Резонатори твердотільних лазерів
Переклад Сергія Воробйова
Твердотілі лазери зазвичай будуються з декількома діелектричними дзеркалами (лазерні дзеркала), які можуть бути плоскі або вигнуті. На малюнку показані лінійний і петльовий резонатор, що містять кристал як посилювальне середовище. У деяких випадках діелектричне дзеркало нанесене на активне середовище. Одне із дзеркал, як правило, останнє дзеркало, є частково прозорим.
Конструкція резонатора лазера (оптичні елементи, кути падіння випромінювання на них і відстані між оптичними елементами) визначає радіус пучка основної моди на всій трасі проходження променя, та інші важливі властивості. Для максимальної якості пучка (дифракційно-обмеженого) радіус пучка в активному середовищі повинен відповідати приблизно розмірам області накачування. При меншому радіусі пучка лазер може генерувати випромінювання з кількома просторовими модами, що призводить до неідеальної якості пучка; Однак, такі багатомодові лазери мають переваги, такі як набагато ширша зона стійкості генерації, і низька чутливість до налаштування.
У багатьох випадках конструкція резонатора лазера повинна мати додаткові можливості для оптимізації:
- - за компактністю
- - для досягнення певних значень радіуса пучка в інших оптичних компонентах, (наприклад, на поглиначі, що насичується, в режимі модуляції добротності з пасивним затвором).
- - для запобігання надто малим розмірам пучків в оптичних компонентах (що призводить до оптичних пошкоджень, особливо в режимі модуляції добротності)
- - для мінімізації негативних наслідків теплового самофокусування та аберацій в активному середовищі
- - для мінімізації чутливості до юстування
- - дляустановки різних лазерних головок
- - Довжина резонатора визначає частоту проходження імпульсів в режимі пасивної або активної модуляції добротності.
Зокрема, для потужних лазерів з гарною якістю пучка відсутність аберацій типу “теплової лінзи” в активному середовищі є дуже важливою. Конструкція резонатора повинна бути зроблена так, щоб зміни "теплової лінзи" не надто впливали на розміри мод. Крім того, конструкція повинна мати низьку чутливість до теплових аберацій та роз'юстування. Не слід недооцінювати значення цих факторів; в деяких випадках два резонатори з однаковими розмірами мод в активному середовищі дають різні характеристики лазера і радикально відрізняються з точки зору юстування.
Хоча зазвичай не складно оцінити властивості резонатора лазера, буває складно підібрати конструкцію резонатора, яка б задовольняла умовам, переліченим вище. Чисельні методи оптимізації, за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення резонатора, може бути єдиним способом знайти хороше рішення, зокрема, для лазерів із синхронізацією мод. Крім того, чітке розуміння властивостей резонатора може значно допомогти, намагаючись знайти конфігурацію резонатора з особливими комбінаціями властивостей, таких як великі робочі площі при невеликій довжині. Для просунутих етапів проектування принаймні так само важливо, як універсальний дизайн програмного забезпечення.
Деякі лазери високої потужності (наприклад, з активним середовищем "слеб") працюють з нестійкими резонаторами, дозволяють досягати хорошої (але не дифракційної) якості пучка, незважаючи на наявність сильних теплових ефектів в активному середовищі. Через високі дифракційні втрати, такі лазерні резонатори вимагають високихкоефіцієнтів посилення
Фізичні обмеження
Існують різні типи монолітних твердотільних лазерів, у яких випромінювання весь шлях усередині резонатора проходить усередині кристала. Відображення випромінювання здійснюється або на діелектричних покриттях, або поверхнях кристалів, або за рахунок повного внутрішнього відображення.
Хоча різні властивості лазерних резонаторів можуть бути оптимізовані з відповідною конструкцією резонатора, існують обмеження, особливо для певних комбінацій властивостей. Наприклад, можна лише в обмеженій мірі поєднувати властивості короткої довжини резонатора, великої робочої площі та низької чутливості до юстування. Навіть оптимізовані конструкції резонатора що неспроможні повністю задовольнити бажані характеристики деяких лазерів, особливо потужних лазерів.