Перевод Сергея Воробьева
Твердотельные лазеры обычно строятся с несколькими диэлектрическими зеркалами (лазерные зеркала), которые могут быть плоские или изогнутые. На рисунке показаны линейный и петлевой резонатор, содержащие кристалл в качестве усиливающей среды. В некоторых случаях диэлектрическое зеркало нанесено на саму активную среду. Одно из зеркал, как правило, последнее зеркало, является частично прозрачным.
Конструкция резонатора лазера (оптические элементы, углы падения излучения на них, и расстояния между оптическими элементами) определяет радиус пучка основной моды на всей трассе прохождения луча, и другие важные свойства. Для максимального качества пучка (дифракционного-ограниченного), радиус пучка в активной среде должен соответствовать примерно размерам области накачки. При меньшем радиусе пучка лазер может генерировать излучение с несколькими пространственными модами, что приводит к неидеальному качеству пучка; Однако, такие многомодовые лазеры имеют и преимущества, такие как гораздо более широкая зона устойчивости генерации, и низкая чувствительностью к настройке.
Во многих случаях конструкция резонатора лазера должна иметь дополнительные возможности для оптимизации:
- - по компактности
- - для достижения определенных значений радиуса пучка в других оптических компонентах, (например, на насыщающемся поглотителе, в режиме модуляции добротности с пассивным затвором).
- - для предотвращения слишком малых размеров пучков в оптических компонентах (что приводит к оптическим повреждениям, особенно в режиме модуляции добротности)
- - для минимизации негативных последствий теплового самофокусирования и аберраций в активной среде
- - для минимизации чувствительности к юстировке
- - для установки различных лазерных головок
- - длина резонатора определяет частоту следования импульсов в режиме пассивной или активной модуляции добротности.
В частности, для мощных лазеров с хорошим качеством пучка, отсутствие аберраций типа “тепловой линзы” в активной среде является очень важным. Конструкция резонатора должны быть сделана так, чтобы изменения “тепловой линзы” не слишком сильно влияли на размеры мод. Кроме того, конструкция должна иметь низкую чувствительность к тепловым аберрациям и разъюстировке. Не следует недооценивать значение этих факторов; в некоторых случаях два резонатора с одинаковыми размерами мод в активной среде дают совершенно разные характеристики лазера и радикально отличаются с точки зрения юстировки.
Хотя обычно не сложно оценить свойства резонатора лазера, бывает сложно подобрать конструкцию резонатора, которая удовлетворяла бы условиям, перечисленным выше. Численные методы оптимизации, с помощью специально разработанного программного обеспечения резонатора, может быть единственный способ найти хорошее решение, в частности, для лазеров с синхронизацией мод. Кроме того, четкое понимание свойств резонатора может значительно помочь при попытке найти конфигурацию резонатора с особыми комбинациями свойств, таких как большие рабочие площади при небольшой длине. Для продвинутых этапов проектирования, по крайней мере так же важно, как универсальный дизайн программного обеспечения.
Некоторые лазеры высокой мощности (например, с активной средой "слэб") работают с неустойчивыми резонаторами, позволяют достигать хорошего (но не дифракционного) качества пучка, несмотря на наличие сильных тепловых эффектов в активной среде. Из-за высоких дифракционных потерь, такие лазерные резонаторы требуют высоких коэффициентов усиления.
Физические ограничения
Существуют различные типы монолитных твердотельных лазеров, в которых излучение весь путь внутри резонатора проходит внутри кристалла. Отражение излучения осуществляется либо на диэлектрических покрытиях, либо на поверхностях кристаллов, или за счет полного внутреннего отражения.
Хотя различные свойства резонаторов лазеров могут быть оптимизированы с соответствующей конструкцией резонатора, существуют ограничения, особенно для определенных комбинаций свойств. Например, можно только в ограниченной степени совмещать свойства короткой длины резонатора, большой рабочей площади и низкой чувствительности к юстировке. Даже оптимизированные конструкции резонатора не могут полностью удовлетворить желательные характеристики для некоторых лазеров, особенно мощных лазеров.
По материалам интернет-энциклопедии rp-photonics.com
