Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 22
Текст из файла (страница 22)
ментами волноводной связи (б): 1 — подложка; г волвоводнзя структура;  — сгзегввтзлн !клементы ввода — вывода нз лучення); л, Ь, Л размеры волноводв ский 12 резонаторы являются перспективными устройствами для приборов интегральной оптики. Итак, оптический резонатор формирует избирательность фотонных состояний в пространстве, обеспечивает определенную частотную структуру оптического поля и осуществляет управление лазерным излучением. $.2. Кольцевые резонаторы Кольиевылз реаонннзором является оптическая система, состоящая из трех илн более отражателей, в которой траектория лазерного луча замкнута и лазерный луч, пройдя через все оптнческне элементы, замыкается сам иа себя в плоскости контура резонатора. Кольцевые резонаторы разделяются на две группы: активные, используемые, как правило, в лазерной гирометрии (5, 23, 25), и пассивные, в которых активная среда отсутствует, Кольцевой резонатор всегда содержит анизотропные элементы.
Простейшим примерол! является диэлектрическое зеркало — отражатель падающего на него под углом 30 или 45' пучка электромагнитного излучения. В активном резонаторе (см. поз. 7 на рис. 5.3) может существовать как стоячая волна, образованная двумя встречными интерферируюгцими волнами, так и бегущая волна, поскольку практически любые резонаторы содержатодносферическоевыходнос зеркало. Активный кольцевой резонатор преобразуется двумя (в меридианальной и сагиттальной плоскостях) линейными резонаторами, так что к нему применимы результаты и зависимости, полученные в и.
5.1. Кратко рассмотрим пассивные интегрально-оптические кольцевые резонаторы, в которых активная среда отсутствует и традиционные зеркала заменены планарной диэлектрической волноводной структурой. Лазерный луч в результате специально подобранной толщины пленки и разности показателей преломления пленки и подложки, испытывая полное внутреннее отражение, распространяется в канале этой волноводной структуры. В настоящее время особое внимание уделяется разработке канальных волноводиых структур, реализуемых на подложках из стекла ионным обменом Аа и К илн из ниобата лития диффузией титана + + (Т( .
].1ХЬОз-волноводы). К основным характеристикам кольцевых резонаторов относятся их конфигурация, тип волновода, геометрические размеры, оптические и частотные характеристики. Благодаря простоте расчета и изготовления на практике часто применяются две конфигурации волноводных резонаторов — кольцевая и овальная (рис. 5.4, б). Резонансная частота та = тв, ширина резонансного пика бтв = †„ =', расстояние между резонансными пиками Ат = пьЛ'ээ у" й, =- е/(1.Л1,4) и параметр качества (резкость) Р (О) = Ат/бор = Ат(,)/та определяют спектральные характеристики резонансной системы в целом.
Имея спектральные характеристики те, бтр, Ат, нетрудно определить добротность пассивного резонатора ььН 1/ й, (5.17) где й, = (1 — уа) е-"ь, являясь коэффициентом обратной связи кольца и ответвителя по мощности, дает представление и о затухании мощности в кольцевом волноводе и, (дБ ° см — '), и о потерях мощности на элементе связи уа = 1 — й, (а (см-'] — коэффициент затухания, а Л/,е — эффективный показатель преломления волноводной структуры, причем а = а,/(20 1ае). К основным конструктивным параметрам пассивного резонатора можно отнести: диаметр О и длину резонатора /.,полную длину волноводной связи 1ьв между соседними участками, размеры волноводов — ширину Ь, глубину с( и зазор а между волноводами (см.
рис. 5.4, б). Для измерительных систем выбор конструктивных параметров ограничен чувствительностью или полосой пропускания фильтра и технологической культурой производства прецизионных волноводных структур (27]. Если первое ограничение определяет принципиальную схему приема и обработки оптического сигнала, то второе ограничение сводится к потерям излучения в волноводных структурах, что, в свою очередь, влияет на избирательные свойства фильтров и качество резонансной системы.
Оптимальной конфигурацией резонатора является простейшая геометрическая фигура замкнутого волиовода — кольцо с прилегающими на расстоянии волноводной связи для ввода — вывода излучения в кольцо напровленныни ответвшпеллни. 0 Если потери мощности в кольце а, приравнять к потерям мощности на элементе связи у, то получим в этом случае оптимальное значение длины резонатора /„„, = 4,3 ' = 4,3уе/а,. оот — 20 1 — е (5.16) Поперечное сечение канальных волноводов имеет размеры, допускающие возбуждение одной или нескольких (не более четырех) поперечных мод. Ввиду малых потерь для нижайшей оптической волноводной моды и удобства обработки информации одномодовый режим распространения излучения в волноводе предпочтителен.
В этом случае глубина канального волиовода* С( = 0,5Лз (АЛ',Ь (Л/,4 -]- и,)] (5. 19). где АЛ!эф = (Лг,е — и,) — разность показателей преломления пленки Л/,з и подложки и,. Полная длина волноводной связи 1„р, когда происходит полная перекачка энергии из направленногоответвителя в кольцо резонатора, связана с коэффициентом волиоводной связи выражением [27] 1вр = = а/(2Ь,). При выбранных потерях уе на элементе связи можно определить коэффициент волноводной связи й„- агссоз (1— — 7,) А/1„р. В измерителях угловой скорости, например, совершенство технологических процессов изготовления планарных волноводных структур с допустимым пространственным разрешением соседних элементов конфигурации фотошаблона и собственно самой топологии. определяет необходимый диаметр /) резонатора.
В свою очередь, значение 17 зависит от резкости (остроты) резонансного пика спектральной характеристики, т. е. параметра, который также связан с чувствительностью измерителя — минимальным уровнем выходного оптического сигнала, соответствующего минимально измеряемой угловой скорости ь)а: (5.20) пО„Р (Р) ~/ Рз е Т„,„ где с = 3 1Ота см с-' — скорость света; Хе — длина волны излучения, см; Р (/7) = 6...20 — параметр качества резонансной системы; е = 1,б ° 10 'з Кл — заряд электрона; Є— мощность излучения на входе в кольцевой резонатор, Вт; вх — чувствительность приемника излучения, А Вт-'1 ҄— время измерения, с.
Прнмер. Если известны. Йе = 0,5 ° 10 !з рад ° с !1 Т„= 5 ° 10 т с; ах —— = 0,5 А ° Вт !; Лт = 0,8 ° !0 ~ см; Р = 2 ° 10 з Вт; Р (()) = 12; сь, = 0 о дБ Х Х см !; те= 5%; й = 2,5 см, то, пользуясь прнведеннымн выше формулами, находим конструктивные параметры пасснвного резонатора; () = 1,1 см; Б = З,5 см; = 0,5 см) ь( = 2,5 . !О ~ см; а — 5 10 ' см; б = 2а см. ар ' Смл Б ай бор о дан Ю. В., М а ще н ко А. И. Интегрально-оптические устройства квантовой электроники,— К., 1985.— 18 с. Пассивные интегрально-оптические резонаторы кольцевого типа обычно применяют в качестве избирательных фильтров и чувствительных элементов в измерителях физических величин [6, 9, 23, 27).
5.3. Оптичесние апементы резонаторов Осветители. Для повышения эффективности накачки лампу и активное вещество помещают в осветитель (рис. 5.5). Эффективность светопередачи осветителя далека от идеальной. Потери в осветителе составляют от 30 до 70 % 123), что в основном и обусловливает низкий к. и. д. (0,1...1,5 %) твердотельных лазеров. Наибольший к. п. д. (около 1,5 %) можно получить, применяя осветитель, показанный на рис. 5.5, а, ж, и нитевидную лампу накачки. В группе осветителей с лампой накачки, расположенной на оси активного вещества, максимальная эффективность достигает 56 % (рис. 5.5, б), а у остальных осветителей этой группы она не превышает 50 %.
Осветители, показанные на рис. 5.5, в, г, имеют ограниченное применение, так «ак получение высокого коэффициента отражения в них связано со значительными технологическими трудностями. Допустимый уровень энергии накачки не превышает 25 Дж.
На рнс. 5.5, д, г, ж изображены схемы двух эффективных осветителей, получивших наиболее широкое применение (осветителн с «плотной упаковкой»). Эффективность светопередачн осветителя с сечением + Рис. З.З. Схемы конструкций осветителей для лазерных излучателей: а...а лампа накачки находится на оси актнвного веществ»; д...и — лампа накачки параллельна осн активного веще сава; к, а — лампе накачки коипентричиа осв активного вв щсства; л, к — ламп» иакачни параллельна Соковоа по «ерхности активного вещества (Г активное вещество; Г лампа накачке; д осветитель) 94 в виде эллипса (рис.
5.5, д) 123) 1 — е Чоов =МК~ прн Щ/7,~< —; !+с 1 — е т1„, = 0,7 при Ре//7г): 1 -1- е где /7„ /св — радиусы лампы накачки и активного вещества; г — эксцентриситет эллипса. Максимальные значения т1„, достигают 75 %. Эффективность светопередачи осветителя, показанного на РИС. 5.5, жг т1осв = Гст Йе/Йы ГДЕ Гст — КОЭффИЦИЕНт ОтйажЕНИЯ стенок. На рис.
5.5, з, и показаны схемы осветителей, образованных несколькими эллиптическими цилиндрами. Такие осветители применяются в лазерах с большой выходной энергией. С увеличением числа ламп накачки относительная доля энергии возрастает, однако общая эффективность осветителя снижается. Оптимальное число ламп накачки №пт = /7вп//сг, где п — показатель преломления.
Применение осветителя, показанного на рнс. 5.5, к, обеспечивает относительно высокий к. и. д. (до 75 %). Допустимая энергия накачки достигает 1000 Дж. На рис. 5.5,м, н изображены схемы осветителей для активных тел прямоугольного сечения. Осветитель, показанный на рис. 5.5, н, применяется в схемах накачки лазеров с высокой импульсной мощностью и в каскадах оптических квантовых усилителей. Зеркала. В лазерной технике нашли применение зеркала с металлическими и диэлектрическими отражающими покрытиями. Зеркала с металлическими отражающими покрытиями имеют существенные недостатки: отражательная способность металлов мала и составляет 70...90 %; покрытия имеют стойкость к световому излучению и малую механическую прочность. Так, при плотности энергии 50...80 Дж/ см" серебряные покрытия начинают отслаиваться от стеклянной подложки после 50...2000 вспышек 123). Коэффициент отражения у диэлектриков значительно меньше, чем у металлов (для стекла с показателем преломления а = 1,5 коэффициент отражения составляет всего 4 %), однако использование многослойных отражающих диэлектрических покрытий дает возможность получать коэффициенты отражения более 99 %.
Диэлектрические зеркала состоят из большого числа (13...17) слоев двух диэлектриков (с высоким и низким показателями преломления), расположенных попеременно. Необходимо, чтобы толщина диэлектрического покрытия Л = )ьепк/4, где ик — число слоев покрытия. Нечетные слои делают из диэлектриков с высоким показателем преломления: сульфидов цинка и сурьмы, окислов титана, циркония, гафния, тория, свинца, четные слои — из материала с низким показателем преломления (фторидов магния, стронция, двуокиси кремния).
Преимущества диэлектрических покрытий можно реализовать лишь прн высококачественном изготовлении подложки. Для получения коэффициентов отражения более 99 % при ли = 0,7 мкм высота микронеровностей не должна превышать 0,005 мкм. Стойкость диэлектрических покрытий к световому излучению зависит от числа слоев, тем- Гпайпме ппоскпсеи гмах гщ дк.
пп. (7 йых пп. у, = Ад, + вв; у = Су, + /)е, (5.21) 97 4 ы1 96 пературы подложки при нанесении диэлектриков, чистоты исходных материалов и от ориентации монокристаллов. Резонансные отражатели. В ряде случаев в качестве выходного зеркала резонатора используют резонансные отражатели, которые представляют собой набор («стопу») плоскопараллельных пластин с показателем преломления и, разделенных воздушными промежутками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
