Оптические резонаторы

Как видно из сказанного выше обязательным элементом ОКГ является оптический резонатор. Оптический резонатор, как правило, имеет два плоских или сферических зеркала квадратной или чаще круглой формы. Эти зеркала расположены на расстоянии L, которое колеблется от нескольких см до нескольких десятков см. Размеры зеркал лежат в пределах от долей см до нескольких см.

Одно из зеркал для выхода полезного излучения делается полупрозрачными. Усиление потока излучения в активной среде при лазерном излучении зависит не только от состояния среды, но также от параметров резонатора и прежде всего расстояние L. Наибольшее усиление достигается при выполнении условия резонанса. Это условие заключается в следующем. Расстояние должно быть таким, чтобы при многократном отражении фотонов, т.е. электромагнитных волн, от поверхности зеркал в промежутке между зеркалами возникала пространственная конфигурация стоячих электромагнитных волн. Эта конфигурация стоячих волн называется модой резонатора. При этом частота электромагнитных колебаний моды должна быть равна частоте излучения лазера .

Типы оптических резонаторов.

Рис.

а) Плоскопараллельный резонатор. Этот резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу.

Ход лучей в резонаторе показан на рисунке.

Достоинства: такой резонатор прост в изготовлении и обеспечивает наименьшую расходимость луча. Для выполнения условия резонанса длина резонатора L должна быть равной целому числу полуволны n, т.е. , где - длина волны.

Тогда резонансные частоты определяются по формуле , n-целое положительное число.

б) Концентрический (или сферический) резонатор. Резонатор состоит из двух сферических зеркал, имеющих одинаковые радиусы r. Зеркала расположены на расстоянии L=2r, т.е. центры кривизны зеркал совпадают.

Ход лучей в резонаторе показан на рисунке. Условие резонанса выражается теми же соотношениями, что и в предыдущем случае.

в) Полуконцентрический (полусферический) резонатор. Резонатор состоит из сферического зеркала радиусом r и плоского полупрозрачного зеркала. Зеркала расположены на расстоянии L=r. Ход лучей в резонаторе показан на рисунке. Не критичен к расстоянию между зеркалами.

г) Конфокальный резонатор. Резонатор состоит из двух зеркал радиусом r. Расположенных таким образом, что фокусы зеркал F₁ и F₂ совпадают. При этом получается, что L=r, т.е. центр кривизны одного зеркала лежит на поверхности другого. Ход лучей показан на рисунке.

Такой резонатор обеспечивает наименьшие потери в активной среде.

д) Полуконфокальный резонатор. Резонатор состоит из сферического зеркала радиусом r и плоского зеркала. Расстояние между зеркалами удовлетворяет условию L=r/2. Ход лучей показан на рисунке.

е,ж,з) Резонаторы с выпуклыми сферическими зеркалами (с отрицательными радиусами кривизны). Резонатор содержит два выпуклых зеркала или одно выпуклое и одно плоское зеркала или одно выпуклое и одно вогнутое. Оба зеркала выполняются зеркалами полного отражения, а полезное излучение получают за счёт выхода его из области резонатора. Применяют обычно в лазерах очень высокой мощности (P>1кВт), где трудно применить полупрозрачные зеркала для получения полезного излучения.

Все резонаторы с произвольным значением r_1,r₂ и L занимают промежуточное положение по отношению к рассмотренным.

Часто используют резонаторы образованные двумя вогнутыми сферическими зеркалами одинакового радиуса r, либо одним вогнутым и одним плоским. Расстояние между зеркалами выбирается в пределах r<L<2r. Такой резонатор занимает промежуточное положение между конфокальным и сферическим резонаторами. Выполняют также резонаторы у которых L<r.