Оптическая полость , резонирующая полость или оптический резонатор — это система зеркал или других оптических элементов, которая ограничивает световые волны аналогично тому, как резонатор ограничивает микроволны. Оптические полости являются основным компонентом лазеров , окружая среду усиления и обеспечивая обратную связь лазерного света. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах . Свет, ограниченный в полости, отражается многократно, создавая моды с определенными резонансными частотами . Моды можно разложить на продольные моды , которые отличаются только частотой, и поперечные моды , которые имеют различные картины интенсивности по поперечному сечению пучка. Многие типы оптических полостей создают моды стоячей волны .
Различные типы резонаторов различаются фокусными расстояниями 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 фокусной точки (и, следовательно, отсутствие интенсивного света в одной точке) внутри полости.
Оптические полости спроектированы так, чтобы иметь большую добротность , то есть луч проходит много циклов колебаний с небольшим затуханием . [1] В режиме высоких значений добротности это эквивалентно тому, что ширина частотной линии мала по сравнению с резонансной частотой полости.
Свет, заключенный в резонаторе, будет многократно отражаться от зеркал, и из-за эффектов интерференции только определенные образцы и частоты излучения будут поддерживаться резонатором, а другие будут подавлены деструктивной интерференцией. В общем, образцы излучения, которые воспроизводятся при каждом круговом обходе света через резонатор, являются наиболее стабильными. Они известны как моды резонатора . [2]
Резонаторные моды можно разделить на два типа: продольные моды , которые отличаются друг от друга по частоте; и поперечные моды , которые могут отличаться как по частоте, так и по интенсивности света. Основная или фундаментальная поперечная мода резонатора — это гауссов пучок .
Наиболее распространенные типы оптических полостей состоят из двух обращенных друг к другу плоских (плоских) или сферических зеркал. Простейшим из них является плоскопараллельный или резонатор Фабри–Перо , состоящий из двух противостоящих плоских зеркал. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Несмотря на простоту, эта компоновка редко используется в крупномасштабных лазерах из-за сложности выравнивания; зеркала должны быть выровнены параллельно в течение нескольких секунд дуги , иначе «отклонение» внутрирезонаторного луча приведет к его вытеканию из сторон резонатора. Однако эта проблема значительно уменьшается для очень коротких резонаторов с малым расстоянием между зеркалами ( L < 1 см). Поэтому плоскопараллельные резонаторы обычно используются в микрочиповых и микрорезонаторных лазерах, а также полупроводниковых лазерах . В этих случаях вместо использования отдельных зеркал отражающее оптическое покрытие может быть нанесено непосредственно на саму лазерную среду. 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 полости. Если два радиуса равны половине длины полости ( R 1 = R 2 = L / 2), получается концентрический или сферический резонатор. Этот тип полости создает дифракционно-ограниченную перетяжку пучка в центре полости с большими диаметрами пучка на зеркалах, заполняя всю апертуру зеркала. Подобна этому полусферическая полость с одним плоским зеркалом и одним зеркалом радиуса, равного длине полости.
Распространенной и важной конструкцией является конфокальный резонатор с зеркалами, радиусы которых равны длине полости ( R 1 = R 2 = L ). [10] [11] [12] [13] [14] [15] Такая конструкция обеспечивает наименьший возможный диаметр пучка на зеркалах полости для заданной длины полости и часто используется в лазерах, где важна чистота поперечной моды.
Вогнуто-выпуклая полость имеет одно выпуклое зеркало с отрицательным радиусом кривизны. Такая конструкция не создает внутрирезонаторного фокуса луча и, таким образом, полезна в очень мощных лазерах, где интенсивность света может быть разрушительной для внутрирезонаторной среды, если она сфокусирована.
Прозрачная диэлектрическая сфера, такая как капля жидкости, также может образовывать оптическую полость. В 1986 году Ричард К. Чанг и др. продемонстрировали лазерную генерацию с использованием микрокапель этанола (радиусом 20–40 микрометров), легированных красителем родамин 6G . [16] Этот тип оптической полости демонстрирует оптические резонансы, когда размер сферы, оптическая длина волны или показатель преломления изменяются. Резонанс известен как резонанс, зависящий от морфологии .
Только определенные диапазоны значений для R 1 , R 2 и L создают устойчивые резонаторы, в которых происходит периодическая перефокусировка внутрирезонаторного пучка. Если резонатор неустойчив, размер пучка будет расти без ограничений, в конечном итоге становясь больше размера зеркал резонатора и теряясь. Используя такие методы, как анализ матрицы переноса лучей , можно вычислить критерий устойчивости: [17]
Значения, удовлетворяющие неравенству, соответствуют устойчивым резонаторам.
Устойчивость можно продемонстрировать графически, определив параметр устойчивости g для каждого зеркала:
и построив график g 1 против g 2 , как показано. Области, ограниченные линией g 1 g 2 = 1 и осями, являются устойчивыми. Полости в точках, точно лежащих на линии, являются погранично устойчивыми; небольшие изменения в длине полости могут привести к тому, что резонатор станет нестабильным, и поэтому лазеры, использующие эти полости, на практике часто работают прямо внутри линии устойчивости.
Простое геометрическое утверждение описывает области устойчивости: полость устойчива, если отрезки линий между зеркалами и их центрами кривизны перекрываются, но один из них не лежит полностью внутри другого.
В конфокальной полости, если луч отклоняется от своего первоначального направления в середине полости, его смещение после отражения от одного из зеркал больше, чем в любой другой конструкции полости. Это предотвращает усиленное спонтанное излучение и важно для проектирования усилителей высокой мощности с хорошим качеством пучка.
Если оптическая полость не пуста (например, лазерная полость, содержащая усиливающую 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 усиливающих сред тепловые и другие неоднородности создают переменный эффект линзирования в среде, который необходимо учитывать при проектировании лазерного резонатора.
Практические лазерные резонаторы могут содержать более двух зеркал; распространены трех- и четырехзеркальные конфигурации, создающие «сложенную полость». Обычно пара изогнутых зеркал образует одну или несколько конфокальных секций, а остальная часть полости квазиколлимирована и использует плоские зеркала. Форма лазерного луча зависит от типа резонатора: Луч, создаваемый стабильными параксиальными резонаторами, может быть хорошо смоделирован гауссовым пучком . В особых случаях луч можно описать как одну поперечную моду, а пространственные свойства могут быть хорошо описаны самим гауссовым пучком. В более общем смысле этот луч можно описать как суперпозицию поперечных мод. Точное описание такого луча включает расширение по некоторому полному ортогональному набору функций (по двум измерениям), таким как полиномы Эрмита или полиномы Айнса . С другой стороны, было показано, что нестабильные лазерные резонаторы создают фрактальные пучки. [18]
Некоторые внутрирезонаторные элементы обычно размещаются в перетяжке пучка между сложенными секциями. Примерами служат акустооптические модуляторы для сброса полости и вакуумные пространственные фильтры для управления поперечной модой . Для некоторых маломощных лазеров сама среда усиления лазера может быть размещена в перетяжке пучка. Другие элементы, такие как фильтры , призмы и дифракционные решетки, часто требуют больших квазиколлимированных пучков.
Эти конструкции позволяют компенсировать астигматизм пучка полости , который создается элементами Брюстера в полости. Z-образное расположение полости также компенсирует кому, в то время как дельта- или X-образная полость этого не делает.
Внеплоскостные резонаторы приводят к вращению профиля луча и большей стабильности. Тепло, генерируемое в среде усиления, приводит к дрейфу частоты полости, поэтому частоту можно активно стабилизировать, привязав ее к непитаемой полости. Аналогично стабильность наведения лазера может быть улучшена путем пространственной фильтрации с помощью оптического волокна .
Точное выравнивание важно при сборке оптического резонатора. Для лучшей выходной мощности и качества луча оптические элементы должны быть выровнены таким образом, чтобы путь, по которому следует луч, был центрирован через каждый элемент.
Простые полости часто выравниваются с помощью выравнивающего лазера — хорошо коллимированного видимого лазера, который можно направить 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 профилировщики лазерного луча .
Оптические полости также могут использоваться в качестве многопроходных оптических линий задержки, складывая световой луч так, чтобы можно было достичь большой длины пути в небольшом пространстве. Плоскопараллельная полость с плоскими зеркалами создает плоский зигзагообразный путь света, но, как обсуждалось выше, эти конструкции очень чувствительны к механическим возмущениям и сносу. 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 около одного из изогнутых зеркал, а подвижное зеркало захвата аналогичным образом размещается около другого изогнутого зеркала. Плоский линейный столик с одним зеркалом захвата используется в случае плоских зеркал, а вращающийся столик с двумя зеркалами используется для линии задержки типа Херриотта.
Вращение пучка внутри полости изменяет состояние поляризации пучка. Чтобы компенсировать это, также необходима линия задержки с одним проходом, выполненная из трех или двух зеркал в конфигурации ретрорефлексии 3d и 2d на линейном этапе. Для регулировки расхождения пучка можно использовать вторую машину на линейном этапе с двумя линзами. Две линзы действуют как телескоп, создавая плоский фазовый фронт гауссова пучка на виртуальном конечном зеркале.
