Резонаторы лазеров и типы колебаний
Открытые резонаторы, применяемые для создания обратной связи в лазерах, обычно представляют собой сочетание двух, трех или четырех отражателей (зеркал или призм полного внутреннего отражения), направляющих излучение либо по линейному или линейно-ломаному пути (линейные резонаторы), либо по замкнутому контуру, образующему треугольник или четырехугольник (кольцевые резонаторы). Примеры таких конфигураций показаны на рис. 23.
Длина всего резонатора или его отдельного линейного участка (плеча) для разных типов и вариантов конструкции лазеров может составлять от долей миллиметра до нескольких метров. Зеркала могут иметь как плоские, так и сферические поверхности. Большой диапазон размеров и разнообразие конфигураций резонаторов приводят к тому, что и параметры их (вносимые оптические потери и возможные типы колебаний) могут сильно различаться.
Типы колебаний (моды). В резонаторах распространяются поперечные электромагнитные волны, электрический и магнитный векторы которых взаимно ортогональны и лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения. Такие волны принято обозначать буквами ТЕМ (от слов transverse electromagnetic — поперечная электромагнитная). Различные типы колебаний отличаются распределением поля вдоль оси резонатора и по ортогональным к ней направлениям. Для
Рис. 23.
Примеры конфигураций открытых резонаторов
классификации этих типов колебаний (их называют модами) вводят три индекса, последний из которых определяет продольное (аксиальное, т. е. осевое) распределение поля, а первые два — поперечное распределение. В общем случае конкретный тип колебания обозначается как «волна TEMmng».
Индекс q соответствует длине резонатора при полном его обходе, выраженной в длинах волн X (напомним, что по условию генерации, выраженному формулой (3.2), это число должно быть целым). Физически для линейного резонатора, в котором образуется стоячая электромагнитная волна, число q означает число пучностей поля этой волны на длине резонатора. Обычно длина резонатора велика по сравнению с длиной волны и число q велико (103—107). Индексы /пип показывают, сколько раз меняется знак поля в радиальном и азимутальном направлении (для случая зеркал круглой формы). Примеры распределения поля в плоскости, ортогональной направлению распространения, для волн низших типов (значения т и п от 0 до 2) показаны на рис. 24. Чаще всего при создании лазеров стремятся — если это возможно — получить волну низшего типа (моду ТЕМоод, обычно обозначаемую просто ТЕМ00). Для которой напряженность поля в радиальном направлении монотонно убывает от центра к периферии.
Потери в резонаторе и его устойчивость. Потери в резонаторе определяются поглощением и рассеянием в его элементах и заполняющей резонатор среде (в том числе активной), паразитными отражениями от границ раздела сред с различным показателем преломления, а также дифракцией. Дифракционные потери сильно зависят от конфигурации резонатора. Физический смысл этих потерь заключается в том, что размеры поперечного сечения резонатора (например, диаметры зеркал) определяют расходимость пучка излучения за счет дифракции на краях апертуры этого сечения (краях зеркал), и вследствие ко
нечной расходимости часть энергии при каждом обходе волной резонатора выходит за его пределы и теряется. При некоторых конфигурациях, например в случае применения сферических зеркал, обращенных выпуклостью внутрь резонатора, доля энергии, выходящей за пределы резонатора при каждом его обходе, оказывается весьма значительно, такие резонаторы принято называть неустойчивыми — в противоположность устойчивым резонаторам, обладающим малыми дифракционными потерями.
Во многих случаях, когда усиление активной среды, находящейся в резонаторе, невелико, приходится всеми доступными методами снижать потери. Для этого выбираются устойчивые конфигурации резонаторов, обеспечивается максимально возможный коэффициент отражения зеркал на выбранной длине волны (в частности, применяются многослойные диэлектрические зеркала) и минимизируются потери, вызываемые паразитными отражениями (например, на торцы твердотельного активного элемента наносятся интерференционные антиотражающие покрытия, называемые иногда «просветляющими»).
Простейший двухзеркальный резонатор с потерями, обеспечивающими генерацию низшего поперечного типа колебаний, является системой с большим (в пределе — бесконечным) числом дискретных резонансов, наступающих на длинах волн, определяемых соотношением (3.2). Нетрудно показать, что частотный интервал между соседними резонансами должен удовлетворять условию
Л’=1Г — <3-3>
здесь с — скорость распространения волны в резонаторе; L — его длина.
Если активная среда способна усилить колебания в широком диапазоне частот, превышающем величину Av = ——,
2L
условие генерации может выполняться для целого ряда резонансных длин волн, соответствующих условию А, = -2к. и попа’ я
дающих в полосу усиления активной среды. Такая ситуация возникает на практике очень часто, и лазер тогда может генерировать одновременно множество колебаний с одинаковым поперечным распределением поля (так называемых продольных мод), различающихся по частоте (длине волны). Если необходимо при широкой полосе усиления активной среды выделить одну продольную моду и обеспечить, таким образом, генерацию лазера на единственной частоте (одночастотную генерацию), то этого можно добиться применением специальных методов селекции (например, использованием многозеркальных резонаторов или введением в двухзеркальный резонатор допол-
нительного селектирующего элемента с избирательной частотной характеристикой, ширина которой меньше частотного интервала между соседними модами основного резонатора).
Лазеры на ионных кристаллах и стеклах
Термином «твердотельные лазеры» или «лазеры на твердом теле» обычно обозначают лазеры, активной средой которых служат кристаллические или аморфные вещества, по своей электрической проводимости относящиеся к классу диэлектриков. Лазеры на твердых полупроводниковых материалах, как уже упоминалось на стр. 95, относят к отдельному классу полупроводниковых лазеров.
Рассмотрим наиболее пригодные для дальнометрии твердотельные лазеры.