Селекция мод лазерного резонатора

       Простейший способ получения генерации на единственной продольной моде резонатора может быть реализован в газовых, в частности, в гелий-неоновом лазере. Ширина спектрального контура усиления этого лазера составляет порядка 10⁹ Гц. При уменьшении длины резонатора до 15 см межмодовое расстояние становится равным ширине спектрального контура усиления. Следовательно, в таком лазере генерация всегда будет одночастотной. Для получения более высоких мощностей генерации в газовых лазерах необходимо использовать резонаторы длиной 1 м и более. В этих случаях необходимо использовать методы прореживания резонансных частот лазерного резонатора. Такое прореживание называют селекцией мод. Все методы селекции мод основаны на увеличении потерь для некоторых типов колебаний по сравнению с другими.

Для селекции мод используют многозеркальные резонаторы. При использовании связанных резонаторов образуется эквивалентное зеркало, коэффициент отражения которого зависит от частоты. Простейший резонатор такого типа показан на рис. 7.4. В левом плече резонатора находится активная среда, а в правом два зеркала с эффективным коэффициентом отражения по мощности R*, зависяшим от частоты. Если коэффициенты отражения зеркал R и R₂ одинаковы то результирующий коэффициент отражения определяется формулой, следующей из теории интерферометра Фабри-Перо:

(4.9.1)

Из формулы (1) следует, что в случае использования в качестве отражателя полоскопараллельной пластинки максимальный интерференционный коэффициент отражения от нее равен 0,147. В силу конкуренции мод именно это значение реализуется в лазере. На  рис. 4.4. эта зависимость представлена графически. Характер зависимости таков, что данный резонатор больше подходит для подавления некоторых мод, чем для выделения единственной моды.

Такой селективный резонатор образуется и в случае, когда отражающее покрытие R нанесено на плоскопараллельную стеклянную подложку. При этом зеркало R₂ образовано поверхностью подложки.

Рис. 4.4. Трехзеркальный резонатор. Зависимость коэффициента отражения системы зеркал R R₂ от частоты в случае R~ R₂  ~1.

Рис.4.5. Схема моноимпульсного лазера с резонатором Фокса-Смита и отражательная характристика резонансного отражателя в случае L₁>L₂.

Систему зеркал в правой части резонатора можно рассматривать как одно зеркало с эффективным коэффициентом отражения |r|², зависящим от частоты генерируемого излучения n,

.

Легко видеть, что резонатор Фокса-Смита лучше подходит для выделения одной моды, чем линейный трехзеркальный резонатор.

Другие способы селекции мод – использование резонаторов с дисперсионными элементами: призмами, дифракционными решетками, эталонами Фабри-Перо, которые помещают внутри лазерного резонатора, получили широкое распространение в лазерной технике. В лазерах на активных средах с широкими полосами усиления такие резонаторы используют для перестройки частоты излучения.

При сдвиге зеркала резонатора, образованного двумя отражающими поверхностями, вдоль оси на половину длины волны генерируемого излучения частота генерации сдвигается на величину межмодового интервала, то есть на с/2L. Например, для резонатора длиной 60 см этот интервал составит 250 МГц. Именно поэтому несущая частота излучения лазера чрезвычайно чувствительна к технической стабильности резонатора.

Принцип конкуренции мод

Лазер – самонастраивающаяся система. Поэтому частота его излучения автоматически следит за изменениями среды и параметров резонатора. Генерирует только та частота, для которой реализуется максимальное соотношение усиление – потери. Поэтому, если в процессе генерации в силу технических вибраций элементов резонатора или из-за нагрева активной среды под действием накачки, изменяется оптическая длина резонатора, то генерируемая частота автоматически настраивается на максимум резонансного контура усиления резонатора. Этот процесс называют принципом конкуренции мод.

Длина резонатора может изменяться искусственно путем смещения одного из зеркал резонатора вдоль оптической оси или вследствие изменения показателя преломления активной среды под действием накачки или генерируемого излучения. Принцип конкуренции мод используют для перестройки частоты излучения лазера.