Выбор конструкции излучателя

В лазерах применяется открытый оптический резонатор. Резонатор состоит из двух отражающих поверхностей между которыми помещается активное вещество. В качестве отражающих поверхностей используют зеркала различной формы - плоские, сферические и др. Расстояние между зеркалами может составлять от десятых долей миллиметра (полупроводниковые лазеры) до десятков метров (газовые лазеры на двуокиси углерода). Наибольшее распространение получили следующие оптические резонаторы: плоскопараллельный, с большим радиусом кривизны, конфокальный, сферический, вогнуто-выпуклый, полусферический и полуконфокальный. Тип оптического резонатора определяет частотный спектр и пространственное распределение поля выходящей из резонатора волны [1].

Для вывода энергии из резонатора применяют частично отражающие зеркала. Высокодобротные резонаторы характеризуются коэффициентом отражения зеркал более 99%. Главной функцией оптического резонатора в лазере является то, что он осуществляет положительную обратную связь. Часть распространяющегося внутри резонатора излучения отражается зеркалами и возвращается обратно в активную среду, что приводит к дополнительному усилению излучения. Положительная обратная связь, а следовательно, и режим генерации определяются соответствующей фазировкой отраженной волны. Кроме того, для генерации необходимо, чтобы усиление в активной среде компенсировало потери излучения.

Такие свойства генерируемого излучения как когерентность и направленность определяется в основном резонатором. Оптический резонатор является селектирующим устройством. Бегущие в противоположных направлениях волны образуют стоячую волну. Именно благодаря образованию стоячих волн в резонаторе, размер которого во много раз превышает длину волны излучения, генерация осуществляется только на определенных частотах. Следовательно, из контура усиления активного вещества выделяются волны определенной длины. Условие образования стоячих волн можно зависать в виде:

,

где q - целое число (обычно от 105 до 106); - длина волны излучения внутри резонатора; L - расстояние между зеркалами. Таким образом, расстояние между зеркалами должно быть равно целому числу полуволн.

Условие резонанса может выполняться и для волн распространяющихся под некоторыми дискретными углами к оси резонатора:

,

где - угол между направлением распространения колебаний и осью резонатора. Частота резонансов осевых (продольных) типов колебаний (мод) определяется выражением:

.

По мере увеличения угла наклона распространения волны по отношению к осевому направлению возрастают потери для данного типа колебаний. Условие генерации для этих колебаний выполняется все хуже, интенсивность их мала. Здесь показаны кривая усиления, резонансные частоты и моды резонатора, на которых осуществляется генерация.

а) схема регенеративного генератора света; б) многоходовая структура лазерного излучения: 1 - зеркало с высоким отражением; 2 - среда; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - выходное излучение лазера; 5 - усиление за один проход; 6 - неоднородная ширина; 7, 8, 9 - потери на модах ТЕМ20, ТЕМ10, ТЕМ00 соответственно; 10, 11 - продольные моды ТЕМ00, ТЕМ10 соответственно; 12 - интенсивность выходного излучения лазера; 13, 14 - пространственное распределение моды ТЕМ00, ТЕМ10.

Лазер-генератор

Как уже отмечалось, прирост мощности внутри резонатора за одно прохождение луча должен быть больше полных потерь в нем. Уровень полных потерь определяет пороговые значения мощности накачки, три которых возникает генерация, и уровень излучаемой мощности «во время генерации.

Основными потерями в резонаторе являются следующие:

потери, обусловленные рассеянием на неоднородностях активной среды и посторонних включениях;

потери в зеркалах резонатора, обусловленные частичным рассеянием и поглощением излучения (излучение, прошедшее через зеркало и далее используемое как полезный сигнал, является потерей для резонатора);

дифракционные, обусловленные конечностью размеров зеркал (часть энергии излучения при отражениях теряется).

Кроме перечисленных, в резонаторе существуют и другие виды потерь: излучение через боковые стенки резонатора; потери на торцах активной среды; потери, обусловленные параллельностью зеркал, потери из-за дефектов отражающей. поверхности зеркал и др.

Добротность оптического резонатора выражается:

,

где - коэффициент полных потерь за одно прохождение волны в резонаторе. Расстояние, между резонансными частотами

Лучшие статьи по информатике

Применение сверхширокополосных сигналов в перспективных системах связи
В современных условиях требования, предъявляемые к эффективности и функциональности систем передачи информации (повышение помехоустойчивости, скрытность, э ...

Расчет спутниковой передающей антенны
Требуется спроектировать и рассчитать антенну, в соответствии с приведёнными ниже техническими данными. Назначение: Бортовая спутниковая передающая ант ...

Элементная база для построения цифровых систем управления
Микроэлектроника - это комплексная область знаний, объектом изучения и разработки которой являются функционально сложные ИС, их структура, технология, диагн ...