Оптические резонаторы

В качестве колебательной системы в генераторах радиодиапазона применяется колебательный контур, а в СВЧ диапазоне - объемные резонаторы, представляющие собой отрезки пустого металлического волновода прямоугольной или цилиндрической формы. При этом размеры для объемного резонатора L порядка длины волны .

При дальнейшем увеличении частоты и переходе в миллиметровый или оптический диапазон изготовление объемных резонаторов столь малых размеров становится технологически невозможным. Кроме того, с уменьшением линейных размеров резко падает добротность резонатора.

Поэтому для инфракрасного и оптического диапазона вместо объемного резонатора А.М. Прохоровым был предложен открытый резонатор, представляющий собой систему из двух зеркальных поверхностей, установленных на расстоянии L друг от друга. В такой системе L>> , что решает проблему реализации колебательной системы в оптическом диапазоне волн.

Рис.1.16.Колебательные системы для радио (а), СВЧ (б) и оптического диапазона волн (в).

В общем случае открытый резонатор (ОР) представляет собой систему из двух зеркальных поверхностей сферической формы (рис.1.17.), характеризующийся следующими основными параметрами:1)Радиусы кривизны зеркал R₁ и R₂ с центрами в точках О₁ и О₂, расположенных на оптической оси ОО’; 2)База резонатора L; 3)Коэффициенты отражения зеркал по интенсивности r₁ и r₂; 4) g-параметры g₁=1-L/R₁, g₂=1-L/R₂

5)Число Френеля N_ф= а₁а₂/λL, где а₁ и а₂ диаметры зеркал.

Рассмотрим в общем виде картину физических процессов при распространении электромагнитной волны в пассивном открытом резонаторе, содержащим между зеркалами однородную, изотропную и пассивную диэлектрическую среду.

При построении теории ОР определяющим являются дифракционные потери, связанные с дифракцией электромагнитного поля на краях зеркал, имеющих конечные размеры. Количественно дифракционные потери оцениваются числом Френеля N_ф, определяющим число зон Френеля, укладывающихся на поверхности одного из зеркал, если смотреть из центра другого.

При больших числах Френеля (N_ф>>100) дифракционными потерями можно пренебречь и использовать для анализа процессов в резонаторе метод геометрической оптики и простейшую волновую теорию.

В геометрическом приближении, пользуясь понятием светового луча, можно получить условие устойчивости открытого резонатора.

Волновая теория позволяет найти частотный спектр (собственные типы колебаний или продольные моды) открытого резонатора и получить первоначальное представление о распределении поля на поверхности зеркал.

Однако наиболее общей и полной является дифракционная теория ОР, в рамках которой можно получить информацию как о частотном спектре (продольные моды), так и пространственном распределении поля в поперечном направлении (поперечные моды).