Оптические резонаторы, страница 2

         В случае использования объемных резонаторов в оптическом диапазоне с характерной длиной волны  λ ~ 10^–6 м их размеры, а соответственно, объемы активной среды и запасаемая в них энергия будут ничтожно малыми. Используют открытые, или оптические, резонаторы (ОР), получаемые из объемных при сохранении только торцевых отражателей, перпендикулярных оси z. В типичном случае ОР образуется двумя взаимно параллельными отражающими поверхностями – зеркалами З₁ и З₂ с коэффициентами отражения на рабочей длине волны:   ρ₁ = 1– α₁ – τ₁ и  ρ₂ = 1– α₂ – τ₂. Одно из зеркал (З₂) имеет конечный коэффициент пропускания τ₂ > 0 для длины волны излучения лазерного перехода. Благодаря этому часть потока индуцированных квантов, циркулирующих в ОР, выводится наружу и формирует выходное излучение лазера. Второе нерабочее, или «глухое», зеркало (З₂) изготавливается с высоким коэффициентом отражения (τ₁ → 0), достигающим у лучших образцов значений 99,8 %. Коэффициенты паразитных потерь α₁ ≈ α₂ обычно не превышают 10^–2…10^–1. Протяженность L оптических  резонаторов, используемых в лазерах, лежит в пределах 10^–3…10⁰ м. Для типичной длины волны λ = 1 мкм индекс q составляет порядка 10³…10⁶.

         Рассмотрим, как оптический резонатор влияет на характеристики излучения активной среды: расходимость пучка и спектральную функцию. Представим себе АС с поперечным размером d и протяженностью L >> d. При отсутствии зеркал основная часть потока, совершившего один проход – прошедшего путь L вдоль оси z, будет сосредоточена в пределах угла геометрической расходимости  Θ₁ (рис. 4.3, а).

                                                               а

                                                                б

                                                                 в

Рис. 4.3. Изменение расходимости потока квантов: а – при однократном;

б – двукратном; в – трехкратном проходах излучения в резонаторе

При наличии одного зеркала общий путь излучения в ОР удваивается, что сопровождается уменьшением расходимости (рис. 4.3, б). В двухзеркальном ОР при минимальном числе проходов N_пр = 3 геометрическая расходимость сокращается до трети от начального значения  (рис. 4.3, б), т. е.   рост N_пр излучения сквозь АС уменьшает  расходимость потока. В реальных условиях число возможных проходов N_пр = 10⁰…10², а расходимость лазерных пучков составляет  Ө ~ 10^–2…10^–4 рад. Таким образом, наличие резонатора приводит к уменьшению расходимости потока квантов – фронт волны приближается к плоскости, т. е. излучение становится более когерентным, повышается степень пространственной когерентности.

         Оценим теперь влияние многократного прохождения потока квантов в оптическом резонаторе на ширину спектральной линии излучения лазера. Предположим, что активная среда протяженностью L на центральной частоте ν₀ обладает показателем усиления χ₀, а на некоторой частоте ν_0,5 усиление спадает до уровня χ₀ /2 и при этом χ₀L = 1. Тогда коэффициенты G_{1 =} e ^χL усиления за один проход излучения вдоль АС на выбранных частотах будут соотноситься как  G₁(ν₁) / G₁(ν_0,5) = е^0,5. При увеличении числа проходов до N соотношение будет изменяться по закону G_N(ν₁) / G_N(ν_0,5) = е^0,5N. Это означает, что итоговый коэффициент усиления в области центральной частоты будет существенно выше, чем на боковых частотах (рис. 4.4).