Разрезной кольцевой резонатор. Кольцевой резонатор

Выходные данные сборника:

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Андросик Андрей Борисович

Воробьев Сергей Андреевич

канд. техн. наук, доцент МГОУ, г. Москва

Мировицкая Светлана Дмитриевна

канд. техн. наук, доцент МГОУ, г. Москва

Проведено исследование одиночной резонансной структуры, двойного кольцевого резонатора, а также тройного кольцевых резонаторов. В случае тройной резонансной структуры рассмотрено вертикальное и последовательное расположение колец. Рассмотрены результаты модельных исследований для этих типов резонаторов.

Ключевые слова: кольцевой микрорезонатор, интегральная фотоника, планарные структуры, спектр частот .

Важной разновидностью волноводных структур интегральной фотоники являются резонансные структуры – кольцевые микрорезонаторы . В последние годы они представляют все больший интерес для исследователей в области волноводной и интегральной оптики. Резонансные структуры являются потенциальными кандидатами для использования в таких областях применения интегральной фотоники как фильтрация волн; маршрутизация; переключение; модуляция; конвертирование, мультиплексирование и демультиплексирование оптического излучения . Для повышения качества выполняемых функций целесообразно использовать изготовление резонансных структур в виде множественных компонент. Множественные резонансные фотонные структуры обеспечивают улучшение основных оптических параметров, таких как свободный спектр частот, полную ширину половины максимума, добротность, чувствительность и др.

Множественные резонансные планарные структуры интегральной фотоники разработаны на базе нового перспективного явления, управления излучением, заключенного в микронные пленки прозрачного материала . Правильный выбор подложки, пленки и конфигурации волновода позволяет выполнить широкий спектр оптических преобразований излучения. Благодаря миниатюрным размерам достигается высокая плотность оптических компонентов в определенном месте, в отличие от традиционной объемной оптики. Таким образом, множественные резонансные структуры являются представителями нового поколения оптико-электронных систем, в которых оптические волноводы и световодные системы заменены на волноводные оптические элементы. Компьютерное моделирование этой новой группы элементов позволяет создать и изготовить принципиально новый класс оптических фотонных изделий .

Все многообразие конфигураций кольцевых микрорезонаторов можно классифицировать по двум параметрам: по форме резонатора (диск, кольцо, трасса или эллипс); по схеме взаимосвязи т.е. по схеме передачи энергии между волноводом и резонатором (вертикальные и боковые). В схеме боковой связи резонатор и волновод изготавливаются на одном уровне из одинакового материала; при этом взаимосвязь контролируется только за счет расстояния между волноводом и резонатором. В вертикальных схемах взаимосвязь контролируется как в вертикальном, так и в боковом положении. Кроме того, вертикальные и боковые конфигурации отличаются технологиями изготовления (SW - одномодовый волновод, MR – микрорезонатор).

В кольцевых резонаторах возбуждается несколько мод, распространяющихся по кольцу. Дисковые резонаторы позволяют поддерживать одномодовый режим излучения; при этом облегчается контроль за поведением излучения и характеристиками резонатора. Важной характеристикой волноводов является коэффициент связи. В дисковых и кольцевых резонаторах область связи ограничена, а трековые являются альтернативой для увеличения этой области. Микрорезонаторы с двумя волноводами позволяет выполнять дополнительную селекцию излучения за счет второго резонанса. Основные типы резонансных планарных структур приведены на рис.1.

Синтез кольцевых резонаторных фильтров, соединённых в ряды или последовательные линии является актуальной задачей волноводной фотоники . Его целью является получение оптимальных характеристик фильтрации, мультиплексирования, переключения и др. К основным характеристикам относятся свободный спектр частот (расстояние между двумя последовательными резонансными пиками в порту понижения), полная ширина половины максимума (ширина сигнала в половине максимального значения пика нормированной интенсивности), добротность, чувствительность (однородная и поверхностная), предел чувствительности, отношение максимума/минимума сигнала.

Оптимальное взаимодействие между всеми связанными резонаторами позволяет обеспечить требуемый отклик фильтра . Использование двойных и кратно соединенных кольцевых резонаторов дают возможность для реализации характеристик различных типов фильтров (рис.2).

Важным параметром при создании фильтров или датчиков на основе микрорезонаторных структур является свободный спектр частот (FSR) – расстояние между двумя последовательными пиками в порту понижения в масштабе длин волн. Этот параметр определяет селективность датчика. Таким образом, если две последовательные длины волны резонирования очень близки друг к другу, то становится затруднительно дифференцировать их между собой. Следовательно, чем больше свободный спектр частот, тем лучше рабочие характеристики микрорезонатора. Математически этот параметр выражается как:

,

где n g - групповой индекс; n g =n-l(dn/dl); l - длина волны; L=pR T .

Использование группового коэффициента преломления позволяет повысить точность измерений. Как видно из формулы (1) свободный спектр частот обратно пропорционален размеру резонатора, т. е. для достижения большого значения FSR следует минимизировать длину резонатора.

Максимальная передача t max - величина отброшенного сигнала на резонансе. В асимметричном случае она имеет вид:

Минимальное отражение является мощностью сигнала, оставленной во входном волноводе на резонансе.

Отношение исчезновения - отношение питания в порту передачи на резонансе и от резонанса. Например, если изогнутый волновод используется в качестве фильтра добавления-разложения, важно, чтобы сигнал на резонансе был извлечен полностью из входного волновода для минимизации перекрестных помех.

В асимметричном случае можно записать:

Изящество, Q-фактор. Изящество, добротность (Q-фактор), резонансная ширина, пропускная способность – это условия, которые, главным образом, связаны с полной шириной в половине максимума (FWHM) передачи. При низких значениях FWHM величины чувствительности и добротности повышаются. Последнее особенно важно для датчиков. FWHM понижается при низких коэффициенте связи и длине волны, а также при увеличении длины резонатора L. Резонансная ширина, или пропускная способность определяются как FWHM резонанса изогнутого волновода.

Изящество - отношение FSR к пропускной способности, является безразмерной величиной. Формула для FWHM в угловом масштабе может быть записана следующим образом:

Изящество F тесно связано с пропускной способностью и определено как отношение FSR и пропускной способности:

,

Очень важно соблюдать равновесие между FSR , который должен быть идеально высоким и FWHM, который должен быть идеально низким для обеспечения возможности дифференциации между смежным резонансным пиком и переходом на нижний уровень рабочего резонансного пика. Следовательно, чем выше значение F, тем лучше характеристики чувствительности и селективности. Из формулы (8) можно заметить, что F зависит от внутренних потерь и от связи, т.е. внешних потерь резонатора. Чем выше сумма общих потерь, тем ниже F резонатора. Почти всегда выгодно уменьшать и внутренние, и внешние потери для получения более высокого значения F. Однако, внешние потери, обусловленные связью, являются неизбежными и не могут быть слишком малы для резонатора, работающего как оптический фильтр. В случае, когда внешние потери меньше, чем внутренние, вся переходная мощность будет потеряна в резонаторе. Вследствие таких связей кольцевой резонатор должен использовать строго наведенный световод для минимизации радиусных потерь на изгибе волновода с очень малым радиусом.

Другой тесно связанный параметр – добротность (Q-фактор), определяемый как отношение длины волны резонанса (пика) к FWHM пика:

,

Значение добротности имеет большое значение для датчиков. Чем выше значение добротности, тем лучше сенсорные параметры датчиков, использующих резонансный метод сдвига длины волны. Низкие значения добротности необходимы при реализации метода изменения интенсивности. Для достижения высокого значения добротности, связь должна быть очень низкой, потери минимизированы, FWHM – низкий, а радиусы – большие. Добротность и изящество связаны между собой следующим образом:

,

С практической точки зрения Q-фактор интересен, поскольку он характеризует непосредственную абсолютную ширины пика. Добротность связана с физическим размером резонатора, поэтому при сравнении различных резонаторов удобнее использовать параметр изящества.

Усиление поля. Одна из интересных функций кольцевого резонатора - высокая полевая интенсивность, которая создана в кольцевом резонаторе на резонансе. Усиление поля FE, является отношением амплитуды поля в кольце к амплитуде в волноводе входной шины:

,

Так как поле в кольце не одинаковое, усиление поля обычно выбирается сразу после входного разветвителя. Для хорошего кольца потеря очень низка, и коэффициент связи обычно не столь высок, таким образом, поле в кольце предполагается практически постоянным.

Внутренне резонансные вносимые потери. Это потери, которые испытывает сигнал в порту при передаче в кольцо. Требуется, чтобы эти потери были как можно меньше, тогда передача от резонансного сигнала будет без помех.

Форма строки (форм-фактор). Форма импульса для одного микро кольцевого резонатора часто моделируется функцией Лоренца, имеющей вид:

,

Форма импульса Лоренца является приближением первого порядка, которое является достаточно удобным для резонаторов с малыми потерями.

Схема канала, используемого в качестве фильтра, приведена на рис.3. На первом этапе осуществляется исследование распределения электромагнитных полей и переходной характеристики системы оптической селекции, представляющей собой два планарных волновода, связанных через кольцевой резонатор . Если входной сигнал содержит длину волны несущей, являющейся резонансной для кольцевого элемента, она ответвится в выходной волновод. Отношения интенсивностей прошедшего и ответвленного сигналов к входной интенсивности на разных длинах волн (коэффициент передачи) и зависимость этого отношения от времени определяют важнейшие свойства селектирующего элемента.

Рисунок 3. Геометрические особенности поперечного сечения моделируемой волноводной системы

Расстояние между кольцевым резонатором и волноводами (оно принимается одинаковым для входного и выходного волноводов) должно быть достаточно мало, чтобы каждый из волноведущих элементов находился в поле вытекающей волны другого. Например, при распространении оптического сигнала по входному волноводу (если его вытекающие волны перекрываются с волнами кольцевого резонатора) часть энергии, переносимая вытекающей волной, переходит в волну, ограниченную резонатором. Количество энергии, ответвленной в резонатор, зависит от расстояния между волноведущими элементами и длины участка эффективного обмена электромагнитными полями. Константы распространения и показатели преломления материалов также влияют на степень их связанности.

Модель кругового микрорезонатора, локально увеличивающего мощность света для определенных длин волн, представлена на рис.4. Эта функциональная возможность объясняется следующим образом. Резонатор и волновод находятся в непосредственной близости друг от друга, при этом часть поступающей энергии переходит в резонатор. Такой переход известен как направленная связь . В микрорезонаторе часть этой энергии направляется вдоль окружности резонатора и после совершения полного витка интерферирует с входящим полем волновода. На резонансных частотах, когда оптическая длина пройденного пути многократна эффективной длине волны, интерференция в резонаторе конструктивна. Эта конструктивная интерференция может привести к усилению электромагнитного поля и соответственно к увеличению мощности в резонаторе. В этом одиночном круговом микрорезонаторе длина окружности кольца - L(L=2nR; радиус- R) ,коэффициент связи - k. Коэффициент интенсивности затухания кольца a. Волновое число равно k n .

Рисунок 4. Одиночный круговой резонатор

Исследование поведения мощности между резонатором и диэлектрическим волноводом приведено в . Предложенная модель показывает связь между полями резонатора и волновода. Электрическая и магнитная составляющая поля в резонаторе является суммой отдельных амплитуд полей распространяющихся мод.

Соотношения прошедшего и отклоненного электрических полей можно записать следующим образом:

где k n =(2pn eff)/l и g обозначает коэффициент потерь интенсивности направленного ответвителя и n eff – эффективный показатель преломления.

Используя эти уравнения, можно вычислить отношение полей E t /E i:

Целесообразно ввести следующие параметры:

Соотношение интенсивности для выходного порта принимает вид:

Спектр передачи одиночного кольцевого резонатора представлен на рис.5; максимум и минимум передаточной характеристики вычислялся с использованием зависимостей:

Полная ширина на половине максимума (FWHM или 3 дБ ширина полосы)

и параметр изящества F резонатора имеют вид:

Параметр F является измерительной характеристикой фильтра. Точка резонанса T min в уравнении (18) определяется следующим образом:

Одиночный круговой резонатор с двумя связанными волноводами для входа и выхода сигнала показан на рис.6.

В приведенных ниже расчетах не учитываются потери связи, т. е. рассматривается предположение (D 2 =1).

Отклик фильтра одиночного кольцевого резонатора с двумя связанными волноводами и коэффициентами связи k 1 =k 2 =0.2 в обоих симметричных связанных волноводах показан на рис.6.Предполагается, что потери внутри кольца полностью компенсированы (a=0).

Максимум и минимум передачи вычисляется следующим образом. Для пропускного порта

Для результирующего порта

Результирующее отношение вход/выход имеет следующий вид

Интенсивность излучения на выходе I t 1 пропускного порта равна нулю в резонансе (k n L=2mp); это показывает, что резонансная длина волны полностью выводится резонатором, для одинаковых симметричных сонаправленных ответвителей k 1 =k 2 при a=0. Значение a=0 достижимо только внедрением селективного усилителя внутрь кольцевого резонатора, для компенсации волноводных потерь. Значение коэффициента затуханияинтенсивности a является постоянной величиной в полностью пассивном кольцевом резонаторе. Возможность достижения минимума интенсивности (I t 1 /I i 1 =0) при резонансе передаточной функции на выходе I t 1 пропускного порта осуществляется получением корректного отношения коэффициентов связи k 1 , k 2 и коэффициента ослабления интенсивности a.

Рисунок 6. Одиночный и двойной кольцевые резонаторы

Двойной кольцевой резонатор. Схема двойного кольцевого резонатора показана на рис.6 Входное поле E i 1 связывается с портом 1. Выходное поле получено в пропускном E t 1 или в результирующем порте E t 2 . Другое входное поле E i 2 можно внедрить в порт добавления устройства.

Вычислительные модели, описанные выше, хорошо подходят для устройств с однородным показателем преломления резонатора. При моделировании следует учесть условия формирования активных секций, изменения показателя преломления в одной части резонатора за счет локального нагрева, потери при переходе от активной зоны к пассивной, на границе прямого волновода и изогнутой части волновода, потери связи и материальные потери для каждого сегмента. Для выполнения расчетов этих специфических деталей, следует разделить всю конфигурацию кольцевого резонатора на разные сегменты (рис.6) для двойного кругового резонатора. Электрическое поле электромагнитной волны, распространяющейся в каждом сегменте, описывается следующим уравнением:

где Е А - амплитуда электрического поля, a segment - коэффициент затухания интенсивности.

Двойной кольцевой резонатор дает возможность распространения свободного спектра частот к меньшему общему таких частот одиночных кольцевых резонаторов. Это достигается путем выбора различных радиусов в двойном кольцевом резонаторе. В случае разных радиусов, излучение, проходящее через двойной кольцевой резонатор, запускается из порта убывания, в случае удовлетворения резонансных условий для двух одиночных кольцевых резонаторов. Свободный спектр частот двойного кольцевого резонатора с двумя различными радиусами можно записать следующим образом:

где N и M-натуральные и взаимно простые числа. Передаточные функции существенно зависят от коэффициентов связи, которые характеризуют перекрёстные помехи между резонансными пиками и ложными резонансными пиками.

Использование двойного кольцевого резонатора с разными радиусами открывает возможность получения большего свободного спектра частот по сравнению со случаем одиночного кольцевого резонатора. Передаточная характеристика пропускного порта имеет, в основном, форму Лоренца. Отклик обобщенного фильтра можно реализовать путем использования двух параллельно связанных двойных кольцевых фильтров (R1≠R 2).

Для создания плоскости на верхней части отклика фильтра, предложено использовать тройной кольцевой резонатор с целью увеличения фактора формы и коэффициента вкл\выкл пропускного и результирующего портов. Коэффициенты связи κ 0-3 можно подсчитать для определённого отношения вкл/выкл и для фактора формы, равного 0,6 для результирующего порта. В простейшем случае используются коэффициенты для случая симметричной связи, k 0 =k 3 и k 1 =k 2 .

Передаточная характеристика конфигурации тройного кольцевого резонатора с коэффициентами связи k 0 =k 3 =0,7 для внешней связи и k 1 =k 2 =0,2 для внутренней связи в центре с компенсацией потерь (a segment =0) показана на рис.6. Радиус кольца R=134 мкм был выбран для достижения разнесения каналов 100 ГГц; общий показатель преломления 3,46; отношение вкл/выкл 30 dB. Крутой спад и резкий подъем достигнут за пределами полосы режекции. Возможное решение для реализации такого фильтра и отношения вкл/выкл более 30 дБ достигается для резонаторов без потерь при коэффициентах связи в интервале k 0 =k 3 =0,65-0,7 для внешней связи и k 1 =k 2 =0,18-0,26 для связи в центральной зоне.

Вычислительная модель тройного кольцевого резонатора параллельного соединения показана на рис.6. Передаточная характеристика подсчитана для линейно расположенных одиночных кольцевых резонаторов. Основной составной элемент состоит из одиночного кольцевого резонатора с радиусом окружности R=117 мкм, и длиной 200 мкм для зоны связи и длиной 300 мкм для прямых зон 11 и 15. Сделано допущение об отсутствии потерь в тройном кольцевом резонаторе и постоянстве показателя преломления (который определяет физическую и волноводную дисперсии) для всех сегментов. Расстояние между резонаторами равно Ѕ9+10+11+12+ Ѕ13, что эквивалентно половине кольца окружности резонатора. Отклик пропускного и результирующего портов показана на рис.7. Кольцевые резонаторы синхронизированы по фазе.

Рисунок 7. Тройной кольцевой резонатор

Фактор формы для этой схемы равен 0,18. Плоская характеристика полосы пропускания может быть получена небольшим смещением резонансной частоты каждого одиночного кольцевого резонатора. Это управляемое отклонение от частоты резонанса позволяет реализовать оптические фильтры с полосами пропускания с плоскими вершинами, необходимые для оптических систем мультиплексирования каналов длин волн.

Синтез оптических фильтров с использованием линейного ряда одиночных кольцевых резонаторов с двумя входными/выходными волноводами описан в . Вычисленный спектр передачи ряда из 9 элементов кольцевых резонаторов, работающих без потерь, представлен в Расстояние между параллельно соединенными одиночными кольцевыми резонаторами и влияние на форму фильтра теоретически исследовано в

Для реализации амплитудно-частотного отклика фильтра, который подразумевает высокий фактор формы (0,5–0,6), наиболее удобна конфигурация серийно соединенного тройного кольцевого резонатора. Отклик фильтра в этом случае определяется, в основном, точным выбором коэффициентов связи. Фазу следует подбирать для обеих конфигураций. Преимуществом параллельно соединённого тройного кольцевого резонатора является возможность усиления FSR. Это достижимо только в случае серийно связанных конфигураций, путем выбора наименьшего радиуса кольца.

Был выведен математический инструмент для описания поведения конфигураций кольцевого резонатора. Реализация этих моделируемых структур, работающих без потерь, должна быть выполнена на основе полупроводникового материала с прямой шириной запрещенной зоны для получения активных структур или интегрирования пассивных и активных устройств.

Список литературы:

1.Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Основы волноводной фотоники.- М.: МГОУ, 2009.

2.Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Математические основы волноводной фотоники.- М.: МГОУ, 2010.

3.Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Волноводная и интегральная фотоника.- М.: МГОУ, 2011.

4.Chew Y.H. et al. An Optical Filter of Adjustable Finesse Using an Amplified Fiber Ring Resonator. IEEE J. Lightwave Technol., vol. 15, no. 2, pp. 364-370, 1997.

5.Chin M.K. et al. GaAs Microcavity Channel-Dropping Filter Based on a Race-Track Resonator. IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 12, pp. 1620-1622, 1999.

6.Griffel G. Syntesis of Optical Filters Using Ring Resonator Arrays. IEEE Photon/ Technol.Lett. 12(7), 810-812, 2000.

7.Klunder D.J.W. et al. Experimental and numerical study of microresonators with air and polymer cladding. Journal of Lightwave Technology, 21(4):1099–1110, 2003.

8.Madsen C.K. and Zhao J.H. A General Planar Waveguide Autoregressive Optical Filter. IEEE J. Lightwave Technol., vol. 14, no. 3, pp. 437-447, 1996.

9.Marcatili E.A.J. Dielectric Rectangular Waveguide and Directional Coupler for Integrated Optics, Bell Syst. Techn. J., vol. 48, pp. 2071-2101, 1969.

10.Weiershausen W. and Zengerle R. Photonic highway switches based on ring resonators used as frequency-selective components. Appl. Opt., vol. 35, no. 30, pp. 5967-5978, 1996.

11.Yariv A. Universal relations for coupling of optical power between microresonators and dielectric waveguides. Electronics Letters, 36:321–322, 2000.


Для повышения эффективности обдирки Н 0 предлагается использовать кольцевой резонатор со встроенным внутрь частотным конвертором для генерации лазерного излучения 3-ей гармоники (355нм). Импульсное излучение с длинной волны 355нм необходимо для предварительного возбуждения Н 0 перед обдиркой в магнитном поле. Длительность импульса согласована с длиной сгустка и должна быть не более 50 псек. Периметр кольцевого резонатора, с учетом оптической длины нелинейных кристаллов, соответствует частоте следования сгустков Н 0 (402.5МГц). Основное требование к кольцевому резонатору (основной параметр для оптимизации) – максимальная добротность резонатора при фиксированной импульсной мощности (не менее 1МВт). Чем выше достигаемая добротность резонатора, тем меньше может быть требуемая частота повторения импульсов для генерации 3-ей гармоники, тем меньше требуемая средняя мощность лазера накачки. Возможны два варианта генерации 3-ей гармоники внутри кольцевого резонатора.

Вариант-1 : В кольцевой резонатор вводится только первая (фундаментальная) гармоника импульсного лазера с длинной волны 1064нм. В этом случае внутри кольцевого резонатора размещаются два нелинейных оптических кристалла – один для генерации 2-ой гармоники излучения (532нм) и второй кристалл для генерации 3-ей гармоники. Схема варианта-1 представлена на рис.1. Для минимизации потерь в резонаторе все три зеркала должны иметь отражающие покрытия с максимально возможным коэффициентом отражения только для 3-ей гармоники, а оптические поверхности нелинейных кристаллов должны быть покрыты трех полосным антибликовым покрытием. Это антибликовое покрытие должно обеспечивать минимальный коэффициент отражения для всех трех гармоник излучения.

Рис.1 Кольцевой резонатор с двумя нелинейными кристаллами для генерации 2-ой и 3-ей гармоники.


Стабильность циркулирующего в резонаторе излучения обеспечивается двумя сферическими вогнутыми зеркалами. Нелинейные кристаллы располагаются в той части кольцевого резонатора, где минимальная угловая расходимость излучения.

Вариант-2 представлен на рис.2. В кольцевой резонатор вводятся фундаментальная и 2-ая гармоники, которые затем суммируются в 3-ю гармонику на нелинейном кристалле, расположенном внутри резонатора. Требования к оптическим поверхностям те же что и для варианта-1. Разница только в длине плеч кольцевого резонатора из-за отсутствия второго нелинейного кристалла и требования иметь одинаковую частоту повторения (402.5МГц).

Рис.2 Кольцевой резонатор с одним нелинейным кристаллом для генерации 3-ей гармоники.


Вариант-1 имеет более простую схему ввода излучения в кольцевой резонатор в сравнении с вариантом-2. Однако этот вариант хуже варианта-2 по ожидаемым потерям из-за внесения в резонатор дополнительных 2-ух оптических поверхностей и большей длине пути в нелинейной оптической среде, имеющей коэффициент поглощения до 1% на сантиметр пути. Вариант-2 обладает еще одним дополнительным преимуществом – кристаллы располагаются на большем расстоянии от пучка Н 0 и поэтому подвергаются меньшему радиационному воздействию.

В таблицах 1 и 2 представлены параметры оптических элементов для варианта-1 и варианта-2 соответственно, в случае использования ВВО-Е кристаллов длиной по 25мм каждый. Углы треугольника по ходу лазерного пучка выбраны следующие: 113 0 , 22 0 , 45 0 . Первый угол равен 113 0 и выбран из соображения иметь угол падения близкий к углу Брэгга, в предположении что используемый материал входного окна – ВК7 (или К8). Вторые два угла выбраны из соображения максимального удаления кристаллов от пучка Н 0 при необходимом отношении вертикального и горизонтального размеров в точке фокуса и в месте встречи со сгустком Н 0 и еще приемлемых аберрациях. Оптическая длина пути в каждом варианте одинаковая и равна 744.8мм. Оптимизация радиусов кривизны вогнутых сферических зеркал в обоих вариантах проводилась с целью устранения биения размеров пучка при каждом обходе. Если использовать в оптической схеме сферических зеркал с разными радиусами кривизны, то помимо устранения биений размеров возможно размещение точки фокусировки точно по средине между сферически зеркалами.


Таблица.1

N

Радиусы кривизны (мм)

Толщина (мм)

Апертура (мм)

Материал

Покрытия

1

∞/∞

5

50

ВК7

AR(1064)/HR(355)

2

−

252.85

−

−

−

3

326.5/∞

5

25

ВК7

HR(355)/AR(1064+532)

4

−

329.15

−

−

−

5

326.5/∞

5

25

ВК7

HR(355)/AR(1064+532)

6

−

133.95

−

−

−

7

∞/∞

25

8х8

ВВО-Е, SHG

AR/AR (1064+532+355)

8

∞/∞

25

8х8

ВВО-Е, THG

AR/AR (1064+532+355)

* SHG, THG – нелинейные оптические кристаллы для генерации 2-ой и 3-ей гармоники соответственно.

** Параметры и покрытия для первой и второй (по ходу) оптической поверхности разделены косой чертой.
Таблица.2


N

Радиусы кривизны (мм)

Толщина (мм)

Апертура (мм)

Материал

Покрытия

1

∞/∞

5

50

ВК7

AR(1064+532)/HR(355)

2

−

257.94

−

−

−

3

333/∞

5

25

ВК7

HR(355)/AR(1064+532)

4

−

335.78

−

−

−

5

333/∞

5

25

ВК7

HR(355)/AR(1064+532)

6

−

136.65

−

−

−

7

∞/∞

25

8х8

ВВО-Е, THG

AR/AR (1064+532+355)

∞/∞

25

8х8

ВВО-Е, SHG

AR/AR (1064+532)

* Последний оптический элемент в таблице расположен вне кольцевого резонатора.

Laser Parameter Spec Measurement Technique:


Wavelength = 355nm (Visual confirmation)
Energy = 30 µJ, 160-180 mJ (4025 pulses), 40 µJ (micropulse)
Pulse Duration = 10 ms (µs???) (Measured at 10 ms on an oscilloscope)
Micropulse Width = 70ps IR, = 50 ps UV (Autocorrelator to measure IR pulse waveform Temporal Profile - flat envelope)
Measured at 10 ms on an oscilloscope. Micropulse will be measured at Calmar.
Beam Diameter ~5mm (Burn Paper measurement Spatial Profile)
Beam code measurement 1064 and 355
Beam Divergence ? (Burn Paper measurement)
Repetition Rate = 10 Hz/402.5 MHz
Oscilloscope Shot to Shot Stability = 3% RMS for pulse envelope.
At 355nm from 100 shots Time jitter = 8 ps (will be measured by Calmar Shot-to-shot stability)
148.8 mJ - 174.6 mJ in 1000 shot (variation 2.6%)
Water - Two pairs of inlets/outlets
Electric Power Supply - Single phase, 220V, 30 A (two connectors)
Dimension: 7ft (L) x 2ft (W) x 1 ft (H)

Кольцевым называется резонатор, лазерный луч в котором, пройдя через всю систему, замыкается сам на себя. Кольцевой резонатор содержит три или более зеркал, расположенных под углом друг к другу. В качестве примера на рис. 2.13 приведена оптическая схема четырехзеркального резонатора.

Рис. 2.13. Оптическая схема четырехзеркального кольцевого резонатора (зеркала М 1 , М 2 и М 3 – плотные; зеркало М 4 – полупрозрачное)

Существуют кольцевые резонаторы как с плоским оптическим осевым контуром (планарные резонаторы), так и с неплоским оптическим осевым контуром (непланарные резонаторы). Главная особенность кольцевых резонаторов заключается в том, что их модами являются бегущие волны, благодаря чему их называют резонаторами бегущей волны. При этом все моды составляют две группы встречных волн, практически не взаимодействующих друг с другом.

Для описания кольцевых резонаторов необходимо учитывать их поляризационные свойства. Такой резонатор всегда содержит анизотропные элементы, приводящие к непрерывному изменению поляризации луча. Простейшим примером такого элемента является многослойное диэлектрическое зеркало при наклонном падении на него электромагнитных волн. Исследование поляризационных свойств лазерного луча позволяет

найти спектральные расстояния между модами различных поляризаций, встречными модами и др.

Расчет собственных колебаний планарных кольцевых резонаторов удобно провести методом ABCD -матрицы, которая представляет собой произведение матриц отдельных оптических элементов, через которые проходит свет (см. прил. 1). Резонансные частоты планарного кольцевого резонатора определяются соотношением

. (2.26)

Здесь а – сторона квадрата, R – радиус кривизны зеркал, образующих резонатор.

2. Спектр резонатора, образованного тремя одинаковыми зеркалами, расположенными в вершинах правильного треугольника, определяется соотношением

(2q − n ) +

n + 1 / 2

m + 1 / 2

где а –

сторона треугольника, R –

радиус кривизны зеркал.

Основной проблемой при применении кольцевых резонаторов в лазерной технике является уменьшение взаимодействия между встречными волнами. Для этого встречные волны по возможности разводят по частоте с помощью невзаимных анизотропных элементов, а их поляризацию стараются сделать ортогональной.

Теория непланарных резонаторов существенно сложнее и менее развита, чем теория планарных резонаторов, хотя их свойства с практической точки зрения очень привлекательны. В данной работе эта тема не рассматривается.

2.3.5. Эффективность преобразования энергии накачки в лазерных резонаторах

Одним из главных требований, предъявляемых к лазерному резонатору, является высокая эффективность преобразования энергии, запасенной в возбужденной АС , в энергию лазерного излучения. Для достижения этого необходимо выполнить следующие условия:

1) выбрать размеры и расположение зеркал резонатора так, чтобы весь объем АС был однородно заполнен лазерным излучением;

2) оптимизировать величины коэффициентов поглощения T и отражения R зеркал резонатора. Этими величинами обусловлены потери, возникающие внутри резонатора.

В идеализированном случае предельно возможный съем энергии с единичного объема АС обусловлен плотностью потока лазерного излучения (ρ, число фотонов см-2 ·с-1 ), фотоны в которых рождаются в объеме АС за единицу времени. Однако возникший в АС поток фотонов переходит

с верхнего уровня в нижележащие уровни двумя способами: спонтанным и вынужденным путем. В свою очередь, часть фотонов вынужденных переходов поглощается внутри резонатора (вредные потери), часть их выходит в виде полезного лазерного излучения. В соответствии с этими рассуждениями выражение для эффективности преобразования энергии можно представить в виде произведения двух сомножителей:

η = (1 − ρ1 )(1 − ρ2 ) ,

где ρ1 и ρ2 – плотность фотонов в спонтанном и вынужденном излучении.

Таким образом, оценка эффективности преобразования энергии для многомодовой генерации с учетом всех факторов и потерь излучения в резонаторе приводит к уравнению, зависящему от многих компонент и геометрических факторов резонатора, и имеет вид:

k ус 0 − σ0 − ln(1 / R ) / 2L

ln(1 / R )

ln(1 / R ) + 2σ

где k 0 ус – коэффициент усиления излучения в среде; σ0 –

коэффициент

вредных потерь в резонаторе; α = τ/А –

коэффициент нелинейности; τ –

время спонтанного распада возбужденного состояния; А –

коэффициент

пропорциональности между инверсной населенностью и k 0 ус ; L – длина резонатора; R – коэффициент отражения выходного зеркала резонатора; P нак . – мощность накачки.

Более сложной оказывается ситуация с расчетом эффективности лазера в случае одномодовой генерации, тем не менее уравнение (2.29) показывает способ оптимизации параметров резонатора, при котором уменьшается доля спонтанного излучения и одновременно увеличивается доля выходной мощности генерации лазера.

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере. Техническим результатом изобретения является создание оптического резонатора, позволяющее минимизировать массогабаритные характеристики газовых лазеров, и повышение технологичности их изготовления. Кольцевой оптический резонатор содержит систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии. Зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями. При этом зеркала расположены друг относительно друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2388123

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере.

Широкое применение в конструкциях технологических лазеров получили линейные оптические резонаторы с расположением зеркал на одной прямой, являющейся общей оптической осью зеркал (ось резонатора) (Тарасов Л.В. Лазеры и их применение. "Радио и связь", 1983). Недостатком упомянутых резонаторов являются повышенные значения массогабаритных характеристик лазерных установок, выполненных на их основе. Вызвано это тем, что проточные каналы лазера, предназначенные для прокачки газовой активной среды, имеют коробчатую форму с прямоугольным поперечным сечением. Технологичность подобной конструкции низкая, так как для высокоточной обработки каналов прямоугольной формы необходимо специальное оборудование.

Известные кольцевые оптические резонаторы обеспечивают циркуляцию светового потока по некоторому замкнутому контуру. Этого достигают, используя систему из трех (или более) зеркал, соответствующим образом расположенных друг относительно друга. (Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, стр.500). Недостатком известных кольцевых резонаторов является то, что при их применении не достигается необходимое снижение параметров массогабаритных характеристик лазерной установки.

Задачей изобретения является устранение недостатков известного кольцевого оптического резонатора и создание кольцевого резонатора, позволяющего минимизировать массогабаритные характеристики газовых лазеров, повысить технологичность их изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном кольцевом оптическом резонаторе, содержащем систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены друг относительно друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость.

Улучшить эксплуатационные свойства лазерной установки за счет

минимизации ее массогабаритных характеристик;

Снизить стоимость изготовления лазерной установки за счет повышения ее технологичности.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, фиг.2, где приведены проекции конструктивной схемы кольцевого оптического резонатора (далее по тексту - "резонатор").

На фиг.1 приведено продольное сечение Б-Б с изображением конструктивных элементов резонатора. На фиг.2 приведено (в увеличенном масштабе) поперечное сечение А-А с изображением конструктивных элементов резонатора.

Позициями обозначены:

1 - зеркало, расположенное вдоль наружной цилиндрической поверхности;

2 - зеркало, расположенное вдоль внутренней цилиндрической поверхности;

3 - система зеркал 1, 2;

4 - оптическая ось системы зеркал;

5, 6 - коаксиальные цилиндрические поверхности - наружная и внутренняя;

7 - кольцевая полость;

8 - ось коаксиальных цилиндрический поверхностей;

9 - выходное окно светового пучка лазера;

10 - излучающее отверстие (отверстия);

11 - отрезок оптической оси - направление начального возбуждения активной среды;

12 - отверстие для ввода фотонов начального возбуждения активной среды.

Стрелками "Вход", "Выход" на фиг.1 показано направление течения активной среды через кольцевую полость 7 резонатора.

Резонатор, фиг.1, 2, является составной частью лазера и предназначен для возбуждения электромагнитных волн оптического диапазона (остальные части лазера на фиг.1, 2 не изображены).

Резонатор представляет собой систему (совокупность) 3 зеркал 1, 2, расположенных вдоль поверхностей кольцевой полости 7, образованной коаксиальными цилиндрическими поверхностями 5 и 6. Зеркала 1, 2 системы 3 расположены друг относительно друга так, что образуют в сечениях А (фиг.2), перпендикулярных оси 8 коаксиальных цилиндров 5 и 6, оптическую ось 4 в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость 7.

В реальной конструкции газового лазера вдоль поверхностей кольцевой полости 7 расположены стенки корпуса лазера, образующие канал. В канале установлена система зеркал 3, вдоль которых прокачивается газ, являющийся активной средой с достигнутым состоянием инверсии (устройство для достижения состояния инверсии активной среды здесь не рассматривается).

Резонатор работает следующим образом.

Для включения резонатора в режим стационарной генерации в активной среде создается начальное возбуждение (толчок), например, в виде фотонов, испущенных через отверстие 12 вдоль отрезка 11 оптической оси резонатора (устройство для формирования начального возбуждения активной среды здесь не рассматривается).

Упомянутые фотоны, многократно отражаясь зеркалами 1, 2 системы 3, вновь и вновь проходят через активную среду по замкнутой ломаной линии оптической оси 4, вызывая нарастающую лавину актов вынужденного излучения. Процесс сопровождается потерями энергии. Потери складываются из внутренних потерь (например, из-за поглощения и рассеяния света в активной среде, зеркалах и других элементах лазера) и потерь излучения энергии через выходное окно 9. Выходное окно выполняется в виде полупрозрачного зеркала или в виде зеркала с излучающим отверстием (отверстиями) 10.

При непрерывной генерации лавинообразное нарастание мощности вынужденного излучения ограничивается нелинейными процессами в активной среде и мощностью источника накачки. В результате этих ограничений рост интенсивности волны прекращается.

Работа резонатора (обеспечивающая излучение лазера) продолжается в течение времени поддержания накачки активной среды от внешнего источника энергии.

Зеркала системы 3 могут быть выполнены или в виде набора отдельных элементов 1 (фиг.2), или в виде цельной детали - кольца, грани которого образуют зеркала 2 (фиг.2).

При необходимости изменения пространственных характеристик лазерного пучка используются известные технические средства, которые здесь не рассматриваются.

Предлагаемая конструкция резонатора может быть использована и в твердотельных лазерах.

Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты:

Уменьшить массогабаритные характеристики газового лазера за счет выполнения его проточной части осесимметричной формы вместо коробчатой. Снижение массогабаритных характеристик особенно важно для лазеров, предназначенных для размещения на транспортных средствах;

Снизить стоимость изготовления лазера за счет повышения его технологичности путем замены корпусных деталей резонатора коробчатой формы на осесимметричные.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Кольцевой оптический резонатор, содержащий систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отличающийся тем, что зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены относительно друг друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость.

Чрезвычайно важным видом лазерных резонаторов является кольцевой резонатор, в котором оптический путь лучей имеет кольцевую (рис. 5.4а) или более сложную траекторию, как, например, показанная на рис. 5.46 «сложен­ная» (англ. folded) траектория. В обоих случаях резонансные частоты кольце­вого резонатора можно определить, если наложить условие, что полное изме­нение фазы вдоль кольцевой траектории на рис. 5.4а или вдоль замкнутой траектории на рис. 5.46 (показаны сплошными линиями) должно быть кратно величине 2л. При этом легко получить соотношение для резонансных частот:

Оптический диод

Где Ьр - периметр кольца или длина замкнутой траектории на рис. 5.46, а п - целое число. Отметим, что стрелки, показывающие направления лучей на рис. 5.4, могут, вообще говоря, быть развернуты в обратную сторону. Это означает, что, например, на рис. 5.4а излучение может распространяться как по часовой стрелке, так против нее. Таким образом, в общем случае в кольцевом резонаторе образуется стоячая волна. Однако можно использо­вать некоторое устройство, обеспечивающее однонаправленное распростра­нение излучения, например только справа налево на рис. 5.4а (оптический диод, более подробно см. в разделе 7.8.2.2). Тогда в резонаторе будет сущест­вовать только волна, бегущая по часовой стрелке. Таким образом, понятия моды резонатора и резонансной частоты связаны не только со стоячими вол­нами. Отметим, что кольцевые резонаторы также могут иметь либо устойчи­вую (как на рис. 5.4), либо неустойчивую конфигурации.

Пример 5.1. Число мод в замкнутом и открытом резонаторах. Рас­смотрим Не-Ые лазер, генерирующий на длине волны X = 633 нм, с доп­плеровским контуром линии усиления шириной Ау5=1,7 109Гц. Поло­жим длину резонатора равной Ь = 50 см и рассмотрим вначале открытый резонатор. В соответствии с (5.1.3) число продольных мод, попадающих в контур усиления, равно Ыореп = 2ЬАц /с = 6. Предположим теперь, что ре­зонатор ограничен цилиндрической боковой поверхностью диаметром 2а = 3 мм. В соответствии с (2.2.16) число мод такого закрытого резонатора, попадающих в контур усиления шириной Ауо, равно МСІ08Є(І = 87іу2^Ауо / с3, где V = с/Х - частота лазера, а V = па2Ь - объем резонатора. Используя при­веденные выражения и выбранные значения параметров, легко получить, что Ыс1теа = (2па / X)2 Ыореп г 1,2 109 мод.

Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей.

В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или га­зонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спон­танным излучением многих атомов, по существу …

В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ио­низация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …



Похожие статьи