Лазерные резонаторы - Быков В.П.
ISBN 5-9221-0297-4
Скачать (прямая ссылка):
Герц работал с относительно короткими, метровыми волнами, в радиотехнике же на первых этапах использовались длинные, до нескольких километров, волны, для которых вибратор Герца был неудобен. Поэтому в радиотехнике тогда нашел широкое применение колебательный контур, состоящий из соединенных последовательно конденсатора и катушки индуктивности, предложенный и исследованный В. Томсоном. В принципе томсоновский контур также является открытым резонатором, поскольку может излучать в свободное пространство. Однако эта его способность в длинноволновом диапазоне выражена крайне слабо, что обусловлено малостью его размеров по сравнению с длиной волны.
Последующее развитие радиотехники и особенно радиолокации было связано с тенденцией к уменьшению длины волны электромагнитного излучения. При этом открытость колебательного контура, его способность излучать в свободное пространство увеличивалась, но воспринималась исследователями как недостаток, поскольку приводила к увеличению потерь колебательного контура. Вследствие этого существенным усовершенствованием техники генерирования электро-
6
Введение
магнитных волн явился переход к экранированным, закрытым со всех сторон, иначе говоря, объемным резонаторам, не обладавшим таким недостатком, как потери на излучение. Объемные электромагнитные резонаторы не были чем-то абсолютно новым, так как ранее были известны объемные акустические резонаторы.
Появление открытых резонаторов в их современной, лазерной форме тесно связано с зарождением квантовой электроники. Как известно, квантовая электроника стартовала с молекулярного генератора или аммиачного мазера, длина волны которого близка к одному сантиметру, т. е. является довольно короткой. При таких коротких волнах, как сантиметровые, и особенно миллиметровые, выявились недостатки объемных резонаторов. С уменьшением длины волны электромагнитного поля уменьшались и размеры объемных резонаторов. При этом возрастало отношение площади поверхности резонатора к его объему, что, в свою очередь, приводило к возрастанию роли омических потерь резонатора. Сделать высокодобротный резонатор в указанном диапазоне длин волн оказывалось довольно трудно, хотя многочисленные попытки в этом направлении имели место. Делались также попытки изготавливать объемные резонаторы, большие длины волны, однако они приводили к другой трудности, а именно, к много-модовости; с увеличением резонатора быстро возрастало число типов колебаний (мод), способных возбуждаться в нем.
Резонатор аммиачного мазера, хотя и был типичным объемным резонатором, имел довольно большие отверстия для впуска и выпуска пучка молекул аммиака. При этом выяснилось, что удаление части стенок резонатора при некоторых условиях не слишком сильно увеличивает потери резонатора. Это наталкивало на мысль о переходе к открытым резонаторам. Главным достоинством открытого резонатора оказалась возможность сделать его много большим длины волны. Как выяснилось, удаление части стенок объемного резонатора слабо влияет на распределение полей и потери лишь некоторых, достаточно симметричных его мод; подавляющая же часть мод оказывается сильно деформированными и низко добротными.
Открытый резонатор впервые предложен А.М. Прохоровым [1]; первый экспериментально реализованный резонатор [2] был образован двумя параллельными соосными металлическими дисками с серебряным покрытием и возбуждался петлей связи, питаемой обычным высокочастотным клистроном на длине волны ~ 3 см.
Моды объемного резонатора можно рассматривать как стоячие волны, имеющие узлы на стенках резонатора, а также как бегущие волны, отражающиеся от стенок резонатора и переходящие сами в себя при последовательных переотражениях. Рассматривая моды цилиндрического резонатора как бегущие волны, можно выделить среди них группу мод, у которых волновой вектор почти параллелен оси цилиндра, и другую, более обширную группу мод, у которых волновой вектор значительно наклонен по отношению к оси цилиндра. Оказа-
Введение
7
лось, что удаление боковой цилиндрической поверхности резонатора почти не влияет на первую группу мод резонатора и в то же время сильно деформирует и делает низкодобротными вторую группу мод. Спектр резонатора при этом делается редким, хотя его размеры много больше длины волны; благодаря последнему обстоятельству роль стенок оказывается незначительной и оставшиеся моды обладают высокой добротностью. Это и составляет тот полезный эффект, который возникает при переходе от объемного резонатора к открытому. Таким образом, открытые лазерные резонаторы возникли как усовершенствование объемных. В названии их — открытые резонаторы — отразилась некоторая их вторичность по отношению к объемным (закрытым) резонаторам. Мы еще обсудим в дальнейшем вопрос о том, какие резонаторы — открытые или объемные — следует считать первичными, а какие вторичными, этот вопрос не только терминологический, за ним скрыты и некоторые принципиальные обстоятельства. Сейчас же отметим, что происхождение открытых резонаторов от объемных отразилось как на постановке задачи о модах открытого резонатора, так и на методах их исследования, постановка задачи и методы исследования мод открытого резонатора по крайней мере на первых порах были в значительной мере заимствованы из теории объемных резонаторов.
