КАКИЕ БЫВАЮТ РЕЗОНАТОРЫ ЛАЗЕРОВ

Мы познакомились с различными типами лазеров, отличающимися друг от друга активной средой или способом накачки. Теперь поговорим о том, какие бывают лазерные резонаторы.

Заметим, что для одного и того же типа лазера могут использоваться различные резонаторы.

Два зеркала, поставленные у концов газоразрядной трубки, зеркальные покрытия, нанесенные на торцы активного стержня, полированные противоположные грани полупроводникового кристалла - все эти резонаторы так не похожи друг на друга. И тем не менее имеем здесь дело с одним и тем же типом резонаторов-так называемым двухзеркальным линейным резонатором. Его называют линейным по той причине, что оптические оси обоих зеркал образуют общую прямую линию. Линейный резонатор может иметь три или более зеркал; это позволяет повысить степень монохроматичности излучения. В отдельных случаях зеркала располагают так, что световой пучок принимает вид ломаной линии. Такие резонаторы называют изломанными. Если ломаная линия оказывается замкнутой, то получается кольцевой резонатор.
В кольцевом резонаторе три или более зеркал размещают в плоскости таким образом, чтобы световой пучок, последовательно отражаясь от них, описывал контур плоской фигуры - треугольника в случае трех зеркал, прямоугольника в случае четырех зеркал и т.д. На одной из сторон фигуры находится активный элемент. В таком резонаторе рождаются две световые волны, бегущие по замкнутому контуру навстречу друг другу-одна по часовой стрелке, другая против. Кольцевые резонаторы применяют в специальных приборах, называемых лазерными гироскопами. Внешне они совсем не похожи на обычные гироскопы, но выполняют такие же задачи. Лазерные гироскопы широко используются в качестве бортовой аппаратуры ориентации и наведения в современной авиации и космонавтике.
Возвращаясь к двухзеркальным линейным резонаторам, отметим, что они подразделяются на устойчивые и неустойчивые. Оптический резонатор называют устойчивым, если он способен удерживать вблизи своей оси оптическое излучение; в противном случае резонатор называют неустойчивым. Устойчивость резонатора зависит от его геометрии-формы зеркал (плоские, вогнутые, выпуклые), соотношения между длиной резонатора и радиусами кривизны зеркал. Очевидный пример неустойчивого резонатора - резонатор, образованный двумя выпуклыми сферическими 132
зеркалами. Ясно, что излучение не может удерживаться в таком резонаторе.
В первые годы после появления лазеров полагали, что лазерная генерация при использовании неустойчивого резонатора невозможна и, следовательно, такие резонаторы практического интереса не представляют. Однако исследования продемонстрировали жизнеспособность лазеров с неустойчивыми резонаторами. Как оказалось, такие резонаторы можно использовать тогда, когда активная среда обладает достаточно большим усилением: не меньше 10-20% на один проход по резонатору. Более того, был обнаружен ряд преимуществ неустойчивых резонаторов перед устойчивыми. Прежде всего неустойчивые резонаторы позволяют получать пучки с очень высокой степенью когерентности-эти пучки имеют практически плоский волновой фронт. Кроме того, световое поле в неустойчивом резонаторе равномерно заполняет весь его объем (тогда как в устойчивом резонаторе оно концентрируется вблизи оси резонатора).

Рассмотрим два конкретных примера: конфокальный резонатор (как пример устойчивого резонатора) и резонатор телескопического типа (неустойчивый резонатор). Конфокальный резонатор образован двумя вогнутыми сферическими зеркалами с одинаковым радиусом кривизны, расположенными друг от друга на расстоянии, равном этому радиусу. Рождающееся в

На рисунке показан конфокальный резонатор, внутри которого находится активный элемент 7, R — радиус кривизны каждого из зеркал 2 резонатора. Видно, что световое поле сконцентрировано вблизи оси резонатора и что большая часть объема активного элемента не вносит вклада в излучение лазера, т. е. "не работает"

резонаторе световое поле заполняет вблизи оси объем, ограничиваемый поверхностью, представляющей собой гиперболоид вращения. Представьте себе гиперболу, обращенную вершиной к оси резонатора, и пусть эта гипербола вращается вокруг оси - она пишет в пространстве поверхность, называемую гиперболоидом вращения. Поле в конфокальном резонаторе имеет любопытную особенность: оно «подстраивается» под апертуры зеркал. При одинаковых апертурах гиперболоид симметричен относительно обоих зеркал. При разных апертурах поле сосредоточивается в большей мере у зеркала с большей апертурой.
Резонатор телескопического типа образован вогнутым сферическим зеркалом большой апертуры и выпуклым зеркалом с меньшей апертурой. Радиус кривизны выпуклого зеркала равен длине резонатора, а у вогнутого втрое больше; фокус обоих зеркал находится в одной и той же точке. Поле в этом резонаторе заполняет практически весь объем, фиксируемый длиной резонатора и апертурой вогнутого зеркала. Его
L

Так выглядит неустойчивый резонатор телескопического типа: 1 — активный элемент, 2 — вогнутое зеркало, 3 — выпуклое зеркало. Через L обозначена длина резонатора (хотя, надо признаться, слово "длина" в данном случае не совсем подходит), 0 — точка, в которой находятся фокусы обоих зеркал. Показан ход световых лучей внутри резонатора. Лучи, идущие слева направо, параллельны оси резонатора — им соответствует плоская световая волна. Лучи, идущие от выпуклого зеркала к вогнутому, имеют общую точку (точку 0) — им соответствует сферическая световая волна. Можно видеть, что, в отличие от конфокального резонатора, здесь световое поле полностью заполняет объем активного элемента. Иными словами, здесь "работает" весь объем активного элемента

можно рассматривать как совокупность сферических и плоских волн; от выпуклого зеркала к вогнутому идут сферические волны, а от вогнутого к выпуклому - плоские. Они и покидают резонатор, образуя лазерный луч.
Как отмечалось ранее, резонатор формирует лазерный луч. Это означает, что резонатор не только обеспечивает генерацию, но и существенно воздействует на свойства генерируемого излучения (что, кстати говоря, хорошо видно на примере неустойчивого резонатора). Значит, вопрос выбора резонатора относится к вопросам управления лазерным излучением. Остановимся на этих вопросах более подробно.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме КАКИЕ БЫВАЮТ РЕЗОНАТОРЫ ЛАЗЕРОВ:

- Популярная физика -