Оптический резонатор¶

Оптический резонатор — это устройство, обеспечивающее многократное прохождение светового пучка через активную среду лазера или иную оптическую систему за счёт отражения от зеркал, образующих замкнутый контур. Резонатор формирует пространственную структуру излучения, определяет его частотный спектр и является неотъемлемой частью большинства лазерных систем.

¶Устройство и принцип действия

Основными элементами оптического резонатора являются два или более зеркал, установленных друг напротив друга. Свет, испущенный в активной среде, отражается от зеркал и возвращается обратно, проходя через среду многократно. Это усиливает излучение за счёт вынужденного испускания и обеспечивает обратную связь, необходимую для генерации когерентного света.

Ключевой характеристикой резонатора является его добротность — отношение запасённой энергии к потерям за один проход. Потери возникают из-за пропускания зеркал (часть излучения выводится наружу в виде выходного пучка), рассеяния на неоднородностях среды и дифракционных эффектов на краях зеркал.

¶Типы оптических резонаторов

¶По конфигурации зеркал

• Плоскопараллельный резонатор (резонатор Фабри — Перо) — два плоских зеркала, расположенных строго параллельно. Прост в изготовлении, но чувствителен к юстировке и обладает высокими дифракционными потерями.
• Конфокальный резонатор — зеркала с радиусом кривизны, равным расстоянию между ними, фокусы которых совпадают. Устойчив к разъюстировке, широко применяется в газовых лазерах.
• Полуконфокальный резонатор — одно зеркало плоское, другое сферическое с радиусом, вдвое превышающим расстояние между зеркалами.
• Концентрический резонатор — центры кривизны зеркал совпадают в одной точке. Обладает малым объёмом моды, применяется в импульсных лазерах.

¶По устойчивости

Резонаторы делятся на устойчивые и неустойчивые. В устойчивых резонаторах поперечный размер моды ограничен и не превышает размеров зеркал. В неустойчивых — излучение распространяется, расширяясь, и выводится за края зеркал; такие резонаторы применяются в мощных лазерах с большим усилением, так как позволяют получить одномодовый пучок большого сечения.

¶Моды резонатора

Оптический резонатор поддерживает дискретный набор пространственных и частотных мод — устойчивых конфигураций электромагнитного поля.

• Продольные моды отличаются числом полуволн, укладывающихся на длине резонатора. Их частоты разнесены на величину, обратную времени обхода резонатора (межмодовый интервал).
• Поперечные моды определяют распределение интенсивности в сечении пучка и обозначаются индексами TEMmn. Основная мода TEM00 имеет гауссово распределение и минимальную расходимость.

Для получения одночастотного излучения в резонатор вводят селективные элементы (эталоны, призмы, интерферометры), подавляющие нежелательные моды.

¶Применение

Оптические резонаторы используются не только в лазерах, но и в других областях:

• Лазерная техника — основной элемент любого лазера, определяющий его мощность, спектральные и пространственные характеристики.
• Интерферометрия — резонатор Фабри — Перо применяется как спектральный прибор высокой разрешающей способности, а также в гравитационно-волновых детекторах (например, LIGO) для измерения сверхмалых смещений зеркал.
• Оптические линии задержки — используются в системах связи для временной задержки сигнала.
• Микрорезонаторы — миниатюрные резонаторы (кольцевые, сферы, диски) применяются в нелинейной оптике, сенсорике и квантовых технологиях для усиления взаимодействия света с веществом.

¶История

Принцип многократного отражения света между зеркалами был известен ещё в XIX веке. В 1899 году французские физики Шарль Фабри и Альфред Перо создали интерферометр, ставший прообразом плоскопараллельного резонатора. В 1958 году Александр Прохоров и Чарльз Таунс независимо предложили использовать открытые резонаторы для лазеров, что позволило преодолеть трудности с генерацией излучения в оптическом диапазоне. Первый лазер Теодора Маймана (1960) использовал плоскопараллельный резонатор с посеребрёнными торцами рубинового стержня.

¶Источники

• Звелто О. Принципы лазеров. — СПб.: Лань, 2008.
• Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике. — М.: Наука, 1988.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М.: Физматлит, 2005.