Амплитудно-ступенчатые зеркала открытого квазиоптического резонатора
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?ный, относится к внутрирезонаторным. Он отличается от известных методом несложных модификаций резонатора, малыми дополнительными потерями энергии и обеспечением одномодового режима генерации.
Типы колебаний, различающиеся характером распределения полей в поперечном сечении, называются поперечными типами колебаний, и работа на одном из них в дальнейшем будет именоваться одномодовым режимом работы ОКГ. Количество одновременно возбуждающихся мод и их порядок определяются граничными условиями и характером взаимодействия каждой моды с активной средой.
С числом генерируемых мод связано такое существенное свойство излучения ОКГ, как его когерентность. Аналитическое выражение этой связи для несколько упрощенной модели поля излучения дается в работе [10]. Пространственная и временная когерентности быстро падают с ростом числа типов колебаний. Поэтому в большинстве случаев желательно обеспечивать генерацию на одной моде - основном типе колебаний низшего порядка ТЕМ00q.
Как известно, резонатор может быть охарактеризован числом Френеля N с увеличением которого уменьшаются дифракционные потери для всех типов колебаний. При этом в плоско-параллельном резонаторе соотношение потерь для типов колебаний разного порядка оказывается почти постоянным, очень мало зависящим от N , то есть в этом случае невозможно усилить подавление каких - либо мод, меняя размеры резонатора [11]. Таким образом, чтобы получить генерацию на ТЕМ00q в плоско - параллельном резонаторе без использования дополнительных элементов, остается один путь - обеспечение с высокой точностью определенного уровня накачки, что является затруднительным. Кроме того, в таких резонаторах велика абсолютная величина дифракционных потерь для всех типов колебаний. В связи с этим плоско - параллельные резонаторы применяются довольно редко.
В конфокальных резонаторах потери существенно ниже, чем в плоско - параллельных, причем в области малых значений N потери для различных типов колебаний сильно различаются между собой. Очевидно, в этом случае имеется принципиальная возможность подавления высших типов колебаний за счет изменения L, однако при N меньше или ровно 1 длина резонатора должна достигать десятка метров, что на практике встречается редко. Тем не менее, такой резонатор может применятся в тех случаях, когда увеличение длины оправдывается каким - либо требованием, например необходимостью получения высокой мощности [12].
При этом методе селекции мод используется различное пространственное распределение поля для типов колебаний разного порядка. Поэтому введение в резонатор диафрагм определенного размера может значительно увеличить потери для всех мод, кроме ТЕМ00q, концентрирующейся вблизи оси резонатора. Аналогично результата можно добиться, уменьшая диаметр разрядного канала, что иногда удобно применять на практике. При этом для повышения стабильности состава газовой смеси разрядный капилляр может быть установлен внутри баллона с большим диаметром, содержащего запас газовой смеси. Обычно в этом случае вносят заметные потери и для колебаний типа ТЕМ00q, в результате чего выходная мощность оказывается меньшей, чем при рассмотренном выше способе селекции [13].
Одной из разновидностей диафрагмы, по существу, можно считать и металлические проволочки малого диаметра, вносимые в резонатор для повышения его селективных свойств [14].
Наиболее эффективной системой рассматриваемого типа, очевидно, можно считать резонатор, состоящий из двух плоских зеркал различной апертуры, расположенных в фокальных плоскостях положительной линзы [15]. Эта система при d1 = d2 = f имеет все свойства конфокального резонатора. Подобрав апертуры а1 и а2 таким образом, чтобы эффективное число Френеля для данной системы лежало в области оптимального соотношения потерь, можно осуществить генерацию на ТЕМ00q. При этом, если а2 сделать малым по сравнению с а1, можно получить большой модовый объем в пространстве между З1 и линзой и значительную выходную мощность.
Теоретические исследования. Обобщенные конфокальные резонаторы со сферическими зеркалами круговой формы
Рассмотрим аналитическое обоснование селективного возбуждения высших поперечных типов колебаний с высокой степенью дискриминации нежелательных мод в резонаторах со сферическими зеркалами круговой формы. Учитывая, что апертура резонатора круглая, используем представление распределения поля на зеркалах резонатора в виде
,
где n и m - целочисленные угловой и радиальный индексы; r, j - полярные координаты. Анализируемая модель резонатора (рис. 1) состоит из двух круглых зеркал 1, 2 c радиусами a1, a2 , радиусами кривизны R1, R2 , коэффициенты отражения зеркал T1(r1) и T2(r2). При этом поперечные размеры разнородных
участков на неоднородном зеркале, на границе которых имеется скачок материальных постоянных, значительно превышают длину волны. Внутри резонатора на расстоянии от зеркал L1 и L2 от зеркал 1 и 2 соответственно расположен фазовый корректор 3 в виде тонкой линзы с радиусом a3 и фокусным расстоянием F.
Учитывая, что настоящая задача является осесимметричной, т.е. определению подлежит радиальное распределение поля, обозначим распределение комплексной амплитуды поля волны, падающей на зеркало 1, . Отразившись от зеркала 1 упомянутое распределение комплексной амплитуды волны приобретает вид:
. (1)
В рамках скалярной теории дифракции в параксиальном приближении, используя выражение для дифракци?/p>