Тема 3.1. Обеспечение спектральных характеристик

Одним из основных элементов лазера наряду с активной средой и системой ее возбуждения является резонатор. На многие характеристики генерируемого излучения значительное влияние оказывают именно свойства резонаторной системы, в которую помещена активная среда лазера.

Применительно к лазерным резонаторам термин «резонанс» предполагает нарастание амплитуды электромагнитных волн вследствие многократного их отражения от некоторых отражающих поверхностей. Само название резонатор показывает, что вынужденное излучение, распространяющееся в противоположных направлениях в виде бегущих волн, резонирует в нем, образуя стоячие волны.

Наиболее распространенный метод реализации режима работы лазера с одной продольной модой состоит в использовании коротких резонаторов так, чтобы усиливалась одна продольная мода. Другой метод заключается в применении составных концевых зеркал, с помощью которых создаются два резонатора разной длины, а лазер работает на частоте, резонансной для обоих резонаторов.

В некоторых лазерах, например в He-Ne, СО2-лазерах, лазерах на органических красителях, активные среды обладают усиливающими свойствами на нескольких энергетических переходах, т. е. для них возможна одновременная генерация на нескольких заметно различающихся длинах волн. В этих случаях при необходимости перестройки и сужения спектра генерации в резонатор лазера могут вводиться специальные спектрально-селективные элементы. В качестве таких селекторов применяют зеркала с нанесенными спектральными покрытиями или светофильтры, клиновые и плоскопараллельные интерферометры Фабри-Перо, дифракционные решетки, дисперсионные призмы и некоторые другие устройства.

Для эффективной спектральной селекции в лазерахиспользуются брэгговские зеркала (иначе называемые распределенными диэлектрическими отражателями), представляющие собой набор ультратонких, от нескольких десятков до сотен нанометров, слоев из прозрачных материалов с периодически меняющимся показателем преломления.

Оптические толщины слоев подбираются таким образом, чтобы при падении света на такую структуру возникающая интерференция для отраженных от границ раздела сред лучей приводила бы к их взаимному усилению. В результате в определенном диапазоне длин волн такая многослойная структура начинает очень эффективно (с коэффициентом 100%) отражать свет, несмотря на то, что каждый ее слой в отдельности прозрачен.

Наиболее часто используется конструкция в виде четвертьволнового зеркала, где толщина каждого оптического слоя соответствует четверти длины волны, для которой разработано зеркало. Последнее условие работает для нормальных углов падения (90°). Для больших углов падения необходимы более толстые слои.

Лазер, генерирующий излучение на одной продольной моде, называют одночастотным, хотя, как правило, такое определение дается в случае использования специальных конструкций резонаторов с частотными фильтрами, полоса которых много уже ширины спектральной линии лазера.

К числу одночастотных лазеров относятся:

1) некоторые маломощные лазерные диоды. Одномодовый режим генерации в них часто достигается с помощью распределенной обратной связи или распределенных брэгговских отражателей. Типичные ширины линий могут находиться в области мегагерц. Переход к лазерам с внешним резонатором и введение фильтров из объемных брэгговских решеток или удлинение резонатора с помощью одномодового волокна, имеющего узкую полосу пропускания волоконной брэгговской решетки, позволяет уменьшить ширину линии до нескольких килогерц;

2) специальные виды волоконных лазеров для работы в одночастотном режиме. Некоторые из них основаны на однонаправленности петлевого резонатора, другие – на линейности резонаторов и очень коротких (сильно легированных) волокнах. В любом случае обычно используется, по крайней мере, одна волоконная брэгговская решетка. Очень узкие ширины линий в несколько килогерц могут быть достигнуты (в частности, с системами, имеющими несколько резонаторов), в то время как выходная мощность колеблется от нескольких милливатт до нескольких ватт, а в сочетании с одночастотным волоконным усилителем достигает еще больших значений;

3) большинство твердотельных лазеров с диодной накачкой не могут работать в одномодовом режиме, это часто достигается с помощью однонаправленной петлевой конструкции лазерного резонатора, часто с внутрирезона- торным фильтром, а иногда и с техникой в режиме скрученной моды (с круговой поляризацией излучения в резонаторе лазера). Выходная мощность может достигать уровня нескольких ватт, а ширина линии находится в пределах несколько килогерц;

4) одночастотная генерация может быть легко получена в гелий-неоновом лазере, если резонатор лазера достаточно короткий (порядка 20 см), так как ширина полосы усиления достаточно мала.

Вопросы к практическому занятию 3.1:

1. Какова связь между шириной спектральной линии излучения и продольными модами резонатора?

2. Как можно управлять количеством продольных мод резонатора?

3. Какой лазер называется одночастотным?

4. Чем определятся наличие поперечных мод лазерного излучения?

5. Что такое параксиальные лучи и где это понятие используется?

6. В чем заключаются достоинства и недостатки: а) устойчивых резонаторов; б) неустойчивых резонаторов?

7. Какие потери в резонаторе относятся к «общим потерям»?