Введение

Отражатели, формирующие полость резонатора для световых волн. Оптическая полость, резонатор или оптический резонатор – это расположение зеркал или других оптических элементов, формирующих полость резонатора для световых волн. Оптические полости являются основным компонентом лазеров, окружающих активную среду и обеспечивающих обратную связь лазерного излучения. Они также используются в оптических параметрических осцилляторах и некоторых интерферометрах. Свет, заключенный в полости, многократно отражается, формируя моды с определенными резонансными частотами. Моды можно разложить на продольные моды, различающиеся только частотой, и поперечные моды, имеющие различные распределения интенсивности по поперечному сечению луча. Многие типы оптических полостей генерируют моды стоячих волн. Различные типы резонаторов различаются фокусными расстояниями двух зеркал и расстоянием между ними. Плоские зеркала используются редко из-за сложности их выравнивания с необходимой точностью. Геометрия (тип резонатора) должна быть выбрана таким образом, чтобы луч оставался стабильным, то есть размер луча не постоянно увеличивался при многократных отражениях. Типы резонаторов также разрабатываются с учетом других критериев, таких как минимальная талия луча или отсутствие фокальной точки (и, следовательно, высокой интенсивности света в этой точке) внутри полости. Оптические полости проектируются с высоким доброкачественным фактором (Q); луч отражается очень большое количество раз с незначительным затуханием. Следовательно, ширина спектральной линии луча очень мала по сравнению с частотой лазера.

Режимы резонатора

Свет, заключенный в резонаторе, будет многократно отражаться от зеркал, и вследствие эффектов интерференции, только определенные пространственные распределения и частоты излучения будут поддерживаться резонатором, а остальные подавляться деструктивной интерференцией. В общем случае, наиболее стабильны те распределения излучения, которые воспроизводятся при каждом полном обороте света в резонаторе – это собственные моды, известные как моды резонатора. Моды резонатора делятся на два типа: продольные моды, различающиеся по частоте, и поперечные моды, которые могут различаться как по частоте, так и по картине распределения интенсивности света. Базовая, или фундаментальная, поперечная мода резонатора представляет собой гауссов пучок.

Типы резонаторов

Наиболее распространенные типы оптических резонаторов состоят из двух обращенных друг к другу плоских или сферических зеркал. Самым простым из них является плоскопараллельный или резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух противоположных плоских зеркал. Несмотря на простоту, эта конструкция редко используется в лазерах большой мощности из-за сложности выравнивания; зеркала должны быть выровнены параллельно с точностью до нескольких секунд дуги, иначе "расхождение" внутрирезонаторного луча приведет к его выходу за пределы резонатора. Однако эта проблема значительно снижается для очень коротких резонаторов с небольшим расстоянием между зеркалами (L < 1 см). Поэтому плоскопараллельные резонаторы обычно используются в микрочиповых и микрорезонаторных лазерах, а также в полупроводниковых лазерах. В этих случаях вместо отдельных зеркал отражающее оптическое покрытие может быть нанесено непосредственно на активную среду лазера. Плоскопараллельный резонатор также является основой интерферометра Фабри-Перо. Для резонатора с двумя зеркалами с радиусами кривизны R1 и R2 существует ряд распространенных конфигураций. Если оба радиуса равны половине длины резонатора (R1 = R2 = L/2), получается концентрический или сферический резонатор. Этот тип резонатора формирует дифракционно-ограниченное пятно в центре резонатора, с большими диаметрами луча на зеркалах, заполняющими всю апертуру зеркал. Похожим является полусферический резонатор, с одним плоским зеркалом и одним зеркалом радиуса, равного длине резонатора. Распространенной и важной конструкцией является конфокальный резонатор, с зеркалами радиуса, равного длине резонатора (R1 = R2 = L). Эта конструкция обеспечивает минимальный диаметр луча на зеркалах резонатора для заданной длины резонатора и часто используется в лазерах, где важна чистота поперечной моды. Вогнуто-выпуклый резонатор имеет одно выпуклое зеркало с отрицательным радиусом кривизны. Эта конструкция не создает внутрирезонаторного фокуса луча и поэтому полезна в лазерах очень высокой мощности, где интенсивность внутрирезонаторного света может повредить активную среду при фокусировке.

Сферическая полость

Прозрачная диэлектрическая сфера, такая как жидкая капля, также формирует интересную оптическую резонаторную полость. В 1986 году Ричард К. Чанг и соавторы продемонстрировали генерацию лазерного излучения с использованием микрокапель этанола (радиусом 20–40 микрометров), легированных красителем родамин 6G. Этот тип оптической резонаторной полости проявляет оптические резонансы при изменении размера сферы, оптической длины волны или показателя преломления. Этот резонанс известен как морфологически зависимый резонанс.

Резонаторы для практических целей

Если оптическая полость не пуста (например, лазерная полость, содержащая активную среду), значение L необходимо скорректировать с учетом показателя преломления среды. Оптические элементы, такие как линзы, помещенные в полость, изменяют стабильность и размер моды. Кроме того, для большинства активных сред тепловые и другие неоднородности создают переменный линзирующий эффект в среде, который необходимо учитывать при проектировании лазерного резонатора. Практические лазерные резонаторы могут содержать более двух зеркал; распространены конфигурации с тремя и четырьмя зеркалами, образующие "свернутую полость". Обычно пара изогнутых зеркал формирует один или несколько конфокальных участков, а остальная часть полости квазиколлимирована и использует плоские зеркала. Форма лазерного луча зависит от типа резонатора: луч, генерируемый стабильными параксиальными резонаторами, может быть хорошо смоделирован гауссовым лучом. В особых случаях луч можно описать как единственную поперечную моду, а его пространственные характеристики – самим гауссовым лучом. В более общем случае этот луч можно описать как суперпозицию поперечных мод. Точное описание такого луча требует разложения по некоторому полному, ортогональному набору функций (в двух измерениях), например, полиномам Эрмита или полиномам Инса. Нестабильные лазерные резонаторы, с другой стороны, показали способность генерировать лучи фрактальной формы. Некоторые внутриполостные элементы обычно размещают в талии луча между сложенными секциями. Примерами служат акустооптические модуляторы для выгрузки полости и вакуумные пространственные фильтры для управления поперечной модой. Для некоторых лазеров малой мощности сама лазерная активная среда может быть расположена в талии луча. Другим элементам, таким как фильтры, призмы и дифракционные решетки, часто требуются большие квазиколлимированные лучи. Эти конструкции позволяют компенсировать астигматизм луча в полости, возникающий из-за элементов, срезанных по Брюстеру. Z-образная конфигурация полости также компенсирует кому, в то время как "дельта" или X-образная полость – нет. Резонаторы вне плоскости приводят к вращению профиля луча и повышают стабильность. Тепло, выделяемое в активной среде, вызывает дрейф частоты полости, поэтому частоту можно активно стабилизировать, фиксируя ее на незадействованной полости. Аналогичным образом, стабильность направления лазерного луча может быть улучшена пространственной фильтрацией с помощью оптического волокна.

Выровняемость

Точное выравнивание важно при сборке оптической резонатора. Для достижения максимальной выходной мощности и качества луча оптические элементы должны быть выровнены таким образом, чтобы траектория луча проходила по центру каждого элемента. Простые резонаторы часто выравнивают с помощью лазера для выравнивания – хорошо коллимированного видимого лазера, который можно направить вдоль оси резонатора. Наблюдение за траекторией луча и его отражениями от различных оптических элементов позволяет регулировать положение и углы наклона элементов. Для выравнивания более сложных резонаторов могут использоваться такие устройства, как электронные автоколлиматоры и профилировщики лазерного луча.

Линии оптической задержки

Оптические резонаторы также могут использоваться как многопроходные оптические линии задержки, формируя световой луч таким образом, чтобы обеспечить большую длину пути в ограниченном пространстве. Плоский параллельный резонатор с плоскими зеркалами создает плоскую зигзагообразную траекторию луча, но, как было описано выше, такие конструкции очень чувствительны к механическим возмущениям и расхождению луча. При использовании изогнутых зеркал в почти конфокальной конфигурации луч движется по круговой зигзагообразной траектории. Последняя называется линией задержки типа Herriott. Фиксированное входное зеркало располагается вне оси вблизи одного из изогнутых зеркал, а подвижное выходное зеркало – аналогично, вблизи другого изогнутого зеркала. Для плоских зеркал используется плоская линейная платформа с одним выходным зеркалом, а для линии задержки типа Herriott – поворотная платформа с двумя зеркалами. Вращение луча внутри резонатора изменяет его состояние поляризации. Для компенсации этого также требуется однопроходная линия задержки, состоящая из трех или двух зеркал в трехмерной или двухмерной конфигурации ретроотражения, установленных на линейной платформе. Для коррекции расхождения луча можно использовать вторую каретку на линейной платформе с двумя линзами. Эти две линзы действуют как телескоп, формируя плоскую фазовую фронта гауссова пучка на виртуальном конце зеркала.