Кіріспе
Жарық толқындары үшін қуыс резонаторы құрайтын айналардың орналасуы. Оптикалық қуыс, резонаторлық қуыс немесе оптикалық резонатор – жарық толқындары үшін қуыс резонаторы құрайтын айналар немесе басқа оптикалық элементтердің жиынтығы. Оптикалық қуыстар лазерлердің маңызды бөлігі болып табылады, олар күшейту ортасын қоршап, лазерлік сәуленің кері байланысын қамтамасыз етеді. Олар оптикалық параметрлік осцилляторларда және кейбір интерферометрлерде де қолданылады. Қуысқа түскен жарық бірнеше рет шағылысып, белгілі бір резонанстық жиіліктері бар режимдерді жасайды. Режимдерді жиілігімен ғана ерекшеленетін бойлық режимдерге және сәуленің көлденең қимасында әртүрлі интенсивтілік үлгілеріне ие көлденең режимдерге бөлуге болады. Көптеген оптикалық қуыс түрлері тұрақты толқын режимдерін тудырады. Резонатор түрлері екі айнаның фокустық қашықтығы және олар арасындағы қашықтық арқылы ажыратылады. Жалпақ айналар қажетті дәлдікке келтіру қиындығынан жиі қолданылмайды. Геометрия (резонатор түрі) сәуленің тұрақты болуын қамтамасыз ету үшін таңдалуы керек, яғни сәуленің көлемі көп рет шағылысқанда үнемі өспеуі тиіс. Резонатор түрлері сондай-ақ, сәуленің ең кішкентай белдеуіне қол жеткізу немесе қуыстың ішінде фокус нүктесінің (соның салдарынан, сол нүктеде жоғары интенсивті жарық) болмауы сияқты басқа да талаптарға сай келу үшін жобаланады. Оптикалық қуыстар жоғары Q факторына ие болу үшін жасалған; сәуле өте аз әлсіреумен көптеген рет шағылысады. Сондықтан, сәуленің жиілік ені лазердің жиілігімен салыстырғанда өте кішкентай болады.
An optical cavity, resonating cavity or optical resonator is an arrangement of mirrors or other optical elements that forms a cavity resonator for light waves. Optical cavities are a major component of lasers, surrounding the gain medium and providing feedback of the laser light. They are also used in optical parametric oscillators and some interferometers. Light confined in the cavity reflects multiple times, producing modes with certain resonance frequencies. Modes can be decomposed into longitudinal modes that differ only in frequency and transverse modes that have different intensity patterns across the cross section of the beam. Many types of optical cavity produce standing wave modes. Different resonator types are distinguished by the focal lengths of the two mirrors and the distance between them. Flat mirrors are not often used because of the difficulty of aligning them to the needed precision. The geometry (resonator type) must be chosen so that the beam remains stable, i. e. the size of the beam does not continually grow with multiple reflections. Resonator types are also designed to meet other criteria such as minimum beam waist or having no focal point (and therefore intense light at that point) inside the cavity. Optical cavities are designed to have a large Q factor; a beam will reflect a very large number of times with little attenuation. Therefore, the frequency line width of the beam is very small indeed compared to the frequency of the laser.
Резонатор режимдері
Резонаторға түсетін жарық айналардан бірнеше рет мөлдірап, кедергі құбылысының нәтижесінде резонатор тек белгілі бір сәулелену үлгілері мен жиіліктерін сақтайды, ал қалғандары бұзылатын кедергі арқылы жойылды. Әдетте, резонатор арқылы жарық әрбір айналымда қайта жаңартылатын сәулелену үлгілері ең тұрақты болады, олар резонатордың өзіндік режимдері (eigenmodes) деп аталады. Резонатордың режимдерін екі түрге бөлуге болады: жиіліктерімен ерекшеленетін бойлық режимдер және жиілігі мен жарық қарқындылығының үлгісімен ерекшеленуі мүмкін көлденең режимдер. Резонатордың негізгі немесе фундаменталды көлденең режимі – Гаусс шоғы.
Резонатор түрлері
Оптикалық қуыстардың ең көп таралған түрлері екі бетпе-бет келген жазық (жатық) немесе шар тәрізді айналардан тұрады. Олардың ең қарапайымы – екі қарама-қарсы жазық айнадан тұратын жазық-параллель немесе Фабри-Перо қуысы. Қарапайым болғанымен, бұл орналасу үлкен лазерлерде сирек қолданылады, себебі айналарды бірнеше секундтың доғасынан ішінде параллель орналастыру қажет, әйтпесе қуыс ішіндегі сәуленің "қайысуы" оның қуыстың қабырғаларынан шығып кетуіне әкеледі. Дегенмен, бұл мәселе өте қысқа қуыстарда, айналардың арақашықтығы өте кішкентай болғанда (L < 1 см) едәуір төмендейді. Сондықтан жазық-параллель резонаторлар микрочиптік және микроқуыстық лазерлерде, сондай-ақ жартылай өткізгіш лазерлерде жиі қолданылады. Мұндай жағдайларда жеке айналарды пайдаланудың орнына лазерлік ортаның өзіне тікелей жарық қайтаратын оптикалық жабын қолдануға болады. Жазық-параллель резонатор Фабри-Перо интерферометрінің де негізі болып табылады. R1 және R2 қисықтық радиусы бар екі айнасы бар резонатор үшін бірнеше жалпы қуыс конфигурациялары бар. Егер екі радиус қуыс ұзындығының жартысына тең болса (R1 = R2 = L / 2), концентрлі немесе шар тәрізді резонатор пайда болады. Бұл қуыс түрі қуыстың ортасында дифракциялық шектеулі сәуле белдеуін жасайды, ал айналарда сәуленің үлкен диаметрлері болады, бүкіл айна диафрагмасын толтырады. Бұған ұқсас – жарты шар тәрізді қуыс, онда бір жазық айна және радиусы қуыс ұзындығына тең бір айна болады. Көп қолданылатын және маңызды конструкция – бұл қуыс ұзындығына тең радиусы бар айналары бар конфокалды резонатор (R1 = R2 = L). Бұл конструкция берілген қуыс ұзындығы үшін қуыс айналарында ең кішкентай сәуле диаметрін қамтамасыз етеді және көлденең режимнің тазалығы маңызды лазерлерде жиі қолданылады. Қисайған қуыста бір дөңгелек айна болады, оның қисықтық радиусы теріс. Бұл конструкция сәулені қуыс ішінде фокусқа жинақтамайды, сондықтан өте жоғары қуатты лазерлерде пайдалы, себебі қуыс ішіндегі жарықтың қарқындылығы қуыс ортасына зиян келтіруі мүмкін болса, оны фокусқа жинақтау қажет емес.
Сфералық қуыс
Мөлдір диэлектрлік сфера, мысалы, сұйық тамшы да қызықты оптикалық қуыс құрайды. 1986 жылы Ричард К. Чанг және авторлар тобы родамин 6G бояуымен қоспаланған (20–40 микрометр радиусы бар) этанол микротамшыларын пайдаланып лазерлік генерацияны көрсетті. Бұл типтегі оптикалық қуыс сфераның мөлшері, оптикалық толқын ұзындығы немесе сыну көрсеткіші өзгерген кезде оптикалық резонанстарды көрсетеді. Бұл резонанс морфологиялық тәуелді резонанс деп аталады.
Қолданбалы резонаторлар
Егер оптикалық қуыс бос болмаса (мысалы, пайдалану ортасын қамтитын лазерлік қуыс), L-нің мәнін ортаның сындыру көрсеткішіне сәйкес келтіру қажет. Қуысқа орналастырылған линзалар сияқты оптикалық элементтер тұрақтылық пен режимнің мөлшерін өзгертеді. Сонымен қатар, көптеген пайдалану орталарында жылулық және басқа да біртектіліктер ортада өзгеретін линзалық эффектіні тудырады, оны лазерлік резонаторды жобалау кезінде ескеру керек. Лазерлік резонаторлардың екі айнадан астам болуы мүмкін; үш және төрт айналық конфигурациялар жиі кездеседі, бұл "бүктелген қуыс" құрайды. Әдетте, қисық айналардың жұбы бір немесе бірнеше конфокалды бөліктерді құрайды, ал қуыстың қалған бөлігі квази-коллимацияланған және жазық айналарды пайдаланады. Лазерлік сәуленің пішіні резонатордың түріне байланысты: тұрақты, параксиалды резонаторлармен шығарылатын сәуле Гаусс сәулесімен жақсы модельделуі мүмкін. Арнайы жағдайларда сәуле бір ғана көлденең режим ретінде сипатталуы мүмкін, ал кеңістіктік қасиеттерінің өзі Гаусс сәулесімен жақсы сипатталуы мүмкін. Жалпы алғанда, бұл сәуле көлденең режимдердің суперпозициясы ретінде сипатталуы мүмкін. Мұндай сәуленің дұрыс сипатталуы үшін Hermite полиномдары немесе Ince полиномдары сияқты толық, ортогональды функциялар жиынтығына (екі өлшемде) кеңейту қажет. Керісінше, тұрақсыз лазерлік резонаторлар фрактал пішіндес сәулелер шығаратыны көрсетілген. Кейбір қуыс элементтері әдетте бүктелген бөлімдер арасындағы сәуле белдеуінде орналастырылады. Мысалдарға, қуыстың тоқтатылуы үшін акусто-оптикалық модуляторлар және көлденең режимді басқару үшін вакуумдық кеңістіктік сүзгілер жатады. Кейбір төмен қуатты лазерлерде лазерлік күшейту ортасының өзі сәуле белдеуінде орналасуы мүмкін. Басқа элементтер, мысалы, сүзгілер, призмалар және дифракциялық торлар көбінесе үлкен квази-коллимацияланған сәулелерді қажет етеді. Бұл конструкциялар қуыс сәулесінің астигматизмін өтеуге мүмкіндік береді, ол қуыстағы Брюстер кесімі бар элементтерден туындайды. Қуыстың Z пішіндес орналасуы команы өтесе, "дельта" немесе X пішіндес қуыс мұны істемейді. Жазықтықтан тыс резонаторлар сәуле профилінің айналуына және тұрақтылықтың артуына әкеледі. Пайдалану ортасында туындайтын жылу қуыстың жиіліктерінің ауытқуына себеп болады, сондықтан жиілікті қуатсыздандырылған қуысқа құлыптау арқылы белсенді түрде тұрақтандыруға болады. Сол сияқты, лазердің бағыттау тұрақтылығын оптикалық талшық арқылы кеңістіктік сүзгілеу арқылы жақсартуға болады.
Түзеткіш
Оптикалық қуысты құрастыру кезінде нақты туралау маңызды. Ең жақсы шығыс қуаты мен сәуле сапасы үшін оптикалық элементтер сәуленің жолы әр элементтің ортасынан өтетіндей етіп орналастырылуы керек. Жақсы коллимацияланған, көзге көрінетін лазер – туралау лазері арқылы қарапайым қуыстар көбінесе тураланады, оны қуыстың осі бойымен бағыттауға болады. Сәуленің жолын және әртүрлі оптикалық элементтерден шағылысуын бақылау элементтердің орналасуын және бұрылуын реттеуге мүмкіндік береді. Күрделі қуыстар электронды автоколлиматорлар және лазерлік сәуле профильдері сияқты құрылғыларды пайдалану арқылы туралануы мүмкін.
Оптикалық кідірту желілері
Оптикалық қуыстар көп жолды оптикалық кідірту желілері ретінде де қолданылуы мүмкін, бұл жарық сәулесін бүктеу арқылы шағын кеңістікте ұзақ жол ұзындығына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Жазық параллель қуыс, жазық айналарымен, жалпақ зигзаг тәрізді жарық жолын құрайды, бірақ жоғарыда айтылғандай, мұндай конструкциялар механикалық бұзылыстарға және сәуленің қабысуына өте сезімтал. Егер қисық айналар дерлік конфокалды конфигурацияда қолданылса, сәуле дөңгелек зигзаг жолымен жүреді. Бұл соңғысы Herriott типті кідірту желісі деп аталады. Бір қисық айнаның жанына осьтен тыс орналасқан кіргізу айнасы, ал екінші қисық айнаның жанына ұқсас жылжымалы алу айнасы орналастырылады. Жазық айналар үшін бір алу айнасы бар жазық сызықтық платформа қолданылады, ал Herriott типті кідірту желісі үшін екі айналы айналмалы платформа қолданылады. Сәуленің қуыс ішінде айналуы оның поляризациялық күйін өзгертеді. Бұны өтеу үшін, сызықтық платформаның үстінде үш немесе екі айнадан тұратын, 3D немесе 2D кері шағылыстыру конфигурациясындағы бір реттік кідірту желісі қажет. Сәуленің дивергенциясын реттеу үшін, екі линзасы бар сызықтық платформадағы екінші шана қолданылуы мүмкін. Бұл екі линза телескоп ретінде әрекет етеді, виртуалды соңғы айнада Гаусс сәулесінің жазық фазалық фронтын құрайды.