти методы могут быть использованы для решения целого ряда задач, относящихся к активным резонаторам.

Вместе с тем нельзя забывать, что наличие усиливающей активной среды вносит определенную специфику в процесс формирования поля в резонаторе (см., например, [9]). Прежде всего следует отметить конкуренцию мод, приводящую к перераспределению генерируемой мощности из одних мод в другие. Это перераспределение может происходить как по шкале частот (между продольными модами) так и в пространстве (между поперечными модами). Активная среда обусловливает конкуренцию мод благодаря нелинейно-оптическому эффекту насыщения усиления. Насыщение усиления на определенных частотах может приводить к появлению «провалов» в профиле линии усиления (эффект «выгорания дыр»). Насыщение усиления может приводить также к тому, что более добротными становятся не низшие, а высшие поперечные моды (моды с относительно большими значениями поперечных индексов). Остановимся на этом подробнее.

В пассивном резонаторе наименьшими потерями характеризуются, как правило, низшие поперечные моды и прежде всего основная мода Именно эти моды будут в первую очередь возбуждаться при наличии усиления. Интенсивность поля в них будет возрастать и может достичь насыщения. Это означает, что коэффициент усиления в той области активной среды, которая эффективно охватывается низшими модами (т. е. вблизи оси резонатора), становится минимальным. В результате плотность инверсной заселенности вблизи оси резонатора может оказаться

Рис. 2.8

ниже, чем в периферийной области. В этом случае начнут возбуждаться поперечные моды высших порядков, занимающие большие объемы в активной среде (охватывающие, в частности, периферийные области). Перераспределение мощности из низших мод в высшие может привести к существенному изменению пространственной структуры поля в резонаторе.

Наряду с эффектом насыщения усиления следует учитывать и другие факторы, влияющие на формирование поля излучения в активном резонаторе. Так, например, дисперсия показателя преломления активной среды может приводить к так называемому эффекту затягивания частот [10], проявляющемуся в нарушении эквидистантности спектра резонансных частот: резонансные частоты более плотно группируются вблизи центра линии усиления. Нагревание активной среды при поглощении излучения накачки приводит к изменению ее показателя преломления. В результате возникает так называемый эффект тепловой линзы. активный элемент действует на излучение внутри резонатора подобно собирающей либо рассеивающей линзе (см., например, [11]).

В резонаторе, заполненном твердотельной (кристаллической, стеклянной) активной средой, могут возбуждаться дополнительные моды, появление которых связано с явлением полного внутреннего отражения от боковой поверхности активного элемента. Введя угол между направлением распространения моды и оптической осью резонатора, разобьем эти моды на две группы. Моды, для которых циркулируют в поперечном сечении активного элемента (кольцевые моды) — см. рис. 2.8, а. Моды, для которых перемещаются в направлении оптической оси — см. рис. 2.8, б. Моды первой группы являются паразитными. Моды второй группы могут быть использованы для создания волноводных резонаторов [12]. Рассмотрение дополнительных мод, реализующихся в заполненных резонаторах, проводится, в частности, в [3,13].

Обычно на практике активный резонатор содержит некоторый набор элементов (включая активный элемент), разделенных воздушными промежутками. Следовательно, при рассмотрении такого резонатора надо учитывать наличие целого набора отражающих поверхностей, куда входят наряду с зеркалами резонатора торцевые поверхности элементов, находящихся в резонаторе (в том числе торцевые поверхности активного элемента). В этом случае резонатор уподобляется нескольким взаимно связанным резонаторам. Интерференционные эффекты, возникающие в системе связанных резонаторов, могут существенно повлиять на спектр резонансных частот.

В данной главе основное внимание будет уделено пассивным резонаторам. Отдельно будут рассмотрены вопросы влияния активной среды на спектр генерации (эффекты «выгорания дыр» и затягивания частот) и на пространственную структуру поля излучения (эффект тепловой линзы), а также волноводные резонаторы и тонкопленочные лазеры. Подчеркнем, что вопросы формирования поля в активных резонаторах органически связаны с динамикой процессов в генерирующих лазерах. Это — большой и принципиально важный круг вопросов. Он будет рассматриваться в третьей главе книги.