Оптический резонатор - Optical cavity

Оптический резонатор , резонирует полость или оптический резонатор представляет собой расположение зеркал , которое образует стоячую волну резонатор для световых волн . Оптические резонаторы - это основной компонент лазеров , окружающий усиливающую среду и обеспечивающий обратную связь лазерного света. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах . Свет, заключенный в полости, многократно отражается, создавая стоячие волны для определенных резонансных частот . Образующиеся модели стоячей волны называются модами; продольные моды различаются только частотой, в то время как поперечные моды различаются для разных частот и имеют разные картины интенсивности в поперечном сечении пучка.

Стеклянная наночастица подвешена в оптическом резонаторе.

Разные типы резонаторов различаются фокусным расстоянием двух зеркал и расстоянием между ними. Плоские зеркала используются нечасто из-за сложности их выравнивания с необходимой точностью. Геометрия (тип резонатора) должна быть выбрана так, чтобы луч оставался стабильным, т.е. размер луча не увеличивался непрерывно при многократных отражениях. Типы резонаторов также разработаны с учетом других критериев, таких как минимальная перетяжка луча или отсутствие фокальной точки (и, следовательно, интенсивного света в этой точке) внутри полости.

Оптические резонаторы рассчитаны на большую добротность ; луч будет отражаться очень много раз с небольшим затуханием . Следовательно, ширина частотной линии луча действительно очень мала по сравнению с частотой лазера.

Режимы резонатора

Типы двухзеркальных оптических резонаторов с зеркалами различной кривизны, показывающие диаграмму направленности внутри каждого резонатора.

Свет, заключенный в резонатор, будет многократно отражаться от зеркал, и из-за эффектов интерференции резонатор будет поддерживать только определенные формы и частоты излучения, а другие подавляются деструктивной интерференцией. В общем, диаграммы направленности, которые воспроизводятся при каждом прохождении света через резонатор, являются наиболее стабильными, и это собственные моды, известные как моды резонатора.

Моды резонатора можно разделить на два типа: продольные моды , которые отличаются друг от друга по частоте; и поперечные моды , которые могут различаться как по частоте, так и по интенсивности света. Основная или основная поперечная мода резонатора - это 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 резонатор или резонатор Фабри – Перо , состоящий из двух противоположных плоских зеркал. Несмотря на простоту, такое расположение редко используется в крупномасштабных лазерах из-за сложности юстировки; зеркала должны быть выровнены параллельно в течение нескольких секунд дуги , иначе «уход» внутрирезонаторного луча приведет к тому, что он вытечет из стенок полости. Однако эта проблема значительно уменьшается для очень коротких резонаторов с небольшим расстоянием между зеркалами ( L <1 см). Поэтому плоскопараллельные резонаторы обычно используются в микрочипах и лазерах с микрорезонаторами, а также в полупроводниковых лазерах . В этих случаях, вместо использования отдельных зеркал, отражающее оптическое покрытие может быть нанесено непосредственно на сам лазерный носитель. Плоскопараллельный резонатор также является основой интерферометра Фабри – Перо .

Для резонатора с двумя зеркалами с радиусами кривизны R 1 и R 2 существует ряд общих конфигураций резонатора. Если два радиуса равны половине длины полости ( R 1 = R 2 = L  /   2), получается концентрический или сферический резонатор. Этот тип резонатора создает ограниченную дифракцией перетяжку пучка в центре резонатора с большими диаметрами пучка на зеркалах, заполняющими всю апертуру зеркала. Аналогичен этому полусферический резонатор с одним плоским зеркалом и одним зеркалом с радиусом, равным длине резонатора.

Общей и важной конструкцией является конфокальный резонатор с зеркалами, радиусы которых равны длине резонатора ( R 1 = R 2 = L ). Эта конструкция обеспечивает наименьший возможный диаметр луча на зеркалах резонатора для данной длины резонатора и часто используется в лазерах, где важна чистота диаграммы направленности поперечных мод.

Вогнуто-выпуклая полость имеет одно выпуклое зеркало с отрицательным радиусом кривизны. Эта конструкция не создает внутрирезонаторной фокусировки луча и, таким образом, полезна в очень мощных лазерах, где интенсивность внутрирезонаторного света может повредить среду внутри резонатора, если будет сфокусирована.

Сферическая полость

Прозрачная диэлектрическая сфера, такая как капля жидкости, также образует интересный оптический резонатор. В 1986 году Ричард К. Чанг и др. продемонстрировал лазерную генерацию с использованием этанола микрокапеля (20-40 мкм в радиусе) с примесью родамина 6G красителем . Этот тип оптического резонатора демонстрирует оптические резонансы при изменении размера сферы или длины оптической волны или показателя преломления . Резонанс известен как резонанс, зависящий от морфологии .

Стабильность

Диаграмма устойчивости двухзеркального резонатора. Области, заштрихованные синим цветом, соответствуют стабильным конфигурациям.

Только определенные диапазоны значений для R 1 , R 2 и L создают стабильные резонаторы, в которых производится периодическая перефокусировка внутрирезонаторного луча. Если резонатор нестабилен, размер луча будет неограниченно расти, в конечном итоге вырастая больше, чем размер зеркал резонатора, и теряясь. Используя такие методы, как анализ матрицы переноса лучей , можно вычислить критерий устойчивости:

Значения, удовлетворяющие неравенству, соответствуют устойчивым резонаторам.

Стабильность можно показать графически, задав параметр устойчивости g для каждого зеркала:

,

и строят график g 1 против g 2, как показано. Области, ограниченные линией g 1 g 2 = 1, и оси устойчивы. Полости в точках точно на линии незначительно стабильны; небольшие изменения в длине резонатора могут привести к тому, что резонатор станет нестабильным, и поэтому лазеры, использующие эти резонаторы, на практике часто работают прямо внутри линии стабильности.

Простое геометрическое утверждение описывает области устойчивости: полость устойчива, если отрезки линии между зеркалами и их центрами кривизны перекрываются, но одно не лежит полностью внутри другого.

В конфокальном резонаторе, если луч отклоняется от своего первоначального направления в середине резонатора, его смещение после отражения от одного из зеркал больше, чем в любой другой конструкции резонатора. Это предотвращает усиленное спонтанное излучение и важно для разработки усилителей высокой мощности с хорошим качеством луча.

Практические резонаторы

Если оптический резонатор не пустой (например, лазерный резонатор, содержащий усиливающую среду), используемое значение L представляет собой не физическое расстояние между зеркалами , а длину оптического пути между зеркалами. Оптические элементы, такие как линзы, помещенные в резонатор, изменяют стабильность и размер моды. Кроме того, для большинства усиливающих сред тепловые и другие неоднородности создают в среде переменный линзирующий эффект, который необходимо учитывать при проектировании резонатора лазера.

Практические лазерные резонаторы могут содержать более двух зеркал; Обычно используются трех- и четырехзеркальные устройства, образующие «складчатую полость». Как правило, пара изогнутых зеркал образуют один или несколько конфокальных секции, с остальной частью полости существ квази- коллимированного и использованием плоских зеркал. Форма лазерного луча зависит от типа резонатора: луч, создаваемый стабильными параксиальными резонаторами, может хорошо моделироваться гауссовым лучом . В особых случаях пучок может быть описан как одиночная поперечная мода, а пространственные свойства могут быть хорошо описаны самим гауссовым пучком. В более общем смысле этот луч можно описать как суперпозицию поперечных мод. Точное описание такой балки требует расширения по некоторому полному ортогональному набору функций (в двух измерениях), таких как полиномы Эрмита или полиномы Инса . С другой стороны, было показано, что нестабильные лазерные резонаторы создают лучи фрактальной формы.

Некоторые внутрирезонаторные элементы обычно размещают на перетяжке балки между сложенными участками. Примеры включают акустооптические модуляторы для сброса резонатора и вакуумные пространственные фильтры для управления поперечными модами . Для некоторых лазеров малой мощности сама усиливающая среда лазера может быть расположена на перетяжке луча. Для других элементов, таких как фильтры , призмы и дифракционные решетки, часто требуются большие квазиколлимированные пучки.

Эти конструкции позволяют компенсировать астигматизм луча резонатора , который создается элементами, вырезанными по Брюстеру в резонаторе. Z-образное расположение полости также компенсирует кому, в то время как дельта- или X-образная полость - нет.

Резонаторы вне плоскости приводят к вращению профиля пучка и большей стабильности. Тепло, генерируемое в усиливающей среде, приводит к дрейфу частоты резонатора, поэтому частоту можно активно стабилизировать, привязав ее к резонатору без питания. Точно так же стабильность наведения лазера может быть улучшена за счет пространственной фильтрации с помощью оптического волокна .

Выравнивание

Выравнивание складчатой ​​полости на автоколлиматоре

Точная юстировка важна при сборке оптического резонатора. Для получения наилучшей выходной мощности и качества луча оптические элементы должны быть выровнены таким образом, чтобы путь, по которому проходит луч, был центрирован через каждый элемент.

Простые полости часто выравниваются с помощью юстировочного лазера - хорошо сколлимированного лазера видимого диапазона, который может быть направлен вдоль оси полости. Наблюдение за траекторией луча и его отражениями от различных оптических элементов позволяет регулировать положение и наклон элементов.

Более сложные полости можно выровнять с помощью таких устройств, как электронные автоколлиматоры и профилометры лазерного луча .

Линии оптической задержки

Оптические резонаторы также могут использоваться в качестве многопроходных оптических линий задержки, сгибающих световой пучок, так что большая длина пути может быть достигнута в небольшом пространстве. Плоскопараллельный резонатор с плоскими зеркалами создает плоский зигзагообразный световой путь, но, как обсуждалось выше, эти конструкции очень чувствительны к механическим возмущениям и отклонениям. Когда изогнутые зеркала используются в почти конфокальной конфигурации, луч движется по круговой зигзагообразной траектории. Последняя называется линией задержки типа Херриотта. Неподвижное вставное зеркало размещается вне оси возле одного из изогнутых зеркал, а мобильное съемное зеркало аналогично помещается возле другого изогнутого зеркала. В случае плоских зеркал используется плоский линейный столик с одним принимающим зеркалом, а для линии задержки типа Херриотта - поворотный столик с двумя зеркалами.

Вращение луча внутри резонатора изменяет состояние поляризации луча. Чтобы компенсировать это, также необходима однопроходная линия задержки, состоящая из трех или двух зеркал в трехмерной соответствующей двумерной конфигурации ретроотражения поверх линейного каскада. Для корректировки расходимости луча можно использовать вторую машину на линейной сцене с двумя линзами. Две линзы действуют как телескоп, создавая плоский фазовый фронт гауссова луча на виртуальном торцевом зеркале.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Пашотта, Рюдигер. « Фактор добротности » . Энциклопедия лазерной физики и техники . RP Photonics.
  2. ^ Lotsch, HKV (1967). «Скалярная теория для оптических резонаторов и лучевых волноводов». Оптик . 26 : 112–130.
  3. ^ Fox, AG; Ли, Т. (1961). «Резонансные моды в мазерном интерферометре» . Bell Syst. Tech. Дж . 40 (2): 453–488. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1961.tb01625.x .
  4. ^ Исмаил, N .; Kores, CC; Гескус, Д .; Полльнау, М. (2016). «Резонатор Фабри-Перо: формы спектральных линий, общие и связанные с ними распределения Эри, ширина линий, тонкость и характеристики при низкой или частотно-зависимой отражательной способности» . Оптика Экспресс . 24 (15): 16366–16389. Bibcode : 2016OExpr..2416366I . DOI : 10,1364 / OE.24.016366 . PMID   27464090 .
  5. ^ Lotsch, HKV (1968). "Резонатор Фабри-Перо. Часть I". Оптик . 28 : 65–75.
  6. ^ Lotsch, HKV (1969). "Резонатор Фабри-Перо. Часть II". Оптик . 28 : 328–345.
  7. ^ Lotsch, HKV (1969). «Резонатор Фабри-Перо. Часть III». Оптик . 28 : 555–574.
  8. ^ Lotsch, HKV (1969). «Резонатор Фабри-Перо. Часть IV». Оптик . 29 : 130–145.
  9. ^ Lotsch, HKV (1969). "Резонатор Фабри-Перо. Часть V". Оптик . 29 : 622–623.
  10. ^ Бойд, GD; Гордон, JP (1961). «Конфокальный многомодовый резонатор для лазеров миллиметрового оптического диапазона». Bell Syst. Tech. Дж . 40 (2): 489–508. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1961.tb01626.x .
  11. ^ Бойд, GD; Когельник, Х. (1962). «Обобщенная теория конфокального резонатора». Bell Syst. Tech. Дж . 41 (4): 1347–1369. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1962.tb03281.x .
  12. ^ Lotsch, HKV (1969). «Конфокальная резонаторная система I». Оптик . 30 : 1–14.
  13. ^ Lotsch, HKV (1969). «Конфокальная резонаторная система II». Оптик . 30 : 181–201.
  14. ^ Lotsch, HKV (1970). «Конфокальная резонаторная система III». Оптик . 30 : 217–233.
  15. ^ Lotsch, HKV (1970). «Конфокальная резонаторная система IV». Оптик . 30 (6): 563–576.
  16. ^ Ярив Амнон (1989). Квантовая электроника (3-е изд.). Вайли. п. 142. ISBN.   0-4716-0997-8 .
  17. ^ Карман, ГП; и другие. (1999). «Лазерная оптика: фрактальные моды в неустойчивых резонаторах» . Природа . 402 (6758): 138. Bibcode : 1999Natur.402..138K . DOI : 10.1038 / 45960 . S2CID   205046813 .
  18. ^ Арон. «Метрологическая система для взаимной юстировки лазеров, телескопов и механической базы» .

дальнейшее чтение