ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР

Устройство, в к-ром могут возбуждаться стоячие или бегущие эл.-магн. волны оптич. диапазона. О. р. представляет собой совокупность неск. зеркал и явл. открытым резонатором, в отличие от большинства объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ. Для l<0,1 см использование закрытых объёмных резонаторов, имеющих размеры порядка l, затруднительно из-за малости их размеров и больших потерь энергии в станках. Использование же объёмных резонаторов с размерами l>l, также невозможно из-за возбуждения в них большого числа собств. колебаний, близких по частоте, в результате чего резонансные линии перекрываются, и резонансные св-ва практически исчезают. Однако оказалось, что при удалении части стенок объёмного резонатора б. ч. его собств. колебаний сильно затухает и лишь малая часть их (при надлежащей форме оставшихся стенок) затухает слабо. В результате спектр образовавшегося открытого О. р. сильно разрежен.

Простейшим О. р. явл. интерферометр Фабри — Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Если допустить, что между этими зеркалами, расположенными на расстоянии L друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения её от зеркал в пр-ве между ними образуются стоячие волны. Условие резонанса имеет вид: L=ql/2, где q — целое число, наз. продольным индексом колебания (продольные моды). Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью с/2L (эквидистантный спектр). В действительности из-за влияния краёв О. р. поле колебаний зависит от поперечных координат и характеризуется разл. поперечными индексами m и n, определяющими число осцилляции электрич. и магн. полей в поперечных направлениях и распределение токов на поверхности зеркал (рис. 1). Чем больше индексы m и n, тем число осцилляции больше и тем выше затухание колебания, обусловленное излучением в пр-во, т. е. в сущности дифракцией света на краях зеркал.

Рис. 1. Распределение токов, текущих по поверхности прямоуг. зеркала, для колебаний с индексами m=2 и n=1.

Резонансная кривая плоского О. р. имеет вид, изображённый на рис. 2. Поскольку коэфф. затухания растёт с увеличением m и n быстрее, чем частотный интервал между соседними колебаниями, то резонансные кривые, отвечающие большим m и n, перекрываются и соответствующие колебания не проявляются. Коэфф. затухания, вызванного излучением, зависит как от индексов m и n, так и от числа N зон Френеля, видимых на зеркале диаметром R из центра др. зеркала, находящегося от первого на расстоянии L: N=R2/2Ll. При N=1 остаётся 1 — 2 колебания, сопутствующие осн. колебанию.

Рис, 2. Резонансная кривая оптич. резонатора (схематически).

О. р. с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Этого недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами, в к-рых лучи, неоднократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности — каустики. Поскольку волн. поле быстро убывает вне каустики при удалении от неё, излучение из сферич. О. р. с каустикой гораздо меньше, чем излучение из плоского О. р. Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что размеры каустики, ограничивающей поле, возрастают с ростом т и п. Для колебаний с большими m и n каустика оказывается расположенной вблизи края зеркал или вовсе не формируется, и эти колебания дают большой вклад в излучение. Такие сферич. О. р. наз. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отражении не уходит из приосевой области (рис. 3, а). Устойчивые О. р. применяются в газовых лазерах и др.

Иногда используются неустойчивые О. р., в к-рых внеш. каустика образоваться не может; луч, проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней, после отражений неограниченно удаляется от оси. На рис. 3, б дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. соотношениях между радиусами R1 и R2 зеркал и расстоянием L между ними. Незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные — большому затуханию. Точки (на рисунке кружочки), соответствующие резонаторам с плоскими П и концентрическим К зеркалами, лежат на границе заштрихованных и незаштрихованных областей; С — софокусное, С' — плоское и вогнутое зеркала (половина софокусного резонатора). На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. р. расположены софокусные О. р., в к-рых фокусы обоих зеркал (отстоящие на расстоянии R1/2 и R2/2 от соответствующего зеркала) совпадают, в т. ч. телескопический О. р., состоящий из малого выпуклого и большого вогнутого зеркал. Потери на излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов в них значительно больше, чем для осн. колебания. Это позволяет добиться одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленностью излучения.

Существуют различные дополнит. методы разрежения спектра (с е л е к ц и и м о д), связанные с измерением профиля краёв зеркал, с применением линз, системы связанных О. р. и др.

Рис. 3. a — образование каустики у резонатора со сферич. зеркалами; б — диаграмма устойчивости О. р.

Селекция продольных мод (имеющих одинаковое поперечное распределение поля) требует применения дисперсионных элементов (призм, дифракц. решёток, эталона Фабри — Перо).

Рис. 4. Кольцевые оптич. резонаторы: а, б, в — изотропные; г — анизотропный (1 — газоразрядные трубки, 2 — ячейка Фарадея, 3 — полуволновая пластина).

Но они вносят в О. р. большие потери и используются только в тех случаях, когда усиление активной среды лазера велико (напр., в лазерах на красителях). Селекция продольных мод возможна также при введении в О. р. анизотропных элементов (кристаллы с двойным лучепреломлением, оптически активные в-ва и др.). Для селекции поперечных мод применяется диафрагмирование пучка внутри О. р. При использовании кольцевых О. р. (рис. 4) осн. проблемой явл. уменьшение вз-ствия между встречными волнами. Для этого волны «разводят» по частоте с помощью невзаимных анизотропных элементов, а их поляризации стараются сделать ортогональными.