Rezonator optic

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 12 ianuarie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Rezonator optic (rezonator laser) - un set de mai multe elemente reflectorizante care formează un rezonator deschis (spre deosebire de rezonatoarele cu cavitate închisă utilizate în domeniul microundelor ), formând o undă luminoasă staționară. Cavitățile optice sunt unul dintre elementele principale ale laserelor , oferind feedback pozitiv pentru a se asigura că radiația laser trece prin mediul activ de mai multe ori, rezultând o creștere a ieșirii luminii.

În domeniul optic, un rezonator cu dimensiuni de ordinul unei lungimi de undă nu poate fi utilizat din cauza dificultăților tehnologice și din cauza unei scăderi accentuate a factorului de calitate; un rezonator de tipul unei cavități metalice închise de dimensiuni mari în comparație cu lungimea de undă nu poate fi utilizat din cauza densității mari a oscilațiilor sale naturale, ceea ce duce la o pierdere a proprietăților rezonante. Sunt necesare rezonatoare cu un spectru rarefiat de oscilații naturale. Aceste proprietăți sunt posedate de rezonatoare deschise, ceea ce determină utilizarea lor în domeniul optic.

Lumina este reflectată în mod repetat, formând unde staționare cu anumite frecvențe de rezonanță . Modurile longitudinale diferă, de regulă, numai în frecvență, în timp ce modurile transversale au o distribuție semnificativ diferită a intensității în secțiunea transversală a fasciculului. Cele mai utilizate rezonatoare optice sunt formate din două elemente reflectorizante, cum ar fi oglinzile sau reflectoarele de colț, iar cel mai simplu rezonator optic este interferometrul Fabry-Perot , care constă din două oglinzi paralele plate. Cu toate acestea, pentru lasere, cazul a două oglinzi plate nu este folosit foarte des din cauza complexității alinierii. Se folosesc rezonatoare cu oglinzi sferice. Astfel de rezonatoare diferă prin raza de curbură (și, prin urmare, prin distanța focală) a elementelor reflectorizante și distanța dintre ele. Parametrii geometrici ai rezonatorului sunt aleși în funcție de cerințele de stabilitate, precum și de alți factori, cum ar fi, de exemplu, formarea celei mai mici talii fasciculului optic.

Cavitățile optice sunt de obicei proiectate pentru a avea cel mai înalt factor de calitate (de ordinul ) : lumina trebuie reflectată de cât mai multe ori posibil fără a se degrada, astfel încât lățimea vârfurilor rezonante este foarte mică în comparație cu frecvența laserului. $10^{3}-10^{9}$

Moduri rezonatoare

Lumina din rezonator este reflectată în mod repetat de oglinzi. Fasciculele reflectate interferează , determinând doar anumite distribuții de câmp la anumite frecvențe să fie reținute în rezonator, radiația la alte frecvențe sau cu o distribuție diferită fiind anulată prin interferență sau părăsirea rapidă a rezonatorului. Distribuțiile care se repetă peste o trecere completă a rezonatorului sunt cele mai stabile și se numesc moduri proprii sau moduri rezonatoare. Modurile de cavitate optică sunt împărțite în două grupe: longitudinale, care diferă ca frecvență, și transversale, care diferă atât în frecvență, cât și în distribuția câmpului în secțiunea transversală a fasciculului. De obicei, modul transversal fundamental este un fascicul gaussian .

Cercetări de A. Fox și T. Lee în 1960-1961. a oferit o imagine clară a formării modurilor proprii ale unui rezonator deschis, luând în considerare modificările distribuției amplitudinii și fazei unei unde inițial plane în timpul trecerilor sale succesive multiple prin rezonator. Analiza lui Fox și Lee, efectuată de aceștia pentru rezonatoare deschise de tip interferometru Fabry-Perot în mai multe configurații geometrice (oglinzi plate dreptunghiulare, oglinzi plate rotunde), precum și pentru oglinzile confocale sferice și parabolice, a condus la următoarele concluzii:

Rezonatoarele deschise sunt caracterizate printr-un set discret de moduri de vibrație.
Undele plane omogene nu sunt moduri normale ale rezonatoarelor deschise
Undele electromagnetice corespunzătoare modurilor proprii ale rezonatorului sunt aproape complet transversale. Prin urmare, modurile sunt notate prin simbolul TEM.
Modurile de ordin superior au pierderi de difracție mai mari decât modul fundamental.
Pentru modul fundamental, amplitudinea câmpului scade puternic spre marginile oglinzii. Prin urmare, pierderile sale de difracție sunt mult mai mici decât cele prezise pe baza conceptului de unde plane omogene și sunt neglijabile în situații reale.

Frecvența de mod a unei cavități optice goale cu oglinzi ideale infinit de mari satisface relația:

\Omega _{qnm}={\frac {c}{L}}(\pi q+(1+n+m)\arccos {\sqrt {g_{1}g_{2}}})

Unde - Frecvența unghiulară a modului cu indici q,n,m. q - indicele modului longitudinal, n,m - indicii modului transversal. c este viteza luminii. L este distanța dintre oglinzi pentru un rezonator plat și jumătate din perimetrul pentru un rezonator inel. - parametrii g ai rezonatorului (vezi #Stabilitatea rezonatorului ). [unu] $\Omega _{qnm)$ $g_{1},g_{2}$

Tipuri de rezonatoare

Rezonatoarele optice pot conține un număr mare de elemente reflectorizante și alte elemente, dar cel mai des sunt utilizate rezonatoare cu două oglinzi, ale căror oglinzi sunt plate sau sferice. În funcție de razele oglinzilor și de aranjarea lor reciprocă, se disting următoarele tipuri de rezonatoare cu două oglinzi ( și sunt razele de curbură ale oglinzilor): $R_{1}$ $R_{2}$

Plan-paralel ( ) - așa-numitul rezonator Fabry-Perot . Un tip de rezonator cu oglinzi plan-paralele utilizat pe scară largă în tehnologia laser este un rezonator cu reflectoare Bragg , care sunt structuri dielectrice sau semiconductoare multistrat. $R_{1}=R_{2}=\infty$

Confocal ( ). Rezonatorul confocal este format din două oglinzi sferice identice ale căror focare și coincid. Câmpul într-un astfel de rezonator este concentrat în apropierea axei, ceea ce reduce pierderile de difracție. Acest tip de rezonator nu este foarte sensibil la dezaliniere, dar volumul regiunii active este utilizat ineficient. $R_{1}=R_{2}=L$ $F_{1}$ $F_{2}$
Semiconfocal ( ). Rezonatorul semi-confocal este format dintr-o oglindă plată și una sferică, a căror rază de curbură este egală cu de două ori lungimea rezonatorului. Prin proprietățile sale, este similar cu un rezonator confocal cu o lungime dublată. $R_{1}=2L,R_{2}=\infty$
Concentric ( ). Rezonatorul concentric este format din două oglinzi sferice ale căror axe și centre de curbură coincid. În astfel de rezonatoare, pierderea de difracție pentru modurile non-axiale crește rapid, ceea ce este utilizat pentru selectarea modului. $R_{1}=R_{2}=L/2$
Semiconcentric ( ). Format dintr-o oglindă sferică și o oglindă plată, proprietățile sale sunt apropiate de cele ale unui rezonator concentric. $R_{1}=L,R_{2}=\infty$

Stabilitatea rezonatorului

Rezonatorul este numit instabil atunci când un fascicul arbitrar, reflectat succesiv din fiecare dintre oglinzi, se îndepărtează la o distanță nelimitată de axa rezonatorului. În schimb, se spune că un rezonator în care fasciculul rămâne într-o regiune limitată este stabil. Într-un rezonator format dintr-o pereche de oglinzi, numai pentru o anumită gamă de lungimi a rezonatorului și razele de curbură ale oglinzilor, este posibil să se îndeplinească condițiile care asigură o localizare stabilă a luminii în rezonator, altfel secțiunea transversală a fasciculului va crește cu fiecare trecere, devenind mai mare decât dimensiunile oglinzilor și, în cele din urmă, se vor pierde.

Raportul dintre razele de curbură ale oglinzilor și lungimea optică a rezonatorului pentru a asigura stabilitatea (în plus, prima oglindă este la dreapta, iar a doua la stânga, iar raza de curbură este considerată pozitivă dacă fasciculul, mergând de la stânga la dreapta, întâlnește partea convexă a oglinzii sferice; de exemplu, pentru cazul concentric : ) trebuie să satisfacă următoarea relație: $R_{1},R_{2}$ $L$ $R_{1}=-L/2<0,R_{2}=L/2>0$

0\leqslant \left(1+{\frac {L}{R_{1}}}\right)\left(1-{\frac {L}{R_{2}}}\right)\leqslant unu.

Introducerea notației

g_{1}=1+{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}

este convenabil să se arate grafic regiunile de stabilitate în coordonate . Zonele întunecate din figură corespund valorilor la care rezonatorul este stabil. La limita acestor regiuni, fasciculul poate fi atât stabil, cât și instabil. $g_{1},g_{2}$

Rezonatoare instabile

Rezonatoarele instabile pot fi împărțite în două clase: 1) rezonatoare de ramură pozitivă, care îndeplinesc condiția și 2) rezonatoare de ramură negativă, care corespund condiției Cu o secțiune transversală atât de mică, puterea de ieșire (energia) a radiației laser, care poate fi obținută într-un singur mod transversal, se dovedește inevitabil a fi limitată. La rezonatoarele instabili, însă, câmpul nu tinde să se concentreze în apropierea axei, iar în regimul unui mod transversal se poate obține un volum mare de mod. Totuși, acest lucru ridică o altă problemă legată de faptul că razele tind să părăsească rezonatorul. Prin urmare, modurile corespunzătoare au pierderi geometrice mult mai mari decât modurile unui rezonator stabil. Cu toate acestea, această circumstanță poate fi transformată în avantaj dacă razele care se pierd la ieșirea din rezonator sunt incluse în radiația utilă de ieșire a laserului. $g_{1}g_{2}>1$ $g_{1}g_{2}<0.$ $g_{1},g_{2}$

Rezonatoare inelare

Un rezonator inel este un rezonator optic în care lumina se propagă de-a lungul unei căi închise într-o direcție. Rezonatoarele inelare volumetrice constau din trei sau mai multe oglinzi orientate astfel încât lumina să fie reflectată succesiv din fiecare dintre ele, făcând o revoluție completă. Rezonatoarele inelare găsesc o aplicație largă în giroscoape laser și lasere .

Selecție de modă

Selecția modului este un set de metode care oferă un mod în care rezonatorul acceptă doar unul sau câteva moduri de oscilație selectate. Toate aceste metode se bazează pe crearea de pierderi în cavitatea optică sau câștig în mediul activ care nu sunt aceleași pentru diferite moduri. Există mai multe moduri de a selecta ambele moduri longitudinale, al căror câmp oscilează (schimbări de semn) de-a lungul axei rezonatorului, și moduri transversale, al căror câmp oscilează și în direcția transversală.

Selectarea modurilor transversale este de obicei folosită pentru a crea generarea numai pe modul transversal zero, care are un diametru minim și se caracterizează printr-un profil de intensitate neted și divergență minimă. Selecția se realizează, de regulă, prin plasarea unei diafragme în interiorul rezonatorului, care ascunde toate modurile transversale cu marginile sale, cu excepția celui zero. Împreună cu aceasta, rezonatoarele instabili sunt uneori folosite pentru a selecta moduri transversale, în care dimensiunile tuturor modurilor sunt crescute artificial într-o asemenea măsură încât oglinzile rezonatoare sau elementul activ încep să joace rolul diafragmelor. Sunt posibile și alte metode - de exemplu, prin plasarea de cristale fotonice în rezonator . Selectarea modului longitudinal este utilizată în principal pentru a produce radiații monocromatice. Selecția din cauza pierderilor inegale se realizează prin plasarea în interiorul rezonatorului de oglinzi semitransparente suplimentare sau elemente dispersive (prisme, rețele, interferometre).

Oglinzile suplimentare, împreună cu cele principale, formează unul sau mai multe rezonatoare suplimentare asociate cu cea originală. Doar acele moduri longitudinale ale rezonatorului original cu două oglinzi care sunt cel mai puțin cuplate la rezonatorul suplimentar cu Q scăzut intră în generație. Elementele dispersive, cum ar fi prismele și rețelele, deviază razele cu lungimi de undă diferite în unghiuri diferite. Ca rezultat, un rezonator de înaltă calitate este format numai pentru un spectru îngust de frecvențe de mod. Interferometrele intracavitate selectează moduri longitudinale datorită faptului că au o bună transparență doar pentru secțiuni înguste ale spectrului de mod. Selecția din cauza neuniformității câștigului se efectuează în principal în laserele inelare cu stare solidă, în urma căreia are loc generarea unidirecțională (undă de călătorie). În aceste condiții, uniformitatea lărgirii liniei de amplificare a mediului activ începe să se manifeste puternic, iar spectrul laserului se îngustează la unul sau două moduri.

Factorul de calitate al rezonatoarelor optice

Sistemele oscilatoare sunt de obicei caracterizate de un factor de calitate Q. Factorul de calitate al unui rezonator poate fi determinat în mai multe moduri, care sunt echivalente la valori mari ale factorului de calitate. [2]

Aplicații ale rezonatoarelor optice

Vezi și

Note

↑ Radina T. V. , Stankevich A. F. Rezonanța și fenomenele parametrice în problemele de generare și propagare a radiației laser. - Sankt Petersburg: Editura Universității de Stat din Sankt Petersburg, 2009. - S. 39-43. — 231 p. - ISBN 978-5-288-04965-1 .
↑ Copie arhivată (link nu este disponibil) . Preluat la 1 iulie 2015. Arhivat din original la 24 septembrie 2015. (nedefinit)

3. Formarea și selectarea modurilor transversale în cavitățile laser : monografie / A. V. Degtyarev, V. A. Maslov, V. A. Svich, A. N. Topkov. - H. : V. N. Karazin KhNU, 2017. - 212 p. ISBN 978-966-285-374-2