Исследование параметров оптических резонаторов на длине волны 1,55 мкм. Дипломная (ВКР). Физика.
🛑 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Исследование параметров оптических резонаторов на длине волны 1,55 мкм
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего
профессионального образования
«КУБАНСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО
РЕЗОНАТОРА НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1,55 МКМ
Работу
выполнил ______________________ Дымов Артем Александрович
Специальность
210401 - Физика и техника оптической связи
канд.
физ.-мат. наук, доцент __________________________ В. В. Галуцкий
Нормоконтролер
инженер ________________________ И. А. Прохорова
Дипломная работа: 65 с., 35 рис., 3 табл., 12 источников.
ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ, АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, НАКАЧКА, КОГЕРЕНТНОСТЬ И
МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ, РАСХОДИМОСТЬ, МОДЫ, ГЕНЕРАЦИЯ, ИНВЕРСИЯ
НАСЕЛЕННОСТИ
Целью данной дипломной работы является исследование параметров оптических
резонаторов на длине волны 1,55 мкм, их свойства, виды, конструктивные
особенности, а так же применения в телекоммуникации и в других сферах науки и
техники.
Объектом разработки является конструирование открытого полуконфокального
резонатора
В результате выполнения дипломной работы изучены типы лазеров.
Выяснилось, какие существуют виды резонаторов, их конструкции, какими
свойствами они обладают, их характеристики и параметры. Так же в ходе
проведенной работы был сконструирован и исследован открытый полуконфокальный
резонатор на основе активного элемента, излучающий на длине волны 1,55 мкм.
. Устройство и параметры
оптических квантовых генераторов
.2 Длительность действия
лазерного излучения
.4 Блок схема оптического
квантового резонатора.
.1 Устойчивые и неустойчивые
резонаторы
.3 Геометрооптическое
описание внутрирезонаторных полей
.4 Моды устойчивых
резонаторов в приближении бесконечной апертуры
.5 Моды резонаторов при
ограниченной апертуре зеркал
.1 Многослойные
диэлектрические покрытия
.3 Определение потерь и
оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала
.4 Учет влияния сферичности
реальных зеркал резонатора на параметры формируемого лазерного пучка
Диапазон длин волн в области 1,55 мкм имеет важное
значение для оптических коммуникаций, так как в этом диапазоне осуществляется
передача оптического сигнала по волокну на большие расстояния. Именно в этом
диапазоне оптическое волокно имеет повышенную прозрачность.
В волоконно-оптических системах передачи информация
передается электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что
соответствует ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм.
Волноводом, переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое
волокно, которое обладает важной способностью передавать световое излучение на
большие расстояния с малыми потерями.
Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание
светового сигнала в волокне позволяет строить линии связи длиной до 100 км без
регенерации сигналов с затуханием 0.22 дБ/км. [2]
Создание эффективных источников когерентного излучения
в этом диапазоне напрямую связано с исследования параметров оптического
резонатора в данном диапазоне. Несмотря на существующие решения в виде
резонаторов типа Фабри-Перо в полупроводниковых лазерах для этого диапазона с
накачкой электрическим током, остается востребованной и оптическая продольная
накачка лазерных кристаллов диэлектриков. А для исследования вопроса
эффективной накачки лазерных кристаллов-диэлектриков важными параметрами
резонатора являются геометрия резонатора (радиусы кривизны зеркал, их апертура,
длина резонатора) и коэффициенты пропускания и отражения зеркал резонатора.
Поэтому целью данной дипломной работы было
исследование параметров лазерного оптического резонатора для длины волны 1,55
мкм.
1. Устройство и параметры
оптических квантовых генераторов
Лазерное излучение ОКГ отличается от существующих
электромагнитных излучений оптического диапазона и имеет некоторые
специфические свойства, присущие только ОКГ.
1 - субмиллиметровая область, 2 - ИК-излучение, 3 -
видимая область, 4 - УФ, 5 - область рентгеновского излучения, 6 - область γ
- излучения, 7 - космические
лучи.
- лазерное излучение, оно охватывает
1, 2, 3, и 4 области электромагнитного спектра. В остальной части этого
диапазона возможность получения генерации лазерного излучения доказана пока
лишь теоретически.
Рисунок 1 - Полоса частот электромагнитных колебаний
Лазерное излучение обладает свойствами, как волн, так
и частиц. Основными свойствами лазерного излучения, обеспечивающими самое
широкое применение лазеров в различных областях науки и техники, являются: монохроматичность,
высокая когерентность, чрезвычайно малая расходимость луча и высокая плотность
мощности излучения.
Важным свойством лазерного излучения является его
направленность, характеризуемая расходимостью излучения. Под расходимостью
пучка излучения понимают плоский или телесный угол при вершине конуса, внутри
которого распространяется заданная доля энергии или мощности пучка излучения.
Лазеры обладают острой направленностью излучения, а обычные излучатели света
имеют слабую направленность.
Высокая направленность излучения лазера достигается за
счет самой природы лазерного излучения - его когерентности. Следует также
отметить, что угловая расходимость лазерного излучения практически не зависит
от размеров излучающего тела. Она ограничивается лишь явлением дифракции
когерентных волн на выходном отверстии лазера.
Рисунок 2 - Схематическое изображение хода лучей
Угол расходимости - угол между оптической осью
излучения и направлением на I-ый min:
θ = (1)
где λ - длина волны излучения; d - диаметр
излучающей поверхности.
Из формулы видно, что чем короче длина волны излучения
и чем больше диаметр излучающей поверхности, тем меньшей угловой расходимостью
обладает излучение.
1.2 Длительность действия
лазерного излучения
Длительность определяется конструкцией лазера. Можно выделить следующие
типичные режимы распределения излучения во времени:
импульсный режим, длительность импульса определяется при этом
длительностью вспышки лампы накачки, типичная длительность Δτл~10-3с;
режим модуляции добротности резонатора (длительность импульса излучения
определяется превышением накачки над порогом генерации и скоростью и скоростью
включения добротности, типичная длительность лежит в интервале 10-9 - 10-8 с,
это так называемый наносекундный диапазон длительностей излучения);
режим синхронизации и продольных мод в резонаторе (длительность импульса
излучения Δτл~10-11с - пикосекундный диапазон длительностей излучения);
различные режимы принудительного укорочения импульсов излучения (Δτл ~10-12с).
Лазерное излучение может быть сконцентрировано в
узконаправленном луче с большой плотностью мощности.
Плотность Ps мощности излучения определяется
отношением мощности излучения, проходящего через сечение лазерного пучка, к
площади сечения и имеет размерность Вт∙см-2.
Соответственно плотность Ws энергии излучения
определяется отношением энергии, проходящей через сечение лазерного пучка, к
площади сечении и имеет размерность Дж∙см-2
Плотность мощности в луче лазера достигает больших
величин вследствие сложения энергии огромного множества когерентных излучений
отдельных атомов, приходящих в выбранную точку пространства в одинаковой фазе.
Когерентное излучение лазера с помощью оптической
системы линз можно сфокусировать на малую, сравнимую с длиной волны площадку на
поверхности объекта.
Плотность мощности лазерного излучения на этой
площадке достигает огромной величины. В центре площадки плотность мощности:
(2)
где
Р - выходная мощность лазерного излучения;- диаметр объектива оптической
системы;
λ - длина волны;- фокусное расстояние оптической системы.
Излучение
лазера с огромной плотностью мощности, воздействуя на различные материалы,
разрушает и даже испаряет их в области падающего сфокусированного излучения.
Одновременно в области падения лазерного излучения на поверхность материала на
нем создается световое давление в сотни тысяч мегапаскалей.
В
итоге отметим, что фокусируя излучение ОКГ до пятна, диаметр которого
приблизительно равен длине волны излучения, можно получить световое давление в
106МПа, а так же огромные плотности мощности излучения, достигающие величин
1014-1016Вт.см-2, при этом возникают температуры до нескольких миллионов
кельвин.
1.4 Блок схема оптического квантового резонатора
Лазер
состоит из трех основных частей: активная среда, устройство накачки и
оптический резонатор. Иногда добавляют и устройство термостабилизации.
Для
резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо,
чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого
"настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических
уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной
волны, умноженной на постоянную Планка: E2 - E1 = hn. Далее, для того чтобы
вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом
уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того,
всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой
себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е.
достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов
системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все
квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура
всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем
выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в
низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии,
энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается
распределением Больцмана: n=n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку
атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше,
чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за
счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном
состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это
состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию.
Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому
равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в
ней такие атомы.
Оптический
резонатор представляет собой систему специально согласованных двух зеркал,
подобранных таким образом, чтобы возникающее в резонаторе за счет спонтанных
переходов слабое вынужденное излучение многократно усиливалось, проходя через
активную среду, помещенную между зеркалами. Вследствие многократных отражений
излучения между зеркалами происходит как бы удлинение активной среды в
направлении оси резонатора, что определяет высокую направленность лазерного
излучения. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал,
образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является для
качества полученной лазерной системы. Также, в лазерной системе могут
монтироваться дополнительные устройства дли получения различных эффектов, такие
как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение
позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны,
длительность импульсов и т. д.
Резонатор
- основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств
лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе
которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы
получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное
излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются
следующие рабочие тела.
Жидкость,
например в лазерах на красителях состоит из органического растворителя,
например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические
красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя
определяет рабочую длину волны.
Газы,
например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых
лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
Твёрдые
тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется
(активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или
титана. Типичные используемые кристаллы: алюминиевый гранат (YAG),
литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло.
Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный
также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид
(Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно
накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
Полупроводники.
Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может
сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны,
накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых
устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.
Источник
накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник,
импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже
взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от
используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к
системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в
гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с
неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) - сфокусированный свет ксеноновой
импульсной лампы, эксимерные лазеры - энергию химических реакций. [3]
По
типу накачки лазеры можно разделить на полупроводниковые инжекционные (с
накачкой эл. током) и лазеры с оптической накачкой.
Электрическая
накачка газового лазера осуществляется пропусканием через газовую смесь
постоянного, высокочастотного или импульсного тока. Ток через газ может
протекать либо вдоль оси лазера, либо поперек ее.
Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что
излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между
дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких
энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную
зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно
широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров,
что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров. [10]
Создание инверсной населенности в полупроводниках.
В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника
полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на
полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения, энергия которых
превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в
веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом
образования электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации,
сопровождающийся образованием кванта электромагнитного излучения.
Для реализации процесса излучательной рекомбинации необходимо выполнить
два условия. Во-первых, электрон и дырка должны локализоваться в одной и той же
точке координатного пространства. Во-вторых электрон и дырка должны иметь
одинаковые по значению и противоположно направленные скорости. Иными словами,
электрон и дырка должны быть локализованы в одной и той же точке пространства.
Так как импульс образующегося в результате рекомбинации электронно-дырочной
пары фотона значительно меньше по сравнению с квазиимпульсами электрона и
дырки, то для выполнения закона сохранения квазиимпульса требуется обеспечить
равенство квазиимпульсов электрона и дырки, участвующих в акте излучательной
рекомбинации.
Рисунок 4 - Электронно-дырочный переход в полупроводнике
Поток квантов излучения, энергия которых находится в пределах от hv=Ec-Ev
до hv=Fn-Fp , распространяется через возбужденный полупроводник
беспрепятственно.
В случае с оптической накачкой свет от мощной некогерентной лампы с
помощью соответствующей оптической системы передается активной среде. КПД
накачки лазера можно рассматривать состоящим из четырех различных этапов:
) переноса этого излучения к активному стержню
) Передачи поглощенной энергии верхнему лазерному уровню
Рисунок 5 - Наиболее широко используемые системы
оптической накачки: а - форма спирали; b - форма цилиндра; в - конфигурация с
плотной упаковкой.
По типу оптической накачки различают лазеры с
продольно накачкой и лазеры с поперечной накачкой. [10]
В непрерывных СО2-лазерах с продольной прокачкой смесь газов
прокачивается со сверхзвуковой скоростью, что дает возможность охлаждать ее
путем быстрого удаления смеси из рабочей зоны в охладитель и тем самым
преодолеть ограничение на выходную мощность. Прокачка с большой скоростью
означает увеличение количества активных центров, что позволяет увеличить
средний ток и тем самым снимаемую мощность. В современных лазерах достигнуты
параметры по мощности ~ 1 кВт/м и больше. За пределами резонатора газ не только
охлаждается, но и проходит необходимую генерацию 2 СО + О2 = 2 СО2 в
присутствии катализатора. В этом режиме лазер работает практически в автономном
режиме. В настоящее время СО2- лазеры с быстрой продольной прокачкой (мощностью
1-3 кВт) нашли широкое применение во многих операциях по обработке и
термообработке материалов и, в частности, для лазерной резки металлов толщиной
до нескольких миллиметров.
Непрерывные С02-лазеры с поперечной прокачкой (ТЕ-лазеры)
1 - газовый контур, 2 - разрядная камера с резонатором, 3 -
теплообменник, 4 - вентилятор, 5 - медленный напуск свежей смеси, 6 - медленная
откачка отработанной смеси.
Рисунок 6 - СО2-лазеры с поперечной прокачкой
Снять ограничения на мощность, присущую лазеру с медленной продольной
прокачкой, можно, если прокачивать газовую смесь перпендикулярно разряду. Если
смесь прокачивать достаточно быстро, то можно решить проблему с охлаждением. В
этом типе лазеров мощность с единицы длины разряда достигает нескольких
киловатт на метр. Оптимальное общее давление ~ 100 мм.рт.ст., что на порядок
больше, чем в системах с продольной прокачкой. В связи с этим схема с
продольным разрядом, применяемая в лазерах, описанных выше неприемлема, так как
для выполнения условия U/p = const (U - приложенное напряжение, р - давление)
потребовались бы электрические поля 100-500 кВ/м. Поэтому делают так, чтобы
разряд протекал перпендикулярно оси резонатора. Эти лазеры в литературе
получили название «ТЕ-лазеры». ТЕ СО2-лазеры обладают высокой выходной
мощностью (1-20 кВт) и широко применяются в технологических операциях,
связанных с обработкой металлов, и имеют довольно простую конструкцию. [4]
Видно, что роль резонатора в создании эффективного
распределения электромагнитного поля в лазере велика. Рассмотрим основные типы
и параметры лазерных резонаторов.
Рисунок 7 - Виды оптических резонаторов
Назначение резонатора в лазере состоит в создании положительной
оптической обратной связи, т. е. условий для превращения оптического квантового
усилителя в оптический квантовый генератор.
Открытым оптическим резонатором называют систему из двух обращенных друг
к другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное
(рабочее) вещество лазера. Отражающие поверхности могут представлять собой
зеркала различной формы (плоские, сферические, параболические), грани призм
полного внутреннего отражения или границы раздела сред с различными
показателями преломления. Расстояние между отражающими поверхностями
определяется в основном усилительными свойствами используемой в качестве
рабочего вещества среды и может колебаться от долей миллиметра у
полупроводниковых лазеров до нескольких метров, например, у газовых лазеров.
Рисунок 8 - Структурная схема открытого резонатора
Самым простым видом открытого резонатора является система из двух плоских
зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями. Для вывода излучения
из резонатора отражающие поверхности делаются либо частично отражающими, либо
одна полностью, а вторая частично отражающей. Обычно отражающие поверхности
зеркал создаются с помощью покрытий, состоящих из нескольких слоев
диэлектрических материалов, число которых может быть более десяти. С помощью
многослойных диэлектрических покрытий удается получить коэффициент отражения
более 99% на рабочей длине волны. Однако у полупроводниковых лазеров
коэффициент отражения зеркал резонатора значительно меньше (для GaAs при выходе
излучения в воздушную среду он оставляет ~ 32 %) и обеспечивается френелевским
отражением границы раздела полупроводник - воздух.
Колебательные системы обычно характеризуются добротностью Q. Добротность
резонатора можно определить несколькими способами, которые эквивалентны при
больших значениях добротности Здесь m w - частота моды; m Dw - ее спектральная
ширина;- энергия, запасенная в резонаторе; Т - период световых колебаний; loss P
- энергия, теряемая в секунду (мощностьпотерь); t - время.
Запишем закон Бугера в дифференциальной форме:
Здесь учтено, что dz = cdt , где c - скорость света. Решение уравнения имеет
вид
, (4)
где τph - время жизни фотонов в резонаторе:
(5)
Потери в открытом оптическом резонаторе
• потери на выход излучения через зеркала,
Обусловленные несовершенством системы:
• потери на поглощение и рассеяние в материале зеркал
• рассеяние на неоднородностях активной среды.
3.1 Устойчивые и неустойчивые резонаторы
Резонатор называется неустойчивым, если произвольный световой луч,
последовательно отражаясь от двух зеркал, удаляется на неограниченно большое
расстояние от оси резонатора. Резонатор, в котором луч после многократных отражений
остается в пределах ограниченной области, называется устойчивым.
Рисунок 9 - Схемы неустойчивого резонатора
Неустойчивые резонаторы. Несмотря на широкую область применений
устойчивых резонаторов, они обладают одним очень серьезным недостатком. Он
состоит в весьма малых поперечных размерах основной моды, что связано с
фокусирующим действием лазерных зеркал. Так, при длине резонатора порядка 1м и
для длины волны, лежащей в видимом диапазоне спектра, радиус пучка основной
моды имеет порядок 1мм. В неустойчивых резонаторах, g-факторы которых меняются
в областях g1g2>1 и g1g2>0, поле не фокусируется вблизи оси и с хорошим
приближением распределение его амплитуды можно считать однородным, а волновой
фронт сферическим. Однако, в случае неустойчивых резонаторов, возникает другая
проблема, которая связана с тем, что лучи стремятся покинуть резонатор,
увеличивая потери энергии. Тем не менее, этот факт можно использовать даже в
качестве преимущества, если эти лучи, уходящие из резонатора, включить в
полезное выходное излучение лазера.
Рисунок 10 - Симметричный двухторцовый неустойчивый резонатор
Для описания полей в неустойчивых резонаторах в силу более медленного,
чем в устойчивых резонаторах, поперечного изменения амплитуды и фазы вполне
подходит геометрооптическое приближение. Рассмотрим симметричный двухторцовый
неустойчивый резонатор. Как и прежде, будем предполагать, что мода образована
суперпозицией двух сферических волн постоянной интенсивности. Центры Р1 и Р2,
из которых исходят эти волны, не совпадают с центрами кривизны зеркал 1 и 2, но
их координаты нетрудно вычислить, используя следующий принцип самосогласования:
сферическая волна, исходящая из точки Р1, после отражения от зеркала 2 должна
давать сферическую волну, выходящую из точки Р2, и наоборот. Чисто
геометрическое рассмотрение приводит к следующему выражению для показанной на
рисунке 10 величины r:
Нетрудно
видеть, что после того, как пучок пройдет от одного зеркала до другого, размер
пятна от каждой сферической волны увеличивается в М раз, причем величина М
определяется выражением:
(7)
Величину
М называют однопроходным коэффициентом увеличения. Считая поперечное
распределение освещенности однородным, потери за один проход можно записать в
виде:
(8)
где
S1 и S2 - площади поперечного сечения пучка, исходящего из точки Р1,
соответственно на зеркалах 1 и 2.
Резонатор,
показанный на рисунке 10, редко используется на практике. Гораздо шире
применяются асимметричные конфокальные резонаторы. Одна из возможных
конфигураций такого резонатора приведена на рисунке 11.
Рисунок
11 - Конфокальный неустойчивый резонатор
Мода
неустойчивого конфокального резонатора представляет собой суперпозицию
сферической волны, исходящей из общего фокуса и плоской волны. Лучи последней,
покидая резонатор, формируют на выходе узконаправленное излучение. Таким
образом, помимо хорошего заполнения активного вещества излучением неустойчивые
резонаторы обеспечивают малую угловую расходимость выходного излучения,
приближающуюся к дифракционному пределу.
Вышеприведенное рассмотрение свойств оптических резонаторов основывалось
на предположении, что активная среда, находящаяся внутри резонатора, не вносит
существенных искажений в структуру собственных мод. Накопленный в настоящее
время обширный экспериментальный материал подтверждает справедливость этого
предположения для широкого класса лазеров. Однако в ряде случаев, когда
распределение показателя преломления и коэффициента усиления в сильной степени
неоднородно, следует учитывать влияние активной среды. Поскольку неоднородности
активной среды чаще всего носят квадратичный характер, для их учета следует
владеть теорией распространения света в квадратичных средах [2].
С учетом волновых свойств, мода будет устойчива, если фаза волны на
поверхности зеркал одинакова, что достигается, если радиус кривизны фазовых
фронтов на поверхности зеркал совпадает с радиусом кривизны самих зеркал.
В устойчивый резонатор можно вписать гауссов пучек, у которого радиусы
кривизны фазовых фронтов на поверхности зеркал совпадают с радиусом кривизны
самих зеркал. Для нахождения положений зеркал z1 и z2 при заданных радиусах
зеркал r1 и r2 необходимо решить систему уравнений
где Рэлеевскя длина zR также считается неизвестной.
Для
физической реализуемости резонатора величина R2z должна быть положительна.
Обозначая получаем:
Резонатор будет устойчивым если его параметры удовлетворяют следующим
условиям:
Здесь r1 и r2 - радиусы кривизны, которые полагаются положительными для
вогнутых и отрицательными для выпуклых зеркал, L - расстояние между зеркалами.
Рисунок 12 - Диаграмма устойчивости резонатора
Прямая АС, образующая с осями координат угол π/4,
соответствует
симметричным резонаторам (r1= r2). Точки А, В и С на границах устойчивости
принадлежат концентрическому (r1 =r2 =r =L/2), конфокальному (r1 =r2 =r =L) и
плоскому (r1, r2 →∞, L - произвольная) резонаторам соответственно.
Точка в начале системы координат соответствует конфокальному резонатору.
Из диаграммы видно, что даже небольшие отклонения от конфокальности делают
резонатор неустойчивым, что может привести к резкому увеличению потерь. В связи
с этим на практике целесообразно делать резонатор слегка неконфокальным.
Достоинства устойчивых резонаторов:
• Малые геометрические потери (малый порог генерации);
• Хорошее качество луча (максимальная интенсивность в центре, малая
расходимость излучения).
• поле концентрируется вблизи оси и не охватывает весь объем активного
вещества;
• невозможность использования целиком отражательной оптики.
В лазерах с высоким коэффициентом усиления активной среды и в тех
случаях, когда необходимо получить световые пучки высокой мощности или энергии
находят практическое применение неустойчивые оптические резонаторы.
Достоинства неустойчивых резонаторов:
• поле не стремится сосредоточиться вблизи оси и, как следствие, в режиме
одной поперечной моды можно получить большой модовый объем;
• обеспечивают возможность хорошей селекции поперечных мод;
• возможно использование целиком отражательной оптики (используется в
мощных лазерах и ИК-области излучения).
Недостатки неустойчивых резонаторов
• поперечное сечение пучка имеет форму кольца (в центре пучка темное
пятно;
• распределение интенсивности в пучке неоднородно и имеет вид нескольких
дифракционных колец;
• по сравнению с устойчивым, неустойчивый резонатор более чувствителен к
разъюстировке зеркал.
Простейшим примером такого резонатора является
резонатор, состоящий из двух одинаковых сферических вогнутых зеркал, фокусы
которых сопряжены в одной точке. Такая система является типичным примером
резонатора открытого типа.
Рисунок 13 - Структурная схема открытого конфокального
резонатора
На практике лазерный резонатор состоит в большинстве
случаев из двух зеркал, расположенных параллельно. Эти зеркала могут быть с
плоскими или изогнутыми поверхностями. Соответственно радиусу кривизны и
расстоянию различают разные типы резонаторов. Наиболее частый применяемый тип
резонатора - конфокальный резонатор. Конфокальный резонатор отличается от всех
других конфигураций резонаторов минимальными дифракционными потерями. В этом
резонаторе применяется два вогнутых зеркала с одинаковыми радиусами кривизны b.
Длина резонатора L соответствует радиусу кривизны (L=b). Так как у вогнутых
зеркал фокусное расстояние f соответствует половинному значению радиуса
кривизны (f=b/2), то фокусы обоих зеркал резонатора совпадают.
квантовый генератор резонатор зеркало
Для ге
Похожие работы на - Исследование параметров оптических резонаторов на длине волны 1,55 мкм Дипломная (ВКР). Физика.
Коррекция Стресса Реферат
Реферат: Аудит расчетов и денежных средств. Скачать бесплатно и без регистрации
Проблема Терроризма В Современной России Реферат
Реферат: Сучасні логістичні системи товароруху за кордоном
Реферат На Тему Ортезотерапия. Физиотерапия
Реферат: Характеристика преступлений против свободы, чести и достоинства личности
Реферат На Тему Развитие Английского Костюма В Период Эпохи Возрождения
Направления Сочинений По Литературе В Декабре
Контрольная работа: Анализ Джейн Эйр Ш. Бронте
Сочинение На Тему Экологические Проблемы В России
Эссе На Тему Мы Против Вредных Привычек
Реферат по теме Поиск новых философских парадигм в России и на Западе на рубеже XIX - XX и XX - XXI веков
Логистика Закупок Реферат
Егер Мен Өнертапқыш Болсам Эссе
Курсовой Проект Жилого Дома
Отчет по практике по теме Оценка основных показателей финансово-хозяйственной деятельности Ханты-Мансийского отделения №1791 Сбербанка России
Реферат: Вопросы для самостоятельной подготовки (ов): Общий анализ тенденций российской экономики
Контрольная работа: Внедрение информационных технологий в страховой отрасли
Реферат: Розробка концепції маркетингу фірми
К Чему Приводит Гордыня Сочинение
Учебное пособие: Методические указания по выполнению курсовой работы дисциплина «Промышленная экология»
Похожие работы на - Требования к приговору суда первой инстанции и вопросы, разрешаемые при постановлении приговора
Реферат: The Issue Between Bennett And Hallie Essay