Rezonatory ze ściankami bocznymi o zwierciadłach płaskich

Najprostszym rezonatorem optycznym zastosowanym w laserze z falowodem płas- kim ze ściankami bocznymi może być rezonator płasko-płaski. Na rysunku 10.2 poka-zano struktury rezonatorów optycznych o płaskich zwierciadłach. Najprostszy z nich to rezonator, w którym jedno z płaskich zwierciadeł jest transmisyjne (rys. 10.2a). Laser zaopatrzony w taki rezonator generuje mieszaninę modów EHm,n. W kierunku Y (falowodowym – rys. 10.1) laser taki zwykle generuje w podstawowym modzie falo-wodowym n = 1. W kierunku X (rys. 10.1) laser może generować w modzie m, rów-nym nawet 50÷60. Przykład rozkładu natężenia wiązki wyjściowej z takiego lasera pokazano na rysunku 10.3. Jest to obraz wzajemnie niezsynchronizowanych lub lokal-nie zsynchronizowanych wiązek laserowych mających w sumie mlokal-niej lub bardziej chaotyczny rozkład natężenia na osi X (kierunku szczeliny). Rozkład ten zależy od wymiarów falowodu płaskiego i ciśnienia mieszanki laserowej. Obserwowane mody mają częstotliwość ν_qmn, zgodnie z wyrażeniem

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + = 2 2 2 2 32 1 2 _D n w m c l qc qmn λ ν , (10.1)

108 gdzie:

q – numer modu wzdłużnego,

w, D – odpowiednio szerokość szczeliny (kierunek X) i wysokość falowodu (kierunek Y),

m, n – mody poprzeczne (odpowiednio na kierunku X i Y),

c, λ – odpowiednio prędkość światła i długość emitowanej fali.

Główną wadą takiej struktury jest słaba jakość wiązki wyjściowej i niestabilna praca lasera.

a) rezonator wielomodowy

Rys. 10.2. Różne konfiguracje rezonatorów z płaskimi zwierciadłami do laserów z falowodem płaskim. Dla lasera z selektorem Talbota (wyjaśnienie w tekście) zaznaczono efekt synchronizacji wiązki

wyjściowej w postać o periodycznie zmieniającej się amplitudzie pola elektrycznego Fig. 10.2. Different configurations of the flat-flat resonators for slab-waveguide lasers.

Effect of the beam synchronizing for the laser with a Talbot selector is indicated

Równie złą jakość wykazuje wiązka laserowa generowana w strukturach rezonato-rów płasko-płaskich z otworem położonym symetrycznie lub niesymetrycznie (rys. 10.2b i c). Oprócz niestabilnej pracy lasera wadą konstrukcji jest samo istnienie otwo-ru, na którego krawędziach następuje dyfrakcja obniżająca silnie jakość wiązki wyj-ściowej. Podobnie jak w poprzednim rezonatorze (ze zwierciadłem transmisyjnym), generowana wiązka ma gęste widmo częstotliwościowe, co można stwierdzić za po-mocą analizy homodynowej. Duża liczba modów jest generowana mimo jednorodne-go poszerzenia linii emisyjnej molekuły CO2. Jednorodne poszerzenie linii CO2 jest skutkiem stosowanych w laserach falowodowych względnie wysokiego ciśnienia mie-szanki gazowej CO2 : N2 : He (rzędu stu i więcej hektopaskali). Dla typowego ciśnie-nia 133 hPa (100 Tr) poszerzenie ciśnieniowe linii jest rzędu 500 MHz. Poszerzenie jednorodne jest naturalnym mechanizmem dławienia modów wyższego rzędu. Drugim mechanizmem selekcjonującym w laserze CO₂ jest silna konkurencja między po-szczególnymi przejściami rotacyjnymi w molekule CO2. Stąd wynika tendencja do

generacji na jednej, wybranej linii emisyjnej. Mimo to, jak dowiedziono eksperymen-talnie, laser z falowodem płaskim generuje równocześnie w wielu modach poprzecz-nych i na kilku liniach emisyjpoprzecz-nych. Jest to możliwe dzięki osłabieniu konkurencji między przejściami rotacyjnymi, jeśli tylko na każdej generowanej linii formuje się inny mod poprzeczny. Każdy z nich czerpie wtedy energię z innego przejścia rotacyj-nego molekuły CO₂. Innym mechanizmem pozwalającym na współistnienie kilku modów we wnęce lasera z falowodem płaskim jest możliwość przestrzennego rozdzia-łu generowanych fal. Wszystko to obniża czystość spektralną wiązki, czyniąc te lasery nieprzydatnymi do wielu zastosowań.

w

Rys. 10.3. Swobodna, niezsynchronizowana, generacja w laserze z falowodem płaskim o rezonatorze optycznym płasko-płaskim i szerokości szczeliny wyjściowej w = 20,7 mm. Obydwa obrazy zarejestrowano w polu bliskim: górny w cegle, dolny na ekranie fluoroscencyjnym [3.1]

Fig. 10.3. Free-running, non-synchronised generation of the slab-waveguide laser with a flat-flat resonator. The pictures were registered at the bricks (top one) and UV screen (bottom one) [3.1] Jak to już powiedziano, jakiekolwiek zastosowanie lasera CO₂ o falowodzie płas- kim, z rezonatorem optycznym płasko-płaskim stwarza różne problemy, przede wszystkim związane ze stabilnością pracy takiego rezonatora. A jednak, w przeci-wieństwie do wnęki laserowej z wyprzęganiem dyfrakcyjnym (rys. 10.2b i c), wiązka wyprzęgana przez zwierciadło transmitujące całą swoją powierzchnią może być, po pewnych zabiegach, uformowana do ustalonego i stabilnego modu EHm,n. Zatrzymamy się dłużej na badaniu tej struktury, ze względu na to, że występuje w niej wiele zja-wisk fizycznych, których rozważenie ułatwia zrozumienie działania rezonatora z pła-skimi zwierciadłami i falowodem płaskim.

10.1.1. Czterofalowy model propagacji fali w strukturze rezonatora

z falowodem płaskim ze ściankami bocznymi

Obserwacja zachowania się rozkładu natężenia wiązki wyjściowej z lasera z falo-wodem płaskim zaopatrzonego w zwierciadła płaskie, w tym jedno transmisyjne na całej swojej powierzchni (bez otworu wyprzęgającego), oraz spostrzeżenia nasuwające

110

się z rozważań nad wzajemną interferencją fal płaskich, prowadzą do czterofalowego modelu propagacji w takiej strukturze. W celu wyjaśnienia propagacji fali generowa-nej w rezonatorze płasko-płaskim ze ściankami bocznymi możemy posłużyć się mode-lem krzyżujących się fal płaskich pod niewielkim kątem Θ. Na rysunku 10.4 przed-stawiono uproszczony model takich interferujących ze sobą fal płaskich. Jeśli obszar interferencji ograniczymy ściankami tak, jak w laserze falowodowo-szczelinowym ze ściankami bocznymi, to przy odpowiednim kącie fale nakładają się wzajemnie po odbiciu od ścianek bocznych, tworząc wewnątrz obraz interferencyjny promieniowa-nia dokładnie o takiej samej strukturze, jak falowodowy mod EH_m,n. Tym razem liczby

m i n odzwierciedlają liczbę prążków interferencyjnych powstających wzdłuż osi X i Y

(odpowiednio) na ściance „wyjściowej” struktury, co w przypadku lasera oznacza płaskie zwierciadło wyjściowe. Jak już to powiedziano, dla odpowiednio wąskiej struktury falowodowej (rzędu 2 mm) możliwe jest otrzymanie jednego prążka interfe-rencyjnego, co obserwuje się jako pojedynczą plamkę w kierunku osi Y (patrz rezultat eksperymentalny na rys. 10.3). W kierunku osi X otrzymuje się wiele takich prążków, obserwowanych jako szereg plam, jak na rysunku 10.3.

Rys. 10.4. Czterofalowy model mieszania dwóch krzyżujących się fal płaskich biegnących pod kątem Θ. Zaznaczono obszar mieszania się odpowiadający rozmiarom falowodu szczelinowego [2.46]

Fig. 10.4. Four-wave mixing model of two crossing waves running at the kątem Θ angle. Area of mixing corresponding to the slab-waveguide dimensions is indicated [2.46]

Przedstawiony mechanizm propagacji fali w rezonatorze nasuwa sposób ustabi- lizowania takiej struktury falowej w rezonatorze. Rozwiązaniem jest wykorzystanie tzw. efektu Talbota.