Селекция типов колебаний

В оптических резонаторах может одновременно возбуждаться большое число собственных колебаний. Вследствие этого лазер обычно излучает целый набор различных частот, которые лежат внутри линии люминесценции активного вещества (рис.2.14).

Каждому типу колебаний в резонаторе соответствует определённое значение частоты и распределение поля на поверхности зеркал. Поэтому при наличии большого числа поперечных и продольных типов колебаний спектр излучения состоит из множества частот, структура поля является сложной, а диаграмма направленности имеет изрезанную форму.

Когда генерируются колебания только одного низшего поперечного типа TEM_00q, в спектре остаются лишь частоты, соответствующие продольным колебаниям, поле на зеркалах описывается функцией Гаусса, диаграмма излучения сужается и становится гладкой.

Многомодовый режим работы генератора значительно ухудшает когерентность и монохроматичность излучения, а также искажает и расширяет его диаграмму направленности. Для большинства научных и практических целей необходимо, чтобы оптический генератор излучал колебания только основного типа и одной частоты. В связи с этим принимаются специальные меры подавления нежелательных типов колебаний высших порядков. В многомодовом режиме мощность излучения сложным образом распределяется по различным типам колебаний, так что в основном типе излучается лишь малая часть общей мощности. При подавлении колебаний высших порядков внешняя энергия преобразуется в основной тип колебаний, и, хотя общая энергия излучения не увеличивается, мощность, сосредоточенная в этом одном типе колебаний, заметно возрастает.

Селекция поперечных типов колебаний.

Подавление нежелательных поперечных типов колебаний достигается созданием в оптическом резонаторе условия, при котором дифракционных потерь для колебаний высших порядков становится больше, чем для колебаний основного типа TEM_00q. Это можно осуществить либо подбором специальной конфигурации резонатора, либо введением в резонатор оптических элементов (линз, диафрагм), либо наклоном зеркал.

Рассмотрим в качестве примера метод селекции поперечных мод с помощью диафрагмы круглой формы установленной на оптической оси резонатора

Рис.1.28. Схема селекции поперечных мод диафрагмой.

Как видно из рисунка 1.26 распределение поля в резонаторе для различных типов колебаний таково, что основной тип TEM_00q концентрируется вблизи оси резонатора, а поля других высших типов простираются от оси тем дальше, чем более высоким порядкам они соответствуют. Поэтому внесение в резонатор диафрагмы будет сильнее сказываться на потерях высших типов колебаний. Подбором размеров диафрагмы можно добиться подавления всех типов колебаний кроме основного TEM_00q. Применяются и другие оптические схемы селекции, основанные на этой идее.

Селекция продольных типов колебаний.

Количество продольных мод, возбуждающихся в резонаторе, определяется шириной люминесцентной кривой активного вещества, базой резонатора L и уровнем накачки. Изменяя уровень накачки и базу резонатора L можно в определенной степени регулировать ширину спектра генерации лазера , где N – число возбужденных продольных мод. Однако наиболее универсальный метод селекции продольных мод основан на использовании систем связанных резонаторов (рис.1.29)

Рис.1.29. Оптическая схема связанных резонаторов.

В таких системах, по сравнению с обычным двухзеркальным резонатором, могут возбуждаться неэквидистантные по частоте продольные моды, относительный коэффициент усиления которых зависит от свойств и настройки резонатора. Подбором длин резонаторов L, L₁ и L₂ , а также коэффициента связи между ними можно добиться селективного возбуждения одного или нескольких продольных мод, подавив или существенно ослабив все остальные. На практике наиболее распространенной является схема, когда съюстированные зеркала З₂ и З₃ расположены плотно друг к другу. В результате такая система образует выходное зеркало являющееся селективным резонатором Фабри-Перо, образованным несколькими отражающими зеркальными поверхностями.