Оптические резонаторы

Страницы работы

Содержание работы

4. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ

4.1. Особенности оптических резонаторов

Основными структурными составляющими любого лазера являются активная среда, оптический резонатор (ОР) и источник питания (накачки). Активная среда (АС), конструктивно оформленная тем или иным способом, носит название активного элемента (АЭ) лазера. Активный элемент  помещается в оптический резонатор для улучшения взаимодействия излучения с АС, обеспечения положительной обратной связи, превращающей оптический усилитель в генератор, повышения временной и пространственной когерентностей индуцированного излучения. В газоразрядных лазерах активным элементом является разрядная трубка. В твердотельных лазерах АЭ выполняются чаще всего в виде цилиндров из кристаллов или легированных оптических стекол. В инжекционных полупроводниковых лазерах активным элементом служит кусок кристалла в виде параллелепипеда. Линия излучения лазерного перехода данной активной среды, или контур усиления АС, определяет область рабочих частот ν лазера.

         Любой резонатор – устройство, способное накапливать или запасать энергию. Запасенная в резонаторе энергия Wзап в дальнейшем расходуется с той или иной  скоростью, определяемой  постоянной  затухания  колебаний  τр = Wзап/Рпот,  где Рпот – мощность потерь. Напряженность электрического поля в резонаторе  будет  описываться затухающей  во времени  функцией E(t) = Em sin 2πν t exp (–tр). При таких условиях контур усиления  Iν  = f(ν) резонатора характеризуется шириной линии Δν0,5 ~1/2π τр на половинном уровне интенсивности. При малых значениях постоянной затухания Δν0,5  относительно велика (рис. 4.1, а). Если же устремить τр к бесконечности, то в идеале напряженность поля станет изменяться по чисто гармоническому закону E(t) = Em sin ωt, где ω = 2πν – круговая частота (рис. 4.1, б).

         Сопоставление резонаторных систем удобно проводить  с помощью понятия добротности Q = ν0 / Δν0,5 = 2π ν0 τр = ω0 τр, где ν0 – центральная резонансная частота, определяемая свойствами конкретного резонатора. Чем больше потери в резонаторе, т. е. выше скорость расходования энергии, тем  ниже его добротность (рис. 4.2).

а                                                                   б

Рис. 4.1. Колебания в резонаторе при постоянной затухания:

а – конечной;  б – бесконечной

Рис. 4.2. К понятию добротности резонатора

         Простейшим устройством для генерирования электромагнитных колебаний является LC-контур, резонансная частота которого ν0 = f (L,C), а добротность Q имеет порядок 100…102. На частотах выше сотен килогерц –единиц мегагерц в LC-контурах резко возрастают потери, связанные с радиоизлучением, и теряются резонансные свойства. В микроволновом диапазоне используют объемные (x, y, z) резонаторы с проводящими стенками. Минимальными потерями, а значит самой высокой  добротностью в таких резонаторах обладают колебания, для напряженности электрического поля которых выполняются нулевые граничные условия Еi = 0. Нулевые условия для резонатора с размерами Lx, Ly, Lz  выполняются, если по всем трем координатам (на отрезках Lx, Ly, Lz)  укладывается  целое   число  полуволн:  m = Lx / λx/2, n = Ly / λy/2, q = Lz / λz/2, где m, n, q – целые числа. В объемных резонаторах в микроволновом диапазоне формируются колебания, для которых числа m, n, q имеют порядок единиц. Отсюда следует, что характерные размеры Lx, Ly, Lz  объемных резонаторов близки к длине волны λ.

Похожие материалы

Информация о работе