Реферат по курсу «Лазерная техника» на тему:

    Принципы  селекции продольных и поперечных мод 
 
 
 
 

 

     СОДЕРЖАНИЕ

 

     ВВЕДЕНИЕ

 

       Применение в оптическом диапазоне открытого резонатора с линейными размерами, значительно превосходящими λ, предложенное в 1958 г. А.М. Прохоровым и независимо Р. Дикке, а также А. Шавловым и Ч. Таунсом, дает ряд приемущест.

     Во-первых, из-за отсутствия боковых стенок в открытом резонаторе могут возбуждаться лишь некоторые поперечные, или угловые, моды, которые распространяются под весьма малыми углами к оси резонатора z. Наряду с ними могут возникать продольные, или осевые, моды, распространяющиеся строго вдоль оси резонатора. Моды, которые распространяются под углом к оси резонатора, превышающими угол (где – диаметр зеркала), выходят после нескольких проходов вне зеркал и поэтому исключаются из процесса генерирования.

     Во-вторых очень большой продольный размер резонатора позволяет использовать значительные объемы активной среды и потому получать излучение с высокой мощностью.

     В-третьих, применение зеркал с диаметрами много  больше генерируемой длины волны, но меньших, чем расстояние между ними, снижает дифракционные потери на зеркалах. Это также приводит к отличию потерь продольных и поперечных мод. Здесь лежит путь к дальнейшему разложению спектра за счет подавления отдельных (нежелательных) мод.

     Моды  открытого резонатора можно представить как результат интерференции полей, распространяющихся между зеркалами, приводящей к формированию стоячих волн. Мода не является идеальной плоской волной. Для обозначения моды служит аббревиатура , где - радиальный, – угловой (азимутальный), – продольный индексы. Как правило, угол отклонения направления поперечной моды от оси резонатора весьма мал, то . Зато .

     Задаваемая  тройкой индексов мода отличается определенной пространственной структурой электрического поля, т.е. распределением амплитуды и фазы в поперечном к оси резонатора направлении [1]. Следует отметить, что моды с одинаковыми , но с разными значениями и , удовлетворяющими условию , имеют одну и туже частоту и поэтому их называют частотно-вырожденными [2]. Конкретной паре индексов , характеризующей определенную поперечную структуру поля, соответствует набор мод, отличающихся продольным индексом , допустим, и т.д. Такую совокупность продольных мод принято называть поперечной модой , именно поперечная мода создает определенную форму светового пятна на зеркалах [1].  

 

     СЕЛЕКЦИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ МОД

 

    Как нетрудно убедиться, пространственная и временная когерентности быстро падают с ростом числа типов колебаний. Поэтому в большинстве случаев  желательно обеспечивать генерацию  на одной моде _ основном типе колебаний  низшего порядка  . Такой режим Работы ОКГ может быть осуществлён, если потери в резонаторе для .меньше. чем для типов колебаний более высокого порядка. Это может быть достигнуто несколькими способами, которые рассматриваются ниже[2].

1.1 ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ РЕЗОНАТОРА

 

    Как известно резонатор может быть охарактеризован  числом Френеля N, с увеличением которого возрастают дифракционные потери для всех типов колебаний.

    Число Френеля N приблизительно равно числу зон Френеля , видимых в одном из зеркал из центра другого:

    

    Где - a радиус рабочей части зеркала, L – расстояние между зеркалами, λ – длина волны излучения.

    При этом в плоско-парралельном резонаторе соотношение потерь для типов  колебаний разного порядка оказывается  почти постоянным, очень мало зависящим от N. Характер зависимости представлен на рисунке 1.

    

    Рисунок 1 – Зависимость дифракционных  потерь от числа Френеля для различной  геометрии резонатра.

    В конфокальных резонаторах потери существенно  ниже, чем в плоско-параллельных, причём в области малых значений N потери для разных типов колебаний сильно различаются между собой. В этом случае имеется возможность подавления высших типов колебаний.

    Следует учитывать, что описанный метод  селекции даёт хорошие результаты при  точной юстировке зеркал, иначе потери для двух типов колебаний будут уравнены и будет снижена когерентность излучения.

1.2 ВВЕДЕНИЕ ВНУТРЬ  РЕЗОНАТОРА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ  ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМНТОВ

 

    При этом методе селекции мод используется различное пространственное распределение  поля для типов колебаний различного порядка. Поэтому введение в резонатор диафрагм может значительно увеличить потери для всех мод, кроме .

    Более целесообразно использовать систему  с одной линзой изображённой на рисунке 2.

    

    Рисунок 2 – Схема резонатора с выпуклым сферическим зеркалом.

    Здесь одно из зеркал выполнено в виде сферы, центр которой совпадает  с фокусом линзы. Т.е лучи не параллельные оптической оси резонатора, преломившись в линзе, приходят на сферическое зеркало не перпендикулярно к его поверхности и после отражения выходят за предел резонатора.

    Тем не менее этот метод селекции применяют  более редко, т.к он связан с большими потерями и конструктивно более  сложен.

1.3 ПРИМЕНЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ВЫСОКОЙ СЕЛЕКТИВНОСТИ

 

    В ряде случаев наиболее удобным является способ подавления внеосевых типов колебаний путём замены оного или двух зеркал призмами полного внутреннего отражения. Призмы располагаются таким образом, что все лучи распространяющиеся под углом, например, более трёх угловых минут к оси, имеют значительные потери вследствие уменьшения коэффициента отражения от них, т.е соответствующие таким лучам поперечные моды не будут возбуждаться.

    На  рисунке 3 представлены различные виды призм.

    

    Рисунок 3 – Призматические отражатели: а - призма с передней гранью перпендикулярной лучу; б – призма с передней гранью, наклонённой по углом Брюстера; в – призма, отражающая лучи с ортогональной поляризацией.

    Такой способ селекции поперечных типов колебаний  целесообразно применять в резонаторах с внутренними отражателями, когда многослойное диэлектрическое покрытие может быстро разрушаться[2].

 

2.СЕЛЕКЦИЯ ПРОДОЛЬНЫХ МОД

 

    В общем случае выходной сигнал лазера, работающего в одномодовом режиме, может содержать несколько продольных типов колебаний, образующих спектр эквидистантных линий [2]. Во многих случаях требуется иметь максимально монохромотичный, одночастотный сигнал. Ниже приведены способы выделения одного продольного типа колебаний.

2.1 УПРАВЛЕНИЕ ПОРОГОМ

 

    Уменьшением L можно сделать величину сравнимой с доплеровской шириной линии. При этом может быть достигнуто такое их соотношение, при котором будет возбуждаться только один продольный тип колебаний, поскольку для ближайшего соседнего типа усиление окажется недостаточным для достижения порога генерации (рисунок 4).

Рисунок 4 – Получение одночастотного режима с помощью управления порогом.

    Основными недостатками этого резонатора является малое усиление за проход и соответственно малая выходная мощность.

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРОВ

 

    Один  из наиболее распространенных способов селекции продольных мод основан на внесении в резонатор лазера наклонного эталона Фабри - Перо. По сравнению с другими методами (например, с использованием резонансного отражателя на основе интерферометра Фокса - Смита) этот метод имеет преимущества, поскольку эталон Фабри - Перо прост в изготовлении, настройке и нечувствителен к возмущениям.

    Принцип работы эталона основан на селективном  пропускании одной моды вогнуто-плоского резонатора (ТЕМоо_q), тогда как нежелательные моды отражаются и благодаря наклону эталона выводятся из резонатора (рисунок 5). Острота пика пропускания задается коэффициентом отражения покрытий его поверхностей и выбирается, исходя из параметров активной среды (коэффициент усиления, механизм уширения линии и конкуренции мод).

Рисунок 5 схема вогнуто-плоского резонатора

    Одним из существенных недостатков применения наклонного эталона являются относительно высокие потери на проход, связанные  с неполным перекрытием интерферирующих пучков при наклоне эталона. Этот эффект ограничивает мощность одночастотной генерации в реальных условиях: эффективность преобразования при переходе в одночастотный. Отметим, что потери на проход минимальны вблизи нормали к оси (в так называемом нулевом порядке), однако в этом случае селекции мод не происходит, т. к. отраженное от эталона излучение возвращается в резонатор.

    Тем не менее принципиальную возможность  селекции мод без наклона эталона  можно реализовать, если плоское  зеркало резонатора заменить выпуклым. Тогда отраженное от эталона излучение попадет в неустойчивый резонатор, образованный выпуклым зеркалом и эталоном, и при достаточных дифракционных потерях может иметь место эффективная дискриминация нежелательных мод (рисунок 6). При этом параметры генерируемой моды определяются конфигурацией резонатора, образуемого выпуклым и вогнутым зеркалами, которая выбирается устойчивой. В этом случае в эталоне потери на проход могут быть существенно снижены по сравнению с потерями в наклонном эталоне.

    

    Рисунок 6 – Схема выпукло вогнутого  резонатора. 

2.3 ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ  МЕТОД СЕЛЕКЦИИ

 

    Интерферометрический  метод селекции продольных типов  колебаний основан на использовании  резонатора с одним или двумя  дополнительными отражателями. Появляется возможность обеспечить высокую добротность такого резонатора для одного рабочего типа колебаний и низкую для всех остальных.

    

    Рисунок 7 – Схема трёхзеркального резонатора.

Резонансные частоты данных резонаторов определяются выражениями:

    

    В случае выполнения условия L₂<<L₁ зеркала, составляющие резонатор с расстоянием L₂ между ними, могут рассматриваться как единое зеркало. Коэффициент отражения такого зеркала достигает максимума на частотах ,поэтому максимальная добротность связанных резонаторов будет иметь место при совпадении частот . В генерацию будет входить продольная мода с наивысшей добротностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

    Селекция  различных типов колебаний необходима для улучшения пространственной и временной когерентности излучения. Селекция продольных мод необходима для получения максимально монохромотичного излучения. Существуют различные методы селекции мод, которые имеют свои преимущества и недостатки. Выбор метода индивидуален в зависимости от случая.

 

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Пойзнер Б. Н. Физические основы лазерной техники: Учебное пособие. Томск: издательство Томского университета. 2006. 208 с.
2. Галутова Г.В. Селекция типов колебаний и стабилизация частоты ОКГ: М: Связь. 1972. 73 с
3. Копылов С.М. Перестраиваемые лазеры на красителях и их применение: М: Радио и связь. 1991. 239 с