litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 4 ... 7 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№4



ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ



ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить основные типы и характеристики оптических резонаторов и экспериментально исследовать условия генерации для устойчивых и неустойчивых резонаторов лазеров.

39




ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: квантрон; блок питания, система охлаждения, на6ор резонаторных зеркал, юстировочный гелий-неоновый лазер, автоколлиматор, комплект зеркал резонатора, диафрагма, экран, измеритель энергии ИКТ-1Н.

Теоретическое введение.



Система зеркал, расположенная определенным образом и обеспечивающая существенное увеличение эффективной длины активной среды за счет многократного отражения излучения между зеркалами, в пространстве, между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля оптического диапазона, называется оптическим резонатором. Резонатор формирует спектральные и пространственные свойства генерируемого излучения.

В оптических резонаторах используются плоскопарал-лельные, сферические зеркала, комбинации сферического и плоского зеркал. Основными параметрами оптического резонатора являются радиусы кривизны отражающих поверхностей r1 и r2 , расстояние между зеркалами L, диаметр аппертурной диафрагмы D, ограничивающей поперечный размер пучка (рис. 1).


На рис. 2 показаны характерные комбинации зеркал в резонаторах лазеров.


40

Оптические резонаторы характеризуются обобщенными параметрами:




(1)

При выполнении условия:

(2)

резонатор называется устойчивым (рис 2,з,к). В таком резонаторе луч света, отклонившийся от оптической оси, при многократных отражениях от зеркал остается вблизи оси.

Если условие (2) не выполняется, т.е.,

(3)

то резонатор является неустойчивым (рис 2,е). Это значит, что отклонение луча от оптической оси в таком резонаторе приводит после серии отражений к его удалению от оси и выходу луча из резонатора.

При выполнении условия:

(4)

резонатор находится на грани устойчивости (рис 2,в,г,д,ж)

В лазерах используются как устойчивые, так и неустойчивые резонаторы.


Для оценки эффективности резонатора вводят понятие "добротность резонатора".

(5)

где Езап —энергия, запасенная в резонаторе, Епот — энергия, теряемая резонатором в единицу времени, ω — частота колебаний возникающих в резонаторе.


41


а
) плоскопараллельный, б) конфокальный, в}концентрический, г) плосковогнутый, , д) плосковыпуклый, , е) с выводом излучения в о6е стороны, , ж) телескопический конфокальный (фокусы зеркал R1 и R2 совмещены), , з) почти плоский, , к) почти концентрический, ,

л) полусферический, .

Формула (5) дает общее энергетическое определение добротности. Для оптического резонатора:

(6)

42

Дня коэффициентов отражения двух одинаковых зеркал справедливо соотношение:


(7)

где αr потери энергии при отражении, αd —потери энергии из-за дифракции на краях зеркал. Тогда получим:

(8)

Если суммарные потери малы (это допущения для лазеров выполняется), то αrd«1 и выражение (8) принимает следующий вид:

, (9)

где α суммарные потери резонатора.

Пример: при α= 0,01 (R=0,99), L=1м, Λ=0,63 мкм. получим Q=109

Ширина полосы резонатора .

В резонаторах лазеров присутствуют следующие виды потерь излучения:

а) дифракционные потери

(10)

а — радиус круглого зеркала.

при а =2см, L = 1м, Λ=0,б3мкм, αd= 0,0015

б) потери, о6условленные непараллельностью зеркал резонатора.

(11)

β — угол наклона луча к зеркалу. Определим допустимый угол

перекоса зеркал: при а =2см, L =100см , =0,0085, = 2,411.

в) потери обусловленные отклонением поверхности зеркал от плоскости или сферичности.


43

Допустимое отклонение поверхности зеркал от плоскости или сферической формы:


(12)


при α=0,02; ΔL=0,005Λ.

Для повышения стабильности работы используются электронные схемы стабилизации длины резонатора.

Резонатор определяет основные свойства выходного излучения: монохроматичность, когерентность, направленность и мощность.

Лазерное излучение, формируемое в резонаторе, характеризуется острой направленностью, т.е. малой угловой расходимостью.

Расходимость лазерного излучения определяется несколькими факторами: дифракцией луча на выходной апертуре резонатора, оптической неоднородностью активной среды лазера, деформацией зеркал резонатора и т.д.

Для получения резонансных частот, длина резонатора L должна быть равной целому числу полуволн, т е.

п - положительное целое число. Такое условие является необходимым, для того чтобы на обоих зеркалах электрическое поле электромагнитной стоячей волны было равным нулю. Отсюда следует, что резонансные частоты даются выражением:


(13)

В оптическом диапазоне значение n для открытых резонаторов составляет 105—106.

Волны, распределяющиеся вдоль оси резонатора, называют продольными, а под углом к оси — поперечными видами колебаний. Виды колебаний резонатора называют ТЕМ-видами, чтобы показать, что векторы электрического и магнитного полей


44


в большинстве случаев перпендикулярны продольной оси резонатора.

Нормальные типы колебаний открытого резонатора обозначают ТЕМmng. Индексы m, n, g — целые числа, указывающие на число полуволн, укладывающихся вдоль ширины, высоты и длины резонатора. Для прямоугольных зеркал индекс m означает число изменений направления поля по оси х, а n — по оси у. Для круглых зеркал индекс m означает число изменений знака поля вдоль радиуса, а n — по углу.

Типы колебаний с различными m и n называются поперечными типами колебаний. Они отличаются друг от друга распределением амплитуды и фазы на поверхностях зеркал, а также величиной дифракционных потерь. Типы колебаний, имеющих одни и те же значения m и n, но разные q, называются продольными. Они отличаются друг от друга резонансной частотой.



<< предыдущая страница   следующая страница >>