Оптический резонатор - Optical cavity

An оптический резонатор, резонирующая полость или же оптический резонатор это аранжировка зеркала что образует стоячая волна объемный резонатор за световые волны. Оптические резонаторы являются основным компонентом лазеры, окружающие получить средний и предоставление Обратная связь лазерного света. Они также используются в оптические параметрические генераторы и немного интерферометры. Свет, заключенный в полости, многократно отражается, производя стоячие волны для некоторых резонансные частоты. Образцы стоячей волны называются модами; продольные моды отличаются только частотой, в то время как поперечные моды различаются для разных частот и имеют разные картины интенсивности по поперечному сечению луча.

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, то есть 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;[1] луч будет отражать очень большое количество раз с небольшим затухание. Следовательно, частота ширина 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, удерживаемый в резонаторе, будет многократно отражаться от зеркал, и из-за эффектов вмешательство, только определенные шаблоны и частоты Излучение будет поддерживаться резонатором, а остальные подавляются деструктивными помехами. В общем, диаграммы направленности, которые воспроизводятся при каждом прохождении света через резонатор, являются наиболее стабильными, и это собственные моды, известные как режимы, резонатора.[2]

Режимы резонатора можно разделить на два типа: продольные моды, которые отличаются друг от друга по частоте; и поперечные моды, которые могут отличаться как частотой, так и интенсивность узор 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 (плоских) или сферических зеркал. Самый простой из них - плоскопараллельный или Фабри-Перо полость, состоящая из двух противоположных плоских зеркал.[3][4][5][6][7][8][9] Несмотря на простоту, такое расположение редко используется в крупномасштабных лазерах из-за сложности юстировки; зеркала должны быть выровнены параллельно в течение нескольких секунды дуги, или "уход" пучка внутри резонатора приведет к его вытеканию 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 микрополость лазеры и полупроводниковые лазеры. В этих случаях вместо использования отдельных зеркал оптическое покрытие может наноситься непосредственно на сам лазерный носитель. Плоскопараллельный резонатор также является основой Интерферометр Фабри – Перо.

Для резонатора с двумя зеркалами с радиусами кривизны р1 и р2, существует ряд распространенных конфигураций резонатора. Если два радиуса равны половине длины полости (р1 = р2 = L / 2), получается концентрический или сферический резонатор. Этот тип полости создает дифракция - ограниченная перетяжка пучка в центре резонатора, с большими диаметрами пучка у зеркал, заполняющими всю апертуру зеркала. Аналогичен этому полусферический резонатор с одним плоским зеркалом и одним зеркалом с радиусом, равным длине резонатора.

Распространенной и важной конструкцией является конфокальный резонатор с зеркалами, радиус которых равен длине резонатора (р1 = р2 = L).[10][11][12][13][14][15] Эта конструкция обеспечивает наименьший возможный диаметр луча на зеркалах резонатора для данной длины резонатора и часто используется в лазерах, где важна чистота поперечной диаграммы направленности мод.

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

Сферическая полость

Прозрачный диэлектрический шар, такой как капля жидкости, также образует интересный оптический резонатор. В 1986 г. Ричард К. Чанг и другие. продемонстрировал генерация с помощью этиловый спирт микрокапли (Радиус 20–40 мкм), легированный родамин 6G краситель. Этот тип оптического резонатора демонстрирует оптические резонансы когда размер сферы или оптического длина волны или показатель преломления разнообразен. Резонанс известен как морфологически зависимый резонанс.

Стабильность

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

Только определенные диапазоны значений для р1, р2, и L создать устойчивые резонаторы, в которых производится периодическая рефокусировка внутрирезонаторного пучка. Если резонатор нестабилен, размер луча будет неограниченно расти, в конечном итоге вырастая больше, чем размер зеркал резонатора, и теряется. Используя такие методы, как анализ матрицы переноса лучей, можно вычислить критерий устойчивости:[16]

Значения, удовлетворяющие неравенству, соответствуют устойчивым резонаторам.

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

,

и замысел грамм1 против грамм2 как показано. Области, ограниченные линией грамм1 грамм2 = 1 и оси устойчивы. Полости в точках точно на линии немного устойчивы; небольшие изменения длины резонатора могут привести к нестабильности резонатора, и поэтому лазеры, использующие эти резонаторы, на практике часто работают только 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 важен для разработки усилителей высокой мощности с хорошим качеством луча.

Практические резонаторы

Если оптический резонатор не пустой (например, лазерный резонатор, содержащий усиливающую среду), значение L используется не физическое разделение зеркал, а длина 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». Обычно пара изогнутых зеркал образует одну или несколько конфокальных секций, а остальная часть резонатора является квазизображенной.коллимированный и с использованием плоских зеркал. Форма лазерного луча зависит от типа резонатора: луч, создаваемый стабильными параксиальными резонаторами, может быть хорошо смоделирован с помощью Гауссов пучок. В особых случаях луч может быть описан как одиночная поперечная мода, а пространственные свойства могут быть хорошо описаны самим гауссовым лучом. В более общем виде 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.[17]

Некоторые внутрирезонаторные элементы обычно размещают на перетяжке балки между сложенными участками. Примеры включают акустооптические модуляторы за сброс полости и вакуум пространственные фильтры за поперечная мода контроль. Для некоторых маломощных лазеров сама усиливающая среда лазера может быть расположена на перетяжке луча. Другие элементы, такие как фильтры, призмы и дифракционные решетки часто требуются большие квазиколлимированные пучки.

Эти конструкции позволяют компенсировать пучок резонатора. астигматизм, который производится Нарезанный Брюстером элементы в полости. Z-образное расположение полости также компенсирует кома в то время как «дельта» или «X» полость - нет.

Резонаторы вне плоскости приводят к вращению профиля пучка и большей стабильности. Тепло, выделяемое 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 оптоволокно.

Выравнивание

Выравнивание складчатой ​​полости на автоколлиматоре[18]

Точная юстировка важна при сборке оптического резонатора. Для достижения 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, складывая световой луч так, что можно достичь большой длины пути 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. Фиксированное вставное зеркало размещается вне оси возле одного из изогнутых зеркал, а мобильное съемное зеркало аналогично помещается рядом с другим изогнутым зеркалом. В случае плоских зеркал используется плоский линейный столик с одним съемным зеркалом, а для линии задержки типа Херриотта - поворотный столик с двумя зеркалами.

Вращение луча внутри полости изменяет поляризация состояние 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 регулировки расходимости луча можно использовать вторую машину на линейной сцене с двумя линзами. Две линзы действуют как телескоп, создавая плоский фазовый фронт Гауссов пучок на виртуальном конце зеркала.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Пашотта, Рюдигер. "Q Фактор ". Энциклопедия лазерной физики и техники. RP Photonics.
  2. ^ Lotsch, H.K.V. (1967). «Скалярная теория для оптических резонаторов и лучевых волноводов». Optik. 26: 112–130.
  3. ^ Fox, A.G .; Ли, Т. (1961). «Резонансные моды в мазерном интерферометре». Bell Syst. Tech. J. 40 (2): 453–488. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1961.tb01625.x.
  4. ^ Исмаил, Н .; Kores, C.C .; 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. Дои:10.1364 / OE.24.016366. PMID  27464090.
  5. ^ Lotsch, H.K.V. (1968). "Резонатор Фабри-Перо. Часть I". Optik. 28: 65–75.
  6. ^ Lotsch, H.K.V. (1969). "Резонатор Фабри-Перо. Часть II". Optik. 28: 328–345.
  7. ^ Lotsch, H.K.V. (1969). «Резонатор Фабри-Перо. Часть III». Optik. 28: 555–574.
  8. ^ Lotsch, H.K.V. (1969). «Резонатор Фабри-Перо. Часть IV». Optik. 29: 130–145.
  9. ^ Lotsch, H.K.V. (1969). "Резонатор Фабри-Перо. Часть V". Optik. 29: 622–623.
  10. ^ Boyd, G.D .; Гордон, Дж. П. (1961). "Конфокальный многомодовый резонатор для лазеров миллиметрового оптического диапазона". Bell Syst. Tech. J. 40 (2): 489–508. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1961.tb01626.x.
  11. ^ Boyd, G.D .; Когельник, Х. (1962). «Обобщенная теория конфокального резонатора». Bell Syst. Tech. J. 41 (4): 1347–1369. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1962.tb03281.x.
  12. ^ Lotsch, H.K.V. (1969). «Конфокальная резонаторная система I». Optik. 30: 1–14.
  13. ^ Lotsch, H.K.V. (1969). «Конфокальная резонаторная система II». Optik. 30: 181–201.
  14. ^ Lotsch, H.K.V. (1970). «Конфокальная резонаторная система III». Optik. 30: 217–233.
  15. ^ Lotsch, H.K.V. (1970). «Конфокальная резонаторная система IV». Optik. 30 (6): 563–576.
  16. ^ Ярив, Амнон (1989). Квантовая электроника (3-е изд.). Вайли. п. 142. ISBN  0-4716-0997-8.
  17. ^ Karman, G.P .; и другие. (1999). «Лазерная оптика: фрактальные моды в неустойчивых резонаторах». Природа. 402 (6758): 138. Bibcode:1999Натура.402..138K. Дои:10.1038/45960. S2CID  205046813.
  18. ^ Аарон. «Метрологическая система для взаимной юстировки лазеров, телескопов и механической базы».

дальнейшее чтение