Разрезной кольцевой резонатор. Кольцевой резонатор

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР - совокупность неск. отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов , применяемых в диапазоне СВЧ). Для длин волн < 0,1 см использование закрытых резонаторов, имеющих размеры d ~ затруднительно из-за малости d и больших потерь энергии в стенках. Использование же объёмных резонаторов с d > также невозможно из-за возбуждения в них большого числа собств. колебаний, близких по частоте, в результате чего резонансные линии перекрываются и резонансные свойства практически исчезают. В О. р. отражающие элементы не образуют замкнутой полости, поэтому большая часть его собств. колебаний сильно затухает и лишь малая часть их затухает слабо. В результате спектр образовавшегося О. р. сильно разрежен.
О. р. - резонансная система лазера ,определяющая спектральный и модовый состав лазерного излучения, а также его направленность и поляризацию. От О. р. зависит заполненность активной среды лазера полем излучения и, следовательно, снимаемая с неё мощность излучения и кпд лазера.
Простейшим О. р. является интерферометр Фабри - Перо , состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Если между зеркалами, расположенными на расстоянии d друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения её от зеркал в пространстве между ними образуются стоячие волны (собств. колебания). Условие их образования где q - число полуволн, укладывающихся между зеркалами, наз. продольным индексом колебания (обычно q ~ 10 4 - 10 6). Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью c/2d (эквидистантный спектр). В действительности из-за дифракции на краях зеркал поле колебаний зависит и от поперечных координат, а колебания характеризуются также поперечными индексами т , п , определяющими число обращений поля в 0 при изменении поперечных координат. Чем больше т и п , тем выше затухание колебаний, обусловленное излучением в пространство (вследствие дифракции света на краях зеркал). Моды с т = п = 0 наз. продольными, остальные - поперечными.
Т. к. коэф. затухания колебания растёт с увеличением т и п быстрее, чем частотный интервал между соседними колебаниями, то резонансные кривые, отвечающие большим т и п , перекрываются и соответствующие колебания не проявляются. Коэф. затухания зависит также от числа N зон Френеля, видимых на зеркале диам. R из центра др. зеркала, находящегося от первого на расстоянии d: (см. Френеля зоны) . При N ~ 1 остаётся 1 - 2 колебания, сопутствующих осн. колебанию (q = 1).

Двухзеркальные резонаторы . О. р. с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Этого недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами (рис. 1), в к-рых лучи, неоднократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности - каустики . Поскольку волновое поле быстро убывает вне каустики, излучение из сферич. О. р. с каустикой гораздо меньше, чем излучение из плоского О. р.

Рис. 1. Двухзеркальный резонатор.

Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что размеры каустики растут с ростом т и n . Для колебаний с большими т и п каустика оказывается расположенной вблизи края зеркал или вовсе не формируется. Сферич. О. р. с каустикой наз. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отражении не уходит из приосевой области (рис. 2,а ). Устойчивые О. р. нечувствительны к небольшим смещениям и перекосам зеркал, они применяются с активными средами, обладающими небольшим усилением (10% на один проход). Для сред с большим усилением используются неустойчивые О. р., в к-рых каустика образоваться не может; луч, проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней, после отражений неограниченно удаляется от оси. На рис. 2(б )дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. соотношениях между радиусами R 1 и R 2 зеркал и расстоянием d между ними. Незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные - их отсутствию. Точки, соответствующие резонатору с плоскими (П) и концентрическими (К) зеркалами, лежат на границе заштрихованных областей. На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. р. расположен также конфокальный О. р. (R 1 = R 2 = d) . Из устойчивых О. р. наиб. часто используется полуконфокальный (R 1 = х R 2 = 2d ), из неустойчивых - телескопический О. р. (R 1 + R 2 = 2d ). Потери на излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов значительно больше, чем для осн. колебания. Это позволяет добиться одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленности излучения.

Рис. 2. Образование каустики (а )и диаграмма устойчивости двухзеркальных резонаторов (б ): знаком плюс отмечены области устойчивости; минусом - области неустойчивости; сплошные линии - границы этих областей; П - резонатор с плоскими зеркалами; Конф. - конфокальный резонатор; К - концентрический резонатор; пунктир - линия телескопических резонаторов.

Теория. Распределение электрич. поля Е устойчивого О. р. в плоскости, перпендикулярной оси О. р. (z ), описывается выражением

Здесь Е 0 - коэф., определяющий амплитуду поля; Н т,п - полиномы Эрмита (см. Ортогональные полиномы) т -й и n -й степеней: Н 0 (х) = 1, Н 1 (x) = 2х, Н 2 (х) = 4x 2 - 2, Н 3 (х) = 8х 3 - 12x ; W - поперечный радиус продольной моды (на расстоянии от оси О. р., равном W , плотность энергии продольной моды уменьшается в е раз). Зависимость W(z )имеет вид

где а z отсчитывается от т. н. перетяжки продольной моды, т. е. от той точки на оси резонатора, где её радиус имеет наим. значение, равное W 0 (рис. 2,а ). Расстояние от перетяжки до зеркала R 1

радиус продольной моды в перетяжке

Частотный спектр двухзеркального О. р. задаётся условием

Распределение поля на зеркале показано на рис. 3. Т. к. частотный спектр двухзеркального О. р. вырожден (зависит лишь от суммы т + n , но не от каждого из индексов в отдельности), то Е(х,у )может отличаться от (1). Конкретный вид распределений зависит от слабых возмущающих действий со стороны диафрагм или др. объектов в области, занимаемой пучком. В частности, при осевой симметрии возможны распределения полей (рис. 4), описываемые в цилиндрич. координатах (r, , z )выражением

Здесь l, p - индексы колебания, определяющие число обращений поля в 0 при изменении r иW(z) - радиус продольной моды; - обобщённый полином Лагерра:

Спектр О. р. при осевой симметрии определяется соотношением (2), где (т + п + 1) следует заменить на (2р + l+ 1).

Рис. 3. Распределение поля на зеркале при прямоугольной симметрии.

Рис. 4. Распределение поля на зеркале при осевой симметрии; * соответствует распределению поля при сложении двух ортогонально поляризованных мод.

Составной резонатор. Кроме зеркал О. р. часто содержит т. н. активные элементы (пластинки, линзы и др.). Составной О. р. может работать в двух режимах в зависимости от того, используется или теряется излучение, отражённое от промежуточных поверхностей. Если отражённое излучение используется, то О. р. наз. согласованным. Каждая часть согласованного О. р., заключённая между двумя соседними поверхностями раздела, может рассматриваться как отд. резонатор, причём поперечные моды этих резонаторов подбирают так, чтобы они совпадали на границах раздела. Условие согласования (рис. 5) имеет вид

Согласованный О. р. обладает неэквидистантным спектром и может быть использован для разрежения продольного спектра О. р. (см. ниже).
Важной проблемой в случае составного О. р. является эфф. заполнение активной среды лазера полем выбранной моды. Если составной О. р. обладает осью или плоскостью симметрии, то продольная мода (как и у двухзеркального О, р.) является гауссовым пучком (см. Квазиоптика ).Его прохождение через оптич. элементы описывается матрицами этих элементов (см. Матричные методы в оптике), а прохождение через О. р. описывается матрицей, являющейся произведением матриц составляющих его оптич. элементов. При этом комплексный параметр гауссова пучка q определяется ур-нием

Cq 2 + (D - A)q - B = 0 .

Коэф. А, В, С, D образуют матрицу О. р. Это ур-ние, а также соотношения R = -l , = [kIm (1 /q )] -1 позволяют определить поперечный радпус пучка и радиус кривизны волнового фронта R в любом сечении резонатора.

Селекция продольных мод . Для разрежения (селекции) продольных мод, имеющих одинаковое поперечное распределение поля, но отличающихся частотой, используются резонаторы, содержащие дисперсионные элементы (призмы, дифракц. решётки, интерферометры и др.). В частности, в качестве дисперсионного элемента применяют дополнит. О. р., связанные с основным и образующие т. н. эквивалентное зеркало, коэф. отражения к-рого r зависит от частоты v . Для удаления из спектра одной из продольных мод наиб. пригоден линейный трёхзеркальный О. р. (рис. 6,а ), для выделения в спектре одной продольной моды - резонатор Фокса - Смита (рис. 6,б ) и Т-образный (рис. 6,в ). В нек-рых случаях удобен О. р. Майкельсона (рис. 6,г) .

Рис. 6. Различные типы связанных резонаторов (I) и зависимость коэффициента отражения эквивалентного зеркалаот частоты v (II).

В лазерах на красителях применяется комбинация дифракц. решётки и интерферометра Фабри - Перо (рис. 7). При этом интерферометр выделяет одну продольную моду, а решётка предотвращает генерацию на др. порядках интерферометра. Линзы Л 1 и Л 2 , образующие т. н. телескоп, согласуют узкий пучок, проходящий через активную среду А, с широким пучком, попадающим на интерферометр и решётку.Активная среда в таком О. р. играет также роль диафрагмы, выделяющей осн. поперечную моду. Такие О. р. позволили создать перестраиваемые в широком диапазоне одночастотные лазеры на красителях .

Рис. 7. Резонатор, содержащий дисперсионные элементы (используемый в лазерах на красителях). А - кювета с активной средой; З - непрозрачное или частично прозрачное зеркало; И - интерферометр Фабри - Перо; Д - дифракционная решётка.

Селекция поперечных мод основана на различии в распределении полей поперечных мод с разными т и п . Т. к. обычно требуется выделить осн. моду, к-рая имеет мин. угл, расходимость, гауссово распределение и мин. протяжённость в поперечном направлении, то применяется диафрагмирование пучка внутри О. р. Радиус диафрагмы ориентировочно должен быть равен поперечному радиусу моды, следующей за основной. При этом потери всех мод, кроме основной, сильно увеличиваются.
При селекции поперечных мод необходимо, чтобы оставшаяся единств. мода эффективно заполняла активную среду. Поэтому важны границы зон устойчивости (рис. 2,6 ), где поперечные размеры мод увеличиваются: 1) радиус моды увеличивается во всём объёме, если расстояние d между зеркалами постоянно, а радиусы крпвизны зеркал R l и R 2 (при этом сильно увеличивается чувствительность резонатора к разъюстировкам); 2) радиус моды увеличивается на 1-м зеркале и уменьшается на 2-м, если dR 1 (R 2 >R 1 ); 3) радиус моды увеличивается на 2-м зеркале и уменьшается на 1-м, если d R 2 ; 4) радиус моды увеличивается на обоих зеркалах и уменьшается в области их центров кривизны, если d (R 1 + R 2).
При необходимости выделения к--л. высшей моды на нулевой линии распределения поля этой моды помещают тонкую рассеивающую нить, к-рая не оказывает влияния на избранную моду и подавляет др. моды, не обращающиеся в 0 на этой линии.
Резонаторы с анизотропными элементами. Поляризация лазерного излучения определяется т. н. анизотропными элементами, находящимися в О. р. Такими элементами являются двулучепреломляющие пластины, поляризаторы ,вещества, обладающие оптической активностью , и др., а также пластины Брюстера и диэлектрич. зеркала при наклонном падении на них излучения. Определение поляризации производится матричным методом Джонса. При этом поляризац. матрица всего О. р. является произведением матриц входящих в него элементов, расположенных в том порядке, в к-ром через эти элементы проходит излучение начиная с того места, где требуется определить состояние поляризации. Собств. векторы поляризац. матрицы являются векторами Джонса Е (Е х,Е у ) полей, генерируемых в О. р. Степень поляризации е и направление гл. оси эллипса поляризации а определяются соотношениями

где R = |Е х | / |Е у |,= arcig(E y /E x) .

Модули собств. значений матрицы Джонса определяют потери О. р., обусловленные поляризаторами, а фазы собств. значений - поляризац. поправки к частотам соответствующих мод. Подбирая анизотропные элементы, можно добиться требуемого состояния поляризации. Учитывая, что обычно анизотропные элементы обладают заметной дисперсией, можно использовать их также для разрежения продольного спектра.

Кольцевые резонаторы . Спектр собств. частот кольцевого О. р., образованного тремя одинаковыми сферич. зеркалами радиуса R , расположенными в вершинах равностороннего треугольника со стороной а (рис. 8), определяется соотношением

Рис. 8. Кольцевые оптические резонаторы.

Перетяжки мод находятся на серединах сторон треугольника; поперечные протяжённости мод в области перетяжки в плоскости осевого контура равны:

Если у резонатора лишь одно зеркало сферическое, а два плоских (рис. 8,6) , то его спектр определяется соотношением

Поперечные протяжённости мод в области перетяжки, к-рая находится на середине стороны треугольника, противолежащей сферич. зеркалу в плоскости резонатора, равны:

Оптич. система, образующая О. р. с неплоским контуром, напр. система из 4 зеркал, расположенных в вершинах тетраэдра (рис. 8,в ), характеризуется тем, что изображение того или иного предмета, построенное с помощью этой системы, повёрнуто относительно самого предмета на нек-рый свойственный этой системе угол. Для тетраэдра этот угол равен где - углы между соседними плоскостями падения лучей на зеркала (грани тетраэдра), к-рые отсчитываются так, что тетраэдр лежит внутри угла. Продольной модой О. р. с неплоским контуром является пучок, у к-рого гл. оси эллиптич. амплитудного распределения развёрнуты на нек-рый угол относительно гл. линий кривизны волнового фронта. Благодаря этому амплитудное распределение при распространении пучка в свободном пространстве испытывает поворот, к-рый компенсирует поворот, обусловленный объёмным расположением зеркал. Кольцевые О. р. с неплоским контуром применяются, напр., в лазерных гироскопах . Они позволяют, в частности, избавиться от анизотропии, свойственной кольцевым О. р. с плоским контуром.

Неустойчивые резонаторы обладают высокими потерями на излучение во внеш. пространство (см. выше). Потери возрастают с увеличением т и п , благодаря этому неустойчивые О. р. обеспечивают одномодовую (по т и п )генерацию. Достоинством неустойчивых О. р. является большая поперечная протяжённость осн. моды, вследствие чего они могут быть использованы с активными средами большого поперечного сечения. Вывод энергии из неустойчивого О. р., как правило, осуществляется не сквозь зеркала, как в устойчивых О. р., а за краями одного из зеркал. В неустойчивых О. р. существенную (отрицат.) роль играет волна, отражённая от края зеркала и сходящаяся к оси О. р. Для уменьшения такого отражения применяют сглаживание края зеркала, к-рому придаётся звездообразная форма, скругляются края и т. п.
Осн. мода неустойчивого О. р. образована двумя сферич. волнами, распространяющимися между зеркалами навстречу друг другу. В случае телескопич. неустойчивого О. р. (рис. 9) одна из волн может быть плоской. Центр сферич. волны лежит на расстоянии х = R 2 /2 за выпуклым зеркалом с радиусом кривизны R 2 . Вогнутое зеркало должно обладать при этом радиусом кривизны |R 1 | = R 2 + 2d (R l < 0). При достаточно больших поперечных размерах 1-го зеркала пучок излучения кольцевой формы выводится в сторону выпуклого зеркала с волновым фронтом, близким к плоскому.
Неустойчивые О. р. с вращением поля образуются де-фокусирующей системой зеркал, расположенных в вершинах неплоского многоугольника. Однако наиб. важны О. р., образуемые двумя двугранными уголковыми отражателями (рис. 10), рёбра к-рых развёрнуты друг относительно друга на угол. Если одна или неск. граней отражателей являются выпуклыми, то О. р. неустойчив.

Рис. 9. Неустойчивый телескопический резонатор.

Рис. 10. Линейный резонатор с вращением поля, образованный уголковыми отражателями.

Поле при полном обходе такого резонатора испытывает поворот на угол Достоинством неустойчивого О. р. с вращением поля является возможность вывода излучения в виде не кольцевого пучка, как в обычном неустойчивом О. р., а односвязного компактного пучка (рис. 11).

Рис. 11. Вывод энергии в виде компактного односвязного пучка из неустойчивого резонатора с вращением поля наАС - ребро уголкового отражателя зеркала, вблизи которого выводится пучок излучения (заштрихован), НН" - обрез того же зеркала, GG" - ребро второго уголкового отражателя.

Лит.: Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, М., 1966; Ананьев Ю. А., Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979; Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М Прохорова, т. 2, М., 1978, гл. 22, 23; Карлов Н. В., Лекции по квантовой электронике, 2 изд., М., 1988.

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере. Техническим результатом изобретения является создание оптического резонатора, позволяющее минимизировать массогабаритные характеристики газовых лазеров, и повышение технологичности их изготовления. Кольцевой оптический резонатор содержит систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии. Зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями. При этом зеркала расположены друг относительно друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2388123

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере.

Широкое применение в конструкциях технологических лазеров получили линейные оптические резонаторы с расположением зеркал на одной прямой, являющейся общей оптической осью зеркал (ось резонатора) (Тарасов Л.В. Лазеры и их применение. "Радио и связь", 1983). Недостатком упомянутых резонаторов являются повышенные значения массогабаритных характеристик лазерных установок, выполненных на их основе. Вызвано это тем, что проточные каналы лазера, предназначенные для прокачки газовой активной среды, имеют коробчатую форму с прямоугольным поперечным сечением. Технологичность подобной конструкции низкая, так как для высокоточной обработки каналов прямоугольной формы необходимо специальное оборудование.

Известные кольцевые оптические резонаторы обеспечивают циркуляцию светового потока по некоторому замкнутому контуру. Этого достигают, используя систему из трех (или более) зеркал, соответствующим образом расположенных друг относительно друга. (Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, стр.500). Недостатком известных кольцевых резонаторов является то, что при их применении не достигается необходимое снижение параметров массогабаритных характеристик лазерной установки.

Задачей изобретения является устранение недостатков известного кольцевого оптического резонатора и создание кольцевого резонатора, позволяющего минимизировать массогабаритные характеристики газовых лазеров, повысить технологичность их изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном кольцевом оптическом резонаторе, содержащем систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены друг относительно друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость.

Улучшить эксплуатационные свойства лазерной установки за счет

минимизации ее массогабаритных характеристик;

Снизить стоимость изготовления лазерной установки за счет повышения ее технологичности.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, фиг.2, где приведены проекции конструктивной схемы кольцевого оптического резонатора (далее по тексту - "резонатор").

На фиг.1 приведено продольное сечение Б-Б с изображением конструктивных элементов резонатора. На фиг.2 приведено (в увеличенном масштабе) поперечное сечение А-А с изображением конструктивных элементов резонатора.

Позициями обозначены:

1 - зеркало, расположенное вдоль наружной цилиндрической поверхности;

2 - зеркало, расположенное вдоль внутренней цилиндрической поверхности;

3 - система зеркал 1, 2;

4 - оптическая ось системы зеркал;

5, 6 - коаксиальные цилиндрические поверхности - наружная и внутренняя;

7 - кольцевая полость;

8 - ось коаксиальных цилиндрический поверхностей;

9 - выходное окно светового пучка лазера;

10 - излучающее отверстие (отверстия);

11 - отрезок оптической оси - направление начального возбуждения активной среды;

12 - отверстие для ввода фотонов начального возбуждения активной среды.

Стрелками "Вход", "Выход" на фиг.1 показано направление течения активной среды через кольцевую полость 7 резонатора.

Резонатор, фиг.1, 2, является составной частью лазера и предназначен для возбуждения электромагнитных волн оптического диапазона (остальные части лазера на фиг.1, 2 не изображены).

Резонатор представляет собой систему (совокупность) 3 зеркал 1, 2, расположенных вдоль поверхностей кольцевой полости 7, образованной коаксиальными цилиндрическими поверхностями 5 и 6. Зеркала 1, 2 системы 3 расположены друг относительно друга так, что образуют в сечениях А (фиг.2), перпендикулярных оси 8 коаксиальных цилиндров 5 и 6, оптическую ось 4 в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость 7.

В реальной конструкции газового лазера вдоль поверхностей кольцевой полости 7 расположены стенки корпуса лазера, образующие канал. В канале установлена система зеркал 3, вдоль которых прокачивается газ, являющийся активной средой с достигнутым состоянием инверсии (устройство для достижения состояния инверсии активной среды здесь не рассматривается).

Резонатор работает следующим образом.

Для включения резонатора в режим стационарной генерации в активной среде создается начальное возбуждение (толчок), например, в виде фотонов, испущенных через отверстие 12 вдоль отрезка 11 оптической оси резонатора (устройство для формирования начального возбуждения активной среды здесь не рассматривается).

Упомянутые фотоны, многократно отражаясь зеркалами 1, 2 системы 3, вновь и вновь проходят через активную среду по замкнутой ломаной линии оптической оси 4, вызывая нарастающую лавину актов вынужденного излучения. Процесс сопровождается потерями энергии. Потери складываются из внутренних потерь (например, из-за поглощения и рассеяния света в активной среде, зеркалах и других элементах лазера) и потерь излучения энергии через выходное окно 9. Выходное окно выполняется в виде полупрозрачного зеркала или в виде зеркала с излучающим отверстием (отверстиями) 10.

При непрерывной генерации лавинообразное нарастание мощности вынужденного излучения ограничивается нелинейными процессами в активной среде и мощностью источника накачки. В результате этих ограничений рост интенсивности волны прекращается.

Работа резонатора (обеспечивающая излучение лазера) продолжается в течение времени поддержания накачки активной среды от внешнего источника энергии.

Зеркала системы 3 могут быть выполнены или в виде набора отдельных элементов 1 (фиг.2), или в виде цельной детали - кольца, грани которого образуют зеркала 2 (фиг.2).

При необходимости изменения пространственных характеристик лазерного пучка используются известные технические средства, которые здесь не рассматриваются.

Предлагаемая конструкция резонатора может быть использована и в твердотельных лазерах.

Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты:

Уменьшить массогабаритные характеристики газового лазера за счет выполнения его проточной части осесимметричной формы вместо коробчатой. Снижение массогабаритных характеристик особенно важно для лазеров, предназначенных для размещения на транспортных средствах;

Снизить стоимость изготовления лазера за счет повышения его технологичности путем замены корпусных деталей резонатора коробчатой формы на осесимметричные.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Кольцевой оптический резонатор, содержащий систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отличающийся тем, что зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены относительно друг друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость.

Кольцевым называется резонатор, лазерный луч в котором, пройдя через всю систему, замыкается сам на себя. Кольцевой резонатор содержит три или более зеркал, расположенных под углом друг к другу. В качестве примера на рис. 2.13 приведена оптическая схема четырехзеркального резонатора.

Рис. 2.13. Оптическая схема четырехзеркального кольцевого резонатора (зеркала М 1 , М 2 и М 3 – плотные; зеркало М 4 – полупрозрачное)

Существуют кольцевые резонаторы как с плоским оптическим осевым контуром (планарные резонаторы), так и с неплоским оптическим осевым контуром (непланарные резонаторы). Главная особенность кольцевых резонаторов заключается в том, что их модами являются бегущие волны, благодаря чему их называют резонаторами бегущей волны. При этом все моды составляют две группы встречных волн, практически не взаимодействующих друг с другом.

Для описания кольцевых резонаторов необходимо учитывать их поляризационные свойства. Такой резонатор всегда содержит анизотропные элементы, приводящие к непрерывному изменению поляризации луча. Простейшим примером такого элемента является многослойное диэлектрическое зеркало при наклонном падении на него электромагнитных волн. Исследование поляризационных свойств лазерного луча позволяет

найти спектральные расстояния между модами различных поляризаций, встречными модами и др.

Расчет собственных колебаний планарных кольцевых резонаторов удобно провести методом ABCD -матрицы, которая представляет собой произведение матриц отдельных оптических элементов, через которые проходит свет (см. прил. 1). Резонансные частоты планарного кольцевого резонатора определяются соотношением

Здесь а – сторона квадрата, R – радиус кривизны зеркал, образующих резонатор.

2. Спектр резонатора, образованного тремя одинаковыми зеркалами, расположенными в вершинах правильного треугольника, определяется соотношением

Основной проблемой при применении кольцевых резонаторов в лазерной технике является уменьшение взаимодействия между встречными волнами. Для этого встречные волны по возможности разводят по частоте с помощью невзаимных анизотропных элементов, а их поляризацию стараются сделать ортогональной.

Теория непланарных резонаторов существенно сложнее и менее развита, чем теория планарных резонаторов, хотя их свойства с практической точки зрения очень привлекательны. В данной работе эта тема не рассматривается.

2.3.5. Эффективность преобразования энергии накачки в лазерных резонаторах

Одним из главных требований, предъявляемых к лазерному резонатору, является высокая эффективность преобразования энергии, запасенной в возбужденной АС , в энергию лазерного излучения. Для достижения этого необходимо выполнить следующие условия:

1) выбрать размеры и расположение зеркал резонатора так, чтобы весь объем АС был однородно заполнен лазерным излучением;

2) оптимизировать величины коэффициентов поглощения T и отражения R зеркал резонатора. Этими величинами обусловлены потери, возникающие внутри резонатора.

В идеализированном случае предельно возможный съем энергии с единичного объема АС обусловлен плотностью потока лазерного излучения (ρ, число фотонов см-2 ·с-1 ), фотоны в которых рождаются в объеме АС за единицу времени. Однако возникший в АС поток фотонов переходит

с верхнего уровня в нижележащие уровни двумя способами: спонтанным и вынужденным путем. В свою очередь, часть фотонов вынужденных переходов поглощается внутри резонатора (вредные потери), часть их выходит в виде полезного лазерного излучения. В соответствии с этими рассуждениями выражение для эффективности преобразования энергии можно представить в виде произведения двух сомножителей:

где ρ1 и ρ2 – плотность фотонов в спонтанном и вынужденном излучении.

Таким образом, оценка эффективности преобразования энергии для многомодовой генерации с учетом всех факторов и потерь излучения в резонаторе приводит к уравнению, зависящему от многих компонент и геометрических факторов резонатора, и имеет вид:

пропорциональности между инверсной населенностью и k 0 ус ; L – длина резонатора; R – коэффициент отражения выходного зеркала резонатора; P нак . – мощность накачки.

Более сложной оказывается ситуация с расчетом эффективности лазера в случае одномодовой генерации, тем не менее уравнение (2.29) показывает способ оптимизации параметров резонатора, при котором уменьшается доля спонтанного излучения и одновременно увеличивается доля выходной мощности генерации лазера.

Кольцевой резонатор

Кольцево́й резона́тор - оптический резонатор , в котором свет распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объемные кольцевые резонаторы состоят из трёх или более зеркал , ориентированных так, что свет последовательно отражается от каждого из них совершая полный оборот. Кольцевые резонаторы находят широкое применение в лазерных гироскопах и лазерах . В волоконных лазерах применяют специальные конструкции волоконных кольцевых резонаторов, обычно имеющих вид замкнутого в кольцо оптического волокна с WDM-ответвителями для ввода излучения накачки и вывода генерируемого излучения.

См. также

• Резонатор Фабри - Перо

Литература

• Звелто О. Принципы лазеров = Principles of Lasers. - 3-е изд. - М .: Мир, 1990. - 558 с. - ISBN 5-03-001053-Х
• Agrawal G. P. Lightwave technology: components and devices. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 p. - ISBN 9780471215738
• Agrawal G. P. Applications of nonlinear fiber optics. - 2nd ed. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 p. - (Optics and Photonis Series). - ISBN 9780123743022

Ссылки

• Оптический резонатор - статья из Физической энциклопедии

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кольцевое (электродепо)
• Кольцевой ток

Смотреть что такое "Кольцевой резонатор" в других словарях:

кольцевой резонатор - Оптический резонатор, в котором распространение электромагнитных колебаний происходит по замкнутому контуру. [ГОСТ 15093 90] Тематики лазерное оборудование EN ring resonator … Справочник технического переводчика

кольцевой резонатор - žiedinis rezonatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. ring cavity; ring resonator vok. Ringresonator, m rus. кольцевой резонатор, m pranc. résonateur annulaire, m … Fizikos terminų žodynas

кольцевой резонатор - Открытый резонатор, зеркала которого обеспечивают распространение электромагнитных волн по замкнутому контуру … Политехнический терминологический толковый словарь

КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР - см. в ст. Оптический резонатор. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 … Физическая энциклопедия

Оптический резонатор - совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ), формирующих стоячую световую волну. Оптические резонаторы являются одним из основных элементов… … Википедия

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР - устройство, в к ром могут возбуждаться стоячие или бегущие эл. магн. волны оптич. диапазона. О. р. представляет собой совокупность неск. зеркал и явл. открытым резонатором, в отличие от большинства объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне… … Физическая энциклопедия

Волоконный лазер - Цельноволоконный фемтосекундный эрбиевый лазер. Волоконный лазер лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического … Википедия

Лазерный гироскоп - Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе … Википедия

Лазер в форме восьмёрки - Волоконный лазер с кольцевым резонатором в виде восьмерки. In: излучение накачки. Out: выходное излучение. 1: активное волокно. 2: поляризатор. 3: оптический изолятор. 4 WDM ответвитель. 50:50 делитель 50/ … Википедия

История изобретения лазеров - 1917 А. Эйнштейн представляет концепцию вынужденного излучения 1920 И. Франк и Ф. Райхе подтвердили существование метастабильных состояний в возбужденном состоянии 1927 Поль Дирак создает квантовую теорию вынужденного излучения 1928 Р. Ладенбург… … Википедия