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Lección 6 Conocimientos básicos del láser

Creo que el término láser no es desconocido para todos. En nuestra vida diaria, a menudo estamos expuestos a láseres, como los punteros láser que usamos en clase y las unidades ópticas utilizadas para leer datos de discos ópticos en computadoras o equipos de audio, etc. En la industria, los láseres se utilizan a menudo para corte o micromecanizado. En el ejército, los láseres se utilizan para interceptar misiles. Los científicos también han utilizado láseres para medir la distancia entre la Tierra y la Luna con mucha precisión, con errores de sólo unos pocos centímetros. El láser tiene tantos usos. ¿Cuáles son sus características y cómo se produce? A continuación explicaremos las características básicas y principios básicos del láser.

Características del láser

Alto brillo, alta direccionalidad, alta monocromaticidad y alta coherencia son las cuatro características principales del láser.

(1) Alto brillo del láser: el brillo del láser de estado sólido puede llegar a 1011W/cn2Sr. No solo eso, después de que una lente enfoca un rayo láser de alto brillo, puede producir una temperatura alta de miles o incluso decenas de miles de grados cerca del foco, lo que hace posible procesar casi todos los materiales.

(2) Alta directividad del láser: la alta directividad del láser le permite transmitir de manera efectiva a larga distancia y al mismo tiempo garantizar una densidad de potencia extremadamente alta a través del enfoque. Ambos puntos son condiciones importantes para el procesamiento con láser.

(3) Alta monocromaticidad del láser: debido a la extremadamente alta monocromaticidad del láser, garantiza que el haz se pueda enfocar con precisión en el foco y obtener una alta densidad de potencia.

(4) Alta coherencia del láser: La coherencia describe principalmente la relación de fase de cada parte de la onda de luz.

Es debido a las características únicas del láser mencionadas anteriormente que se ha utilizado ampliamente en la vida diaria, el procesamiento industrial, la investigación militar, científica y otros campos.

Principio de generación del láser

El desarrollo del láser tiene una larga historia. Su principio fue descubierto por el famoso físico Einstein ya en 1917, pero no fue hasta 1958 que se desarrolló el láser. fabricado con éxito por primera vez. El nombre en inglés del láser es Laser, que es la abreviatura de Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation. El nombre completo en inglés de láser expresa plenamente el proceso principal de fabricación del láser. Pero antes de explicar este proceso, primero debemos comprender la estructura de la materia y los principios de la radiación y absorción de la luz.

La materia está compuesta de átomos. La Figura 1 es un diagrama esquemático de un átomo de carbono. El centro del átomo es el núcleo, que está formado por protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. La periferia del átomo está llena de electrones cargados negativamente que se mueven alrededor del núcleo. Curiosamente, la energía de un electrón en un átomo no es arbitraria. La mecánica cuántica, que describe el mundo microscópico, nos dice que estos electrones estarán en algunos "niveles de energía" fijos, y diferentes niveles de energía corresponden a diferentes energías de electrones. En aras de la simplicidad, podemos imaginar estos niveles de energía como órbitas alrededor del núcleo, como se muestra en la Figura 1. Las órbitas más alejadas del núcleo tienen mayor energía. Además, el número máximo de electrones que pueden acomodar las diferentes órbitas también es diferente. Por ejemplo, la órbita más baja (que también es la órbita más cercana al núcleo) solo puede acomodar hasta 2 electrones, mientras que la órbita más alta puede acomodar 8 electrones. , etcétera. De hecho, este modelo demasiado simplificado no es del todo correcto [1], pero es suficiente para ayudarnos a ilustrar los principios básicos de los láseres.

Los electrones pueden saltar de un nivel energético a otro absorbiendo o liberando energía. Por ejemplo, cuando un electrón absorbe un fotón [2], puede saltar de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto (Figura 2a). De manera similar, un electrón con un nivel de energía alto saltará a un nivel de energía más bajo emitiendo un fotón (Figura 2b). En estos procesos, la energía del fotón absorbida o liberada por el electrón es siempre igual a la diferencia de energía entre estos dos niveles de energía. Dado que la energía de los fotones determina la longitud de onda de la luz, la luz absorbida o liberada tiene un color fijo.

Cuando todos los electrones del átomo están en el nivel de energía más bajo posible, la energía de todo el átomo es la más baja y decimos que el átomo está en el estado fundamental. La Figura 1 muestra la disposición de los electrones cuando un átomo de carbono está en su estado fundamental. Cuando uno o más electrones se encuentran en un nivel de energía superior, decimos que un átomo está en estado excitado. Como se mencionó anteriormente, los electrones pueden saltar entre niveles de energía mediante absorción o liberación.

Las transiciones se pueden dividir en tres formas:

(1) Absorción espontánea: los electrones pasan de un nivel de energía bajo a un nivel de energía alto al absorber fotones (Figura 2a).

(2) Emisión espontánea: los electrones pasan espontáneamente de un nivel de energía alto a un nivel de energía más bajo liberando fotones (Figura 2 b).

(3) Emisión estimulada: se inyectan fotones en el material para inducir a los electrones a pasar de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo y liberar fotones. El fotón incidente tiene la misma longitud de onda y fase que el fotón liberado, y esta longitud de onda corresponde a la diferencia de energía entre los dos niveles de energía. Un fotón induce a un átomo a emitir un fotón, que eventualmente se convierte en dos fotones idénticos (Figura 2c).

El láser se produce básicamente mediante el tercer mecanismo de transición.

Otro ingenio en la generación de luz láser es lograr el llamado estado de inversión del número de partículas. Tomando el láser de rubí como ejemplo (Figura 3), los átomos primero absorben energía y pasan a un estado excitado. El tiempo que un átomo está en estado excitado es muy corto, unos 10-7 segundos, caerá en un estado intermedio llamado estado metaestable. Los átomos permanecen en estado metaestable durante mucho tiempo, entre 10 y 3 segundos o más. Los electrones permanecen en el estado metaestable durante mucho tiempo, lo que da como resultado más átomos en el estado metaestable que en el estado fundamental. Este fenómeno se llama inversión de población. La inversión del número de partículas es la clave para generar luz láser porque hace que más átomos regresen del estado metaestable al estado fundamental mediante radiación estimulada que la transición del estado fundamental al estado metaestable mediante absorción espontánea, asegurando así que los fotones puedan ser aumentado para emitir luz láser.

Estructura del láser

El láser generalmente consta de tres partes.

1. Medio de trabajo del láser

La generación de láser debe seleccionar un medio de trabajo adecuado, que puede ser gas, líquido, sólido o semiconductor. En este medio se puede lograr la inversión del número de partículas para crear las condiciones necesarias para obtener luz láser. Obviamente, la existencia de niveles de energía metaestables es muy beneficiosa para la realización de la inversión del número de partículas y la reencarnación. Hay casi mil tipos de medios de trabajo y las longitudes de onda láser que se pueden generar incluyen una amplia gama de longitudes de onda láser, desde el ultravioleta del vacío hasta el infrarrojo lejano.

2. Fuente de excitación

Para revertir el número de partículas en el medio de trabajo, se debe utilizar un método determinado para excitar el sistema atómico para aumentar el número de partículas en la parte superior. nivel de energía. Generalmente, la descarga de gas se puede utilizar para utilizar electrones con energía cinética para excitar los átomos del medio, lo que se denomina excitación eléctrica; también se pueden utilizar fuentes de luz pulsada para iluminar el medio de trabajo, lo que se denomina excitación óptica, también existen excitaciones térmicas y químicas; excitación, etcétera. Varios métodos de motivación se denominan en sentido figurado bombas o bombeo. Para obtener una salida láser continua, se debe "bombear" continuamente para mantener más partículas en el nivel de energía superior que en el nivel de energía inferior.

3. Cavidad resonante

Con el material de trabajo y la fuente de excitación adecuados, se puede lograr la inversión del número de partículas, pero la intensidad de la radiación estimulada producida de esta manera es muy débil y no puede ser aplicado en la práctica. Entonces la gente pensó en usar resonadores ópticos para la amplificación. La llamada cavidad resonante óptica en realidad consta de dos espejos de alta reflectividad enfrentados en ambos extremos del láser. Una pieza es de reflexión casi total, y la otra pieza refleja la mayor parte de la luz y transmite una pequeña cantidad, de modo que el láser puede emitirse a través de este espejo. La luz que se refleja de regreso al medio de trabajo continúa induciendo nueva radiación estimulada y la luz se amplifica. Por lo tanto, la luz oscila hacia adelante y hacia atrás en la cavidad resonante, provocando una reacción en cadena, amplificándose como una avalancha y generando una intensa luz láser, que sale de un extremo del espejo parcialmente reflectante.

A continuación se toma un láser de rubí como ejemplo para ilustrar la formación de luz láser. La sustancia de trabajo es una barra de rubí. El rubí es un cristal de óxido de aluminio mezclado con una pequeña cantidad de iones de cromo trivalente. De hecho, la proporción másica de óxido de cromo es aproximadamente del 0,05%. La gema parece rosada porque los iones de cromo absorben la luz verde y azul de la luz blanca. El rubí utilizado en el láser inventado por Maiman en 1960 era una varilla redonda con un diámetro de 0,8 cm y una longitud de unos 8 cm. Las dos caras de los extremos son un par de espejos planos paralelos, un extremo está recubierto con una película de reflexión total y el otro extremo tiene una transmitancia del 10%, lo que permite el paso de la luz láser.

En el láser de rubí, se utiliza una lámpara de xenón de alta presión como "bomba". La fuerte luz emitida por la lámpara de xenón se utiliza para excitar los iones de cromo para alcanzar el estado excitado E3. Los electrones bombeados a E3 son muy rápidos (~10-8s) a E2 a través de una transición sin radiación. E2 es un nivel de energía metaestable. La probabilidad de emisión espontánea de E2 a E1 es muy pequeña y la vida útil es de hasta 10-3 segundos, lo que permite que las partículas permanezcan durante mucho tiempo. Como resultado, las partículas se acumulan en E2, realizándose la inversión del número de partículas en los dos niveles de energía de E2 y E1. La longitud de onda de emisión estimulada de E2 a E1 es un láser rojo de 694,3 nm.

Lo que se obtiene de la lámpara de xenón de pulso es un láser pulsado. La duración de cada pulso de luz es inferior a 1 ms y la energía de cada pulso de luz es superior a 10 J, es decir, la potencia de cada láser de pulso puede exceder el orden; de 10kW. Cabe señalar que el proceso desde la excitación hasta la emisión láser de los iones de cromo anteriores implica tres niveles de energía, por lo que se denomina sistema de tres niveles. Dado que en un sistema de tres niveles, el nivel de energía más bajo E1 es el estado fundamental, generalmente se acumula una gran cantidad de átomos, por lo que para lograr la inversión del número de partículas, se requiere una excitación bastante fuerte.

De la descripción anterior, hemos notado que para que un láser funcione, debe tener tres condiciones básicas, a saber, material láser, resonador óptico y fuente de bomba. Su estructura básica se muestra en la Figura 4. .

La energía ingresa al material láser a través de la fuente de la bomba, lo que hace que se invierta el número de partículas. La luz débil generada por la emisión espontánea se amplifica en el material láser ya que los reflectores están colocados en ambos extremos. El material láser, una parte de la luz que cumple las condiciones se puede retroalimentar y luego participar en la excitación. En este momento, la luz excitada oscilará después de múltiples excitaciones, la luz proyectada desde el reflector del extremo derecho será monocromática. direccional y coherente. Un buen láser de alto brillo. Los diferentes tipos de láseres utilizan diferentes materiales en términos de sustancias luminiscentes, reflectores y fuentes de bombeo. Los distintos láseres que se mencionan a continuación se clasifican en función de estas diferencias.

Tipos de láseres

Existen diferentes métodos de clasificación de los láseres, generalmente se clasifican según los diferentes medios de trabajo y se pueden dividir en láseres sólidos, láseres de gas, láseres líquidos y semiconductores. láseres.

1. Láser de estado sólido

En general, los láseres de estado sólido tienen las características de dispositivos pequeños, solidez, fácil uso y alta potencia de salida. El medio de trabajo de este láser es mezclar uniformemente una pequeña cantidad de iones activos en el cristal o vidrio como material de matriz. Además del rubí y el vidrio como se mencionó anteriormente, el cristal de granate de itrio y aluminio (YAG) que se usa comúnmente. dopado con láser de iones de neodimio trivalente, que emite un láser de infrarrojo cercano de 1060 nm. Los láseres sólidos generalmente tienen una potencia continua de más de 100 W y una potencia máxima de pulso de 109 W.

2. Láser de gas

El láser de gas tiene las ventajas de una estructura simple, bajo costo, fácil operación, medio de trabajo uniforme, buena calidad del haz y la capacidad de trabajar de manera continua y estable. mucho tiempo. Este es también el tipo de láser con mayor variedad y amplia aplicación, representando alrededor del 60% del mercado. Entre ellos, el láser de helio-neón es el más utilizado.

3. Láser semiconductor

El láser semiconductor utiliza material semiconductor como medio de trabajo. En la actualidad, el más maduro es el láser de arseniuro de galio, que emite un láser de 840 nm. También hay arseniuro de galio dopado con aluminio, sulfuro de cromo, sulfuro de zinc y otros láseres. Los métodos de excitación incluyen bombeo óptico, excitación eléctrica, etc. Este tipo de láser es de tamaño pequeño, liviano, de larga duración, de estructura simple y resistente, y es especialmente adecuado para su uso en aviones, vehículos y naves espaciales. A finales de la década de 1970, el desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica y la tecnología de discos ópticos promovió en gran medida el desarrollo de láseres semiconductores.

4. Láser líquido

Se utilizan comúnmente láseres de tinte, utilizando tintes orgánicos como medio de trabajo. En la mayoría de los casos, los tintes orgánicos se utilizan disueltos en disolventes (etanol, acetona, agua, etc.) y algunos funcionan en estado de vapor. Se obtienen diferentes longitudes de onda de luz láser (en el rango visible) utilizando diferentes tintes. Los láseres de tinte generalmente utilizan láseres como fuentes de bombeo, como los láseres de iones de argón. El principio de funcionamiento del láser líquido es relativamente complejo. Sus ventajas de longitud de onda de salida continuamente ajustable y amplia cobertura lo hacen ampliamente utilizado.

Una breve historia de los láseres y la tecnología láser en mi país

Pasaron 40 años después de que Einstein propusiera el concepto de emisión estimulada de radiación en 1917. Hasta 1958, dos científicos en el microondas Sólo entonces los científicos C.H. Townes y A.I. Schawlaw rompieron el silencio y publicaron el famoso artículo "Infrared and Optical Masers", señalando la posibilidad y necesidad de la luminiscencia basada en la emisión estimulada de radiación. inversión del número de partículas". Historia de su tesis Los científicos que trabajan en el campo de la óptica inmediatamente se entusiasmaron y propusieron varios planes experimentales para lograr la inversión del número de partículas, abriendo así un nuevo campo de investigación sobre láser.

Ese mismo año, los científicos soviéticos Basov y Prokhorov publicaron el artículo "Recomendaciones para realizar la inversión de números de partículas de tres niveles y láseres semiconductores". En septiembre de 1959, Towns propuso una propuesta para fabricar láseres de rubí. ...El 15 de mayo de 1960, T.H. Maiman del Laboratorio Hughes en California fabricó el primer láser de rubí del mundo y obtuvo un láser con una longitud de onda de 694,3 nm. Maiman utilizó rubí como material luminiscente y una lámpara de xenón pulsada con alta densidad luminosa como fuente de luz de excitación (como se muestra en la figura, su investigación comenzó ya en 1957. Después de muchos años de arduo trabajo, logró). Finalmente logró el primer éxito de la historia. Un rayo láser. En 1964, Townes, Basov y Prokhov compartieron el Premio Nobel de Física por sus contribuciones a la investigación del láser.

El primer láser de rubí de China se desarrolló con éxito en agosto de 1961 en el Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Changchun de la Academia de Ciencias de China. Este láser tiene nuevas mejoras en estructura que el diseñado por Maiman. Especialmente en ese momento, el nivel industrial de nuestro país era mucho más bajo que el de Estados Unidos y las condiciones de desarrollo eran muy difíciles. Todo fue diseñado y fabricado por los propios investigadores. . Desde entonces, la tecnología láser de mi país también se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente en diversos campos. En junio de 1987, el dispositivo Shenguang, un sistema láser de pulso de alta potencia de 1012 W, se desarrolló con éxito en el Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Shanghai de la Academia de Ciencias de China. A lo largo de los años, ha realizado grandes contribuciones a la investigación sobre fusión láser de mi país.

Preguntas para pensar: 1. ¿Cuál es la diferencia entre el láser y la luz ordinaria en nuestras vidas?

2. Enumere los lugares donde se utilizan láseres en su vida.

Capítulo 2 Resonador óptico

Este capítulo enseña principalmente la composición y función de la cavidad resonante óptica; los modos de la cavidad resonante óptica; el método de análisis geométrico y el método de análisis de la teoría de la difracción; de la cavidad resonante óptica; solución iterativa de modos de cavidad plana paralela; cavidad focal máxima de espejo esférico estable y cavidad focal máxima inestable equivalente; Puntos clave: aprender a escribir algunas matrices de propagación de sistemas ópticos; ser capaz de juzgar si una cavidad es estable; dominar los métodos para lograr la oscilación en modo multilongitudinal y en modo longitudinal único, seleccionar métodos de modo único, como el método FP y la cavidad compuesta; método, y ser capaz de dar el correspondiente espaciamiento del molde; aclarar el proceso de establecimiento del molde de la cavidad. Dificultad: Concepto de línea de transmisión de apertura.

1. Construcción de la cavidad resonante óptica

La cavidad resonante óptica más simple está compuesta por dos espejos recubiertos con alta reflectividad colocados adecuadamente en ambos extremos del medio activo. Conceptos básicos de uso común:

Eje óptico: el eje perpendicular a la superficie del espejo en el medio del resonador óptico

Apertura: el componente que limita el tamaño y la forma del haz en El resonador óptico. En la mayoría de los casos, la apertura son las dos caras extremas del material activo, pero en algunos láseres se colocan componentes adicionales para limitar el haz a una forma deseada.

2. Tipos de cavidades resonantes ópticas

El grado de apertura de la cavidad resonante, cavidad cerrada, cavidad abierta, cavidad de guía de ondas de gas

Cavidad resonante óptica abierta (cavidad abierta) Por lo general, se puede dividir en cavidad estable y cavidad inestable

Forma del reflector, cavidad esférica y cavidad asférica, cavidad de reflexión final y cavidad de retroalimentación distribuida

El número de espejos, cavidad de dos espejos Con cavidades de múltiples espejos, cavidades simples y cavidades compuestas

3. El papel de las cavidades resonantes ópticas

Proporciona retroalimentación óptica positiva: cuando el haz oscilante viaja una vez en el cavidad, además de la reducción de la energía del haz causada por factores como la pérdida interna y la salida del rayo láser a través del reflector, también puede garantizar que el haz con suficiente energía viaje hacia adelante y hacia atrás en la cavidad múltiples veces para someterse a una amplificación de radiación estimulada del medio activado para mantener una oscilación continua. Dos factores afectan el efecto de retroalimentación óptica de la cavidad resonante: la reflectividad de las dos superficies de los espejos que forman la cavidad, la geometría de los espejos y la forma en que se combinan;

Produce control sobre el haz oscilante: controla eficazmente el número de modos de oscilación reales en la cavidad, obtiene luz coherente con buena monocromaticidad y fuerte direccionalidad, y puede controlar directamente las características de distribución lateral y el punto del haz láser. El tamaño, la frecuencia de resonancia y el ángulo de divergencia del haz pueden controlar la pérdida del haz en la cavidad, y la potencia de salida del haz láser se puede controlar con una determinada ganancia.

4. Modos (formas de onda) de los resonadores ópticos

1. Modo longitudinal: distribución del campo longitudinal estable. El número de modos longitudinales que aparecen en el láser está determinado por dos factores. Cuanto mayor sea el ancho de línea de fluorescencia de la emisión espontánea de átomos, más modos longitudinales pueden aparecer, mayor será la longitud de la cavidad del láser, menor será el intervalo de frecuencia entre modos longitudinales adyacentes y más modos longitudinales podrán acomodarse dentro del mismo ancho de línea del espectro de fluorescencia; . muchos.

2. Modo transversal: distribución de campo estable en el plano transversal X-Y. Modo transversal (modo de autorreproducción): una distribución de campo estable que puede "autoreproducirse" después de una propagación de ida y vuelta en la superficie del espejo de la cavidad.

3. Método de medición en modo láser. Método de medición del modo transversal: coloque una pantalla de luz en la trayectoria óptica; tome fotografías; obtenga la distribución de intensidad del rayo láser mediante el método de escaneo con orificios pequeños o con filo de cuchillo y determine la forma de distribución del modo transversal del láser. En el experimento se utiliza el método de medición del modo longitudinal: medición del interferómetro de escaneo Fabry-Perot F-P y un interferómetro de escaneo esférico.

5. Método de iteración numérica Fox-Li de cavidades en planos paralelos

Las ventajas de la cavidad en planos paralelos son: buena direccionalidad del haz, gran volumen de modo y modo monomodo fácil de obtener. oscilación Las desventajas son: El resonador requiere una alta precisión de ajuste, la pérdida por difracción y la pérdida geométrica son relativamente grandes y su estabilidad está entre una cavidad estable y una cavidad inestable. No es adecuado para dispositivos de pequeña ganancia y todavía se usa comúnmente. en láseres de potencia media o superior.

La idea de la solución iterativa de la cavidad resonante: 1. Suponga que hay una distribución de campo inicial en una determinada superficie del espejo, sustitúyala en la fórmula iterativa y calcule la primera transición en la cavidad y la superficie del segundo espejo El campo generado en el primer espejo 2. Utilice la fórmula de iteración de sustitución obtenida en (1) para calcular el campo generado en el primer espejo después de la segunda transición en la cavidad 3. Después de repetir el cálculo; veces, observe si se forma una distribución de campo en estado estacionario.

La cavidad del espejo plano paralelo rectangular simétrico (espejo cuadrado) significa que los espejos de la cavidad resonante son paralelos y tienen una escala limitada en las direcciones del eje vertical y óptico. La cavidad del plano paralelo del espejo de tira significa que la escala del espejo en una dirección es limitada, mientras que la escala en la otra dirección es infinita. Analice las soluciones iterativas de cavidades de planos paralelos de espejos en tira rectangulares simétricas, cavidades de planos paralelos de espejos circulares y cavidades de planos paralelos.

6. ***La diferencia entre cavidad focal y cavidad del plano paralelo

1. Distribución del campo del modo fundamental en la superficie del espejo: El modo fundamental de la cavidad del plano paralelo es distribuido en toda la superficie del espejo en un patrón uniforme, la amplitud es máxima en el centro del espejo y la amplitud disminuye gradualmente hacia el borde del espejo ***La distribución del modo fundamental de la cavidad focal; en la superficie del espejo, bajo la aproximación hermitiana-gaussiana, no tiene nada que ver con el tamaño geométrico lateral del espejo y solo está determinado por la longitud de la cavidad. Generalmente, el modo de la cavidad del foco primario se concentra cerca del centro del espejo; /p>

2. Los espejos de la cavidad del plano paralelo de distribución de fases no son superficies de fases iguales, mientras que los reflectores de la cavidad del foco primario son superficies de fases iguales.

3. de la cavidad del plano paralelo de un solo paso es mucho mayor que la pérdida por difracción de la cavidad focal

4. El cambio de fase de un solo paso y la frecuencia de resonancia del orden del modo transversal en el plano paralelo; cavidad El cambio en la frecuencia causado por cambios en el orden myn es mucho menor que el cambio en la frecuencia resonante causado por cambios en el orden del modo longitudinal q en la cavidad más focal, los cambios en myn o los cambios en q tienen el mismo impacto en la frecuencia de resonancia de la magnitud.

7. Distribución de amplitud y fase de la simetría del espejo circular ***modo de espejo de cavidad focal

La distribución de amplitud del modo fundamental en la superficie del espejo es gaussiana y no hay nodos. en toda la superficie del espejo. La línea está en el centro del espejo (r=0), donde la amplitud es máxima. El radio del punto del modo fundamental en la superficie del espejo (la distancia desde el centro de la superficie del espejo cuando la amplitud del modo fundamental cae a 1/e del valor central): para modos de orden superior, hay líneas nodales a lo largo la dirección angular, el número es p; hay nodos a lo largo de la dirección radial, el número de círculos primitivos es l a medida que p y l aumentan, el radio del punto aumenta y el radio del punto aumenta más rápido que l; con el aumento de p; el radio del punto de los modos de orden superior: la amplitud disminuye hacia el exterior. La distancia entre el punto en 1/e del valor máximo y el centro del espejo circular de longitud focal máxima también es; una superficie de fases iguales.

8. Cavidad general de espejo esférico estable

Cavidad general de espejo esférico: cavidad compuesta por dos espejos esféricos con diferentes radios de curvatura a cualquier distancia

Esférico generalmente estable Teoría del modo de la cavidad del espejo: Se puede establecer estrictamente con base en la ecuación integral de difracción de la cavidad óptica, basada en la teoría del modo de la cavidad focal, que es equivalente al método de la cavidad focal.

La equivalencia entre cavidades esféricas estables generales y cavidades focales: Según la teoría del modo de cavidad focal, cualquier cavidad focal es equivalente a un número infinito de cavidades esféricas estables; cualquier cavidad de espejo esférico estable es únicamente equivalente a una cavidad focal máxima. La equivalencia de una cavidad esférica estable general y una cavidad focal significa que tienen el mismo campo de ondas viajeras.

9. Cavidad resonante inestable

Las ventajas de la cavidad inestable: 1. Gran volumen de modo controlable, al expandir el tamaño del espejo, se expande el tamaño lateral del modo; 2. Salida de acoplamiento de difracción controlable, la tasa de acoplamiento de salida está relacionada con el parámetro geométrico g de la cavidad 3. Es fácil de identificar y controlar el modo transversal 4. Es fácil obtener salida de un solo extremo y haces paralelos colimados; . Desventajas de la cavidad inestable: 1. La sección transversal del haz de salida tiene forma de anillo; 2. La distribución de la intensidad del haz es desigual y muestra algún tipo de anillo de difracción;

10. Tecnología de selección de modo

La ventaja del láser es que tiene buena monocromaticidad, direccionalidad y coherencia. El haz de salida del láser ideal debería tener un solo modo, pero en el caso de los láseres reales, si no se adopta la selección del modo, su estado de funcionamiento suele ser multimodo. La distribución de intensidad de los rayos láser que contienen modos transversales de alto orden es desigual y el ángulo de divergencia del haz es grande. Los láseres que contienen múltiples modos longitudinales y múltiples modos transversales tienen poca monocromaticidad y coherencia. Los rayos láser de modo transversal fundamentales son necesarios en campos como la colimación láser, el procesamiento láser, la óptica no lineal y el alcance remoto del láser. En aplicaciones como interferometría de precisión, comunicación óptica y holografía de área grande, se requiere que los láseres sean haces de modo transversal único y de modo longitudinal único. Por lo tanto, diseñar y mejorar la cavidad resonante del láser para obtener una salida monomodo es un tema importante.

Selección del modo transversal: en una cavidad estable, la pérdida por difracción del modo fundamental es la más pequeña. A medida que aumenta el orden del modo transversal, la pérdida por difracción aumentará rápidamente. Los diferentes modos transversales en la cavidad resonante tienen diferentes pérdidas por difracción, que es la base física para la selección del modo transversal. Para mejorar la capacidad de discriminación de modos, la tasa de pérdida por difracción de los modos de orden superior y los modos fundamentales debe aumentarse tanto como sea posible. Al mismo tiempo, la proporción de pérdida por difracción en la pérdida total también debe aumentarse tanto como sea posible. posible; el tamaño de la pérdida por difracción y el valor de la capacidad de discriminación de modo están relacionados con la forma de la cavidad resonante está relacionada con el coeficiente de Fresnel.

Selección de modos longitudinales: en una cavidad resonante general, diferentes modos longitudinales tienen la misma pérdida, por lo que las diferentes ganancias de diferentes modos longitudinales deben usarse para la identificación y selección de modos. Al mismo tiempo, también se pueden introducir diferencias de pérdidas artificiales. Método para insertar el etalon F-P en la cavidad: ajuste los parámetros del etalon F-P para que solo haya un pico de transmisión dentro del rango de ancho de línea de ganancia y, al mismo tiempo, solo un modo oscile dentro del rango de ancho de línea del espectro de una transmisión. pico, entonces se puede lograr un único modo longitudinal Trabajo. Es decir, las condiciones de selección de modo son: 1. Seleccione la longitud óptica adecuada del etalón de modo que el rango espectral libre del etalón sea equivalente al ancho de línea de ganancia del láser. Evite los picos de transmisión de dos o más etalones dentro del ancho de línea de ganancia. 2. Seleccione la reflectividad de la interfaz de etalon adecuada para que los modos longitudinales adyacentes del modo longitudinal seleccionado se supriman debido a la baja transmitancia y la gran pérdida.

Tipos y funciones de resonadores ópticos

Autor: opticsky Fecha: 2006-09-16

Tamaño de fuente: Pequeña, Mediana, Grande

La cavidad resonante óptica es un dispositivo óptico compuesto por dos o más espejos ópticos y puede proporcionar retroalimentación óptica positiva. Los dos reflectores pueden ser espejos planos o espejos esféricos, colocados en ambos extremos del material de trabajo del láser. La distancia entre los dos espejos es la longitud de la cavidad. Uno de los espejos tiene una reflectividad cercana al 100%, lo que se denomina espejo de reflexión total; el otro espejo tiene una reflectividad ligeramente menor y el láser sale de este espejo, por lo que se denomina espejo de salida. A los dos se les denomina a veces espejos de alta reflexión y espejos de baja reflexión, respectivamente.

Tipos Según la forma de los dos espejos que forman la cavidad resonante y sus posiciones relativas, las cavidades resonantes ópticas se pueden dividir en: cavidades planas paralelas, cavidades plano-cóncavas, cavidades cóncavas simétricas, cavidades convexas , etc. En una cavidad planocóncava, si el foco del espejo cóncavo cae sobre el espejo plano, se llama cavidad semifocal; si el centro esférico del espejo cóncavo cae sobre el espejo plano, se forma una cavidad semifocal; cavidad de enfoque. Los radios de curvatura de los dos espejos esféricos reflectantes en la cavidad cóncava simétrica son los mismos. Si el foco del espejo está situado en el punto medio de la cavidad, se denomina cavidad focal simétrica. Si los centros de los dos espejos esféricos están en el centro de la cavidad, se llama cavidad central.

Si el haz de luz se propaga en la cavidad durante un tiempo prolongado sin escapar fuera de la cavidad, la cavidad se denomina cavidad estable; en caso contrario, se denomina cavidad inestable. Las cavidades resonantes enumeradas anteriormente son todas cavidades estables. Una cavidad resonante compuesta por dos espejos convexos es una cavidad inestable. En una cavidad cóncava plana, si la longitud de la cavidad es demasiado larga para que el centro de la superficie esférica cóncava caiga dentro de la cavidad, además de los rayos de luz a lo largo del eje óptico, los rayos de luz en otras direcciones en la cavidad inevitablemente escapa de la cavidad después de múltiples reflexiones, por lo que también es una cavidad inestable. En una cavidad cóncava simétrica, si la longitud de la cavidad es demasiado larga, los centros de las dos superficies esféricas caerán respectivamente en el lado del punto central de la cavidad más cercano a sí mismo, que también es una cavidad inestable.

Cavidad estable Si la distancia de cualquier haz paraxial desde el eje óptico en una cavidad óptica resonante no aumenta infinitamente durante su reflexión de ida y vuelta, entonces esta cavidad debe ser una cavidad estable. Si L representa la longitud de la cavidad y R1 y R2 son los radios de curvatura de los dos espejos esféricos, entonces la cavidad estable debe cumplir las siguientes condiciones:

De la primera desigualdad, solo R1 y R2 son mayores que la longitud de la cavidad al mismo tiempo o cuando ambos son más pequeños que la longitud de la cavidad, se puede formar una cavidad estable. De la segunda desigualdad, R1 y R2 deben ser más pequeños que la longitud de la cavidad y no pueden ser demasiado pequeños.