Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Это подтверждается рис. 1Ъ'.24, на котором представлены результаты расчета добротности подобного резонатора в зависимости от изменения его длины для трех низших поперечных типов колебаний ТЕй!аач, ТЕМзеи, ТЕМа,ч. Для каждого значения длины резонатора можно по (Гзг,78) определить число Френеля, затем по графику (рис. 1Ъ'.72) найти соответствующие величины потерь 2!)„,а и вычислить добротность но формуле зпь Х)р,„„з- йе1 (1'ь'. 103) где р, — потери на излучение и в зеркалах резонатора. Расчет проводился для конкретного случая )с:-- 1300 лам ) -= 0,63 мкм, Ра -- 1,5')а. Как видно из рнс. 1Ч.24, при расстояниях между зеркалами, значителыю меньших радиуса кривизны, добротность резонатора для всех типов колебаний одинакова, она определяется только потерями на излучение, так как !)„„:й !),. 7 70~ Рис.
!Ч.24. Зависимость Хооротиосзн плоско- сферического резонатора от его длииы. 0. ар а 4.70 000 0,РЗ 000 ЬУЯ С увеличением длины резонатора днфракционные потери быстро растут, а добротность для разных типов колебаний уменьшается в различной степени. При определенном Ь добротность для основного типа ТЕМ„е становится значительно выше, чем для типов колебании более высоких порядков, что позволяет эффективно осуществлять селекцию колебаний в резонаторе описанной конфигурации.
Изложенный метод селекции колебаний подтвержден экспериментальными исследованиями на газовых лазерах П38!. Была рассмотрена зависимость выходной мощности гелий-неонового лазера н количество возбуждазощихся в нем различных типов колебаний от расстояния между плоским и сферическим зеркалами. Генератор мог излучать в зависимости от используемых зеркал на длинах волн 0,63 нли 1,15 мкм, Измерение выходной мощности проводн.чось калориметром, одновременно визуально или с помощью электронно-оптического преобразователя просматривалась структура поля излучения генератора.
Спектр исследовался путем выделения разностных частот, которые возникали на выходе фотоумножителя при фокусировке па его фото- катоде излучения лазера, Разностные частоты измерялись ы -ча, 161 160 с помощью радиочастотных анализаторов спектра С4-8 и С4-9. Как показано на рис. ))г'. 25, прп увеличении длины резонатора до значений, близких к радиусу кривизны сферического зеркала, выходная мощность генератора уменьшалась незначительно. Однако структура поля излучения и спектр разностных частот претерпевали существенные изменения.
При расстояниях гяежду зеркаламн, значительно меныпих радиуса кривизны, наблюдалось много различных поперечных типов колебаний и соответственно большое Рнс. 1Ч.20, Завнсныость выходной моп)ности от длины резонатора. и два ддх дпз йп суд количество линий в спектре разностных частот. С увеличением длины резонатора число типов колебаний постепенно сокращалось. Наконец, при длине резонатора, немного меньшей радиуса кривизны, 7.Я>0,975, оставался лишь один основной поперечный тнп колебаний ТЕМ00„Прн этом в спектре наблюдалась лишь частота около 120 ))4г)1, соответствующая биениям между продольными типами колебаний для одного низшего поперечного типа. Момент появления одпотипового режима на рис. )")г'.
25 отмечен стрелкой. Мощность излучения колебаний основного типа составляла 0,7 — 0,8 максимальной излучаемой мощности. При дальнейшем возрастании расстояния между зеркалами мощность в низшем типе колебаний резко падала вплоть до срыва генерации, Сравнивая экспериментальную зависимость мощности от длины резонатора на рис. 17.25 с расчетными кривыми добротности для низших типов колебаний на рис. И.24, можно заключить, что значение 1'Я = 0,975, при котором начинается однотиповый режим генерации, соответствует моменту, когда добротность для колебаний основного типа начинает существенно превышать значение добротности колебаний более высоких порядков, Дальнейшее изменение 16гй мощности излучения соответствует ходу кривой добротности колебаний основного типа.
Однотпповый режим генерации позволяет реализовать узкую диаграмму направленности, ширина которой соответствует дифракционному пределу. Диаграмма направленности исследовалась со стороны плоского зеркала путем измерения распределения поля в фокальной плоскости объектива, фокусирующего излучение генератора. Картина, полученная в фокальной плоскости, фотографировалась, затем проводилось фотометрирование почернений на пленке. Фотографии, соответствующие различным значениям длины резонатора 7.Я =- 0,880; 0,925; 0,958; 0,968 и 0,975 представлены на рис. 1Ч.26. На рис.
1')).27 показаны диаграммы направленности для много- типового режима и двух случаев генерации колебаний основного типа ТЕМ„. Как видно, при г'./1з' = 0,88, когда существуют одновременно несколько колебаний, диаграмма излучения получается изрезанной. Прн г'./7зг =- 0,975 (кривая 2) наступает режим однотиповой генерации, и ширина диаграммы по уровню половинной мощности сужается до величины 4,3', что хорошо согласуется с расчетным значением. Действи- Рнс.
!У.26. Распределение поля в дальней зоне при разных длинах плоско-сферического резонатора; 0) ШП =. 0.880; 0) ШП -. 0,888: г) ШП =- 0,888; г) С)П 0.088; д) )./й 0,07$. 'ч,' Рнс. !У,27, Дпаграымы па правлен ноет н дл я мпоготяпового (крнвая ( !.Я = 0,880) н однотппового (крнвая 2 ЬЯ --. =-0,9?б; крнвая 8 ь/И -= .—.0,987) режнчов налучення. !84 тельно, пользуясь формулой !1301 8,... =-0,94 ~/-'--, где )с, — радиус кривизны зеркал эквивалентного конфокальногорезонатора, получим для этого случая 0, а.=-4,1'. Прц увеличении длины резонатора диаграмма остается гладкой, но несколько расширяется. Для ЕЯ -=- 0,987 (кривая 3) ширина ее составляет 5,2'; соответствующее расчетное значение равно 4,9'.
-б -б -Е -Х д 8 Ф б Ю,мал Другой способ подаьтения высших типов колебаний основан на введении внутрь резонатора специальной диафрагмы !139!. Как было показано ранее, распределение поля в резонаторе для различных типов колебаний таково, что основной тип ТЕМе„ » концентрируется вблизи оси резонатора, а поля других типов ТЕМнч, ТЕМхе, ТЕМ~ее в т, д. простираются от осн тем дальше, чем более высоким порядкам они соответствуют. Поэтому внесение в резонатор диафрагмы будет сильнее сказываться на потерях высоких типов колебаний. Подбором размеров диафрагмы можно добиться подавления всех типов колебаний, кроме основного.
Следует, однако, отметить, по в этом случае и для низшего типа колебании вносятся заметные потери. 1!оэтому применение данного способа селекции колебаний сопровождается существенным уменьшением выходной мощности оптического генератора при переходе к однотиповому режиму, вследствие чего он по своей эффективности значительно уступает первому, Этот способ селекции может быть усовершенствован путем введения в резонатор системы нз двух линз 1140!. Диафрагма располагается между линзами в их фокальной плоскости, как показано на рнс.
1'т(.28. Размер диафрагкп,! выбирается равным величине фокального пятна линзы! при падении на нее пучка лучей с дифракционной расходнмостью, определенной диаметром активного образца. В оптическом генераторе на рубине, использующем такую систему Рпс. !9.28.
Селекция типов колебаний с помощью двух линз н диафрагмы. в резонаторе, было получено увеличение мощности колебаний основного типа по сравнению с тем случаем, когда диафрагма отсутствует. Это объясняется перераспределением мощности между типами колебаний при подавлении высших порядков. Недостатками такой системы являются Рнс. !9.29. Р!спольаованне отражающей сферической поверхностн для селекции поперечных типов колсбаннй.
ее исключительно высокая критичность к настройке и возможность обгорания краев диафрагмы при использовании в мощных оптических генераторах. Эти недостатки отсутствуют в системе, схематически ,- изображенной на рис. !Ч.29 !141!. В ней одно из зеркал .,' резонатора заменено выпуклым зеркалом, которое выполне:":; ио в виде стеклянного шарика с отражающим покрытием на его поверхности.
Расстояние между линзой и шариком ::'подбирается таким образом, чтобы фокус линзы совпадал ;::с центром шарика. При этом условии лучи, строго парал' лельные оптической оси резонатора, пройдя через линзу, ,':, падают нормально к поверхности и!арика и отражакугся по тому же пути в противоположном направлении до плоского зеркала. Лучи, соответствующие поперечным колебаниям высших порядков, падают на поверхность шарика не перпендикулярно и поэтому, отразившись от нее, быстро выходят из резонатора. Даже небольшое изменение й6 угла фокусировки для этих лучей приводит к значительному Рис. !Ч.ЗО.
Системз из лвух плоских зеркал разных размеров расположенных в факельных плоскосткх линзы. увеличению Ла — угла, на который они отклоняются шариком от направления, соответствующего основному типу колебаний. При этом Ь = ( +~~ц8 а= где ( — фокусное расстояние линзы; )с — радиус шарика; 2Ь вЂ” размер пятна на линзе. Как видно из приведенного выражения, такая система становится более селективной с увеличением фокусного расстояния линзы и уменьшением размера шарика. Однако повышение ее селективности сопровождается усилением критичности к настройке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
