スプリットリングレゾネーター。 リングレゾネーター

コレクション出力:

共鳴積分デバイスのモデリング

アンドロシク アンドレイ・ボリソヴィッチ

ヴォロビョフ・セルゲイ・アンドレーヴィチ

博士号 技術。 科学、MGOU准教授、モスクワ

ミロヴィツカヤ・スヴェトラーナ・ドミトリエフナ

博士号 技術。 科学、MGOU准教授、モスクワ

単一共振構造、二重リング共振器、および三重リング共振器の研究が行われました。 三重共振構造の場合、リングを垂直かつ連続的に配置することが考慮されます。 これらのタイプの共振器のモデル研究の結果が考慮されます。

キーワード: リングマイクロキャビティ、集積フォトニクス、平面構造、周波数スペクトル.

集積フォトニクスの重要なタイプの導波路構造は、共鳴構造、つまりリングマイクロキャビティです。 近年、導波路および集積光学の分野の研究者にとって、それらへの関心が高まっています。 共振構造は、波フィルタリングなどの統合フォトニクス用途での使用の潜在的な候補です。 ルーティング; 切り替え; 変調; 光放射の変換、多重化、逆多重化。 実行される機能の品質を向上させるには、複数のコンポーネントの形式で共鳴構造を作成することをお勧めします。 複数の共鳴フォトニック構造により、自由周波数スペクトル、全半値幅、品質係数、感度などの基本的な光学パラメータが向上します。

集積フォトニクスの多重共振平面構造は、透明材料のミクロンフィルムに封入された、新たな有望な現象である放射線制御に基づいて開発されている。 基板、フィルム、導波路の構成を正しく選択することで、広範囲の放射線の光学変換を実行できます。 その小型サイズのおかげで、従来のバルク光学部品とは異なり、特定の場所に光学コンポーネントの高密度が実現されます。 したがって、多重共振構造は新世代の光電子システムを代表するものであり、光導波路および光導波路システムが導波路光学素子に置き換えられる。 この新しい要素グループのコンピュータ モデリングにより、根本的に新しいクラスの光学フォトニック製品の作成と製造が可能になります。

リング微小共振器のさまざまな構成はすべて、2 つのパラメータに従って分類できます。1 つは共振器の形状 (ディスク、リング、トレース、または楕円) によるものです。 相互接続図によると、つまり 導波管と共振器間のエネルギー伝達スキーム（垂直および横）に応じて。 横結合方式では、共振器と導波路は同じ材料から同じレベルで作られます。 この場合、結合は導波管と共振器の間の距離によってのみ制御されます。 縦型デザインでは、縦位置と横位置の両方で関係が制御されます。 さらに、縦型と横型の構成は製造技術（SW - シングルモード導波路、MR - 微小共振器）によって異なります。

リング共振器では、いくつかのモードが励起され、リングに沿って伝播します。 ディスク共振器により、シングルモード放射モードを維持することが可能になります。 これにより、放射の挙動と共振器の特性を制御することが容易になります。 導波管の重要な特性は結合係数です。 ディスクおよびリング共振器では結合領域が制限されているため、トラック共振器はこの領域を増やすための代替手段となります。 2 つの導波管を備えたマイクロキャビティにより、2 次共鳴により追加の放射選択が可能になります。 平面共振構造の主なタイプを図 1 に示します。

行または直列に接続されたリング共振器フィルターの合成は、導波路フォトニクスにおける緊急の問題です。 その目的は、フィルタリング、多重化、スイッチングなどの最適な特性を取得することです。主な特性には、自由周波数スペクトル (降圧ポートにおける 2 つの連続する共振ピーク間の距離)、全半値幅 (半分の信号幅) が含まれます。正規化された強度ピークの最大値）、品質係数、感度（均一および表面）、感度限界、信号の最大/最小比。

接続されたすべての共振器間の最適な相互作用により、必要なフィルター応答を実現できます。 リング共振器を2重多重接続することで、さまざまなタイプのフィルタ特性を実現できます（図2）。

マイクロキャビティ構造に基づいてフィルターまたはセンサーを作成する場合の重要なパラメーターは、自由周波数スペクトル (FSR)、つまりドロップ ポートにおける 2 つの連続するピーク間の距離 (波長スケール上) です。 このパラメータはセンサーの選択性を決定します。 したがって、2 つの連続する共振波長が互いに非常に近い場合、それらを区別することが困難になります。 したがって、自由周波数スペクトルが大きいほど、微小共振器の性能は良くなります。 数学的には、このパラメータは次のように表されます。

,

ここで、 n g はグループインデックスです。 n g =n-l(dn/dl); l - 波長; L=pRT 。

群屈折率の使用により、測定精度が向上します。 式 (1) からわかるように、自由周波数スペクトルは共振器のサイズに反比例します。つまり、大きな FSR 値を達成するには、共振器の長さを最小限に抑える必要があります。

最大ギア t max - 共振時に拒否された信号の値。 非対称の場合は次のようになります。

最小反射は、共振時に入力導波路内に残る信号パワーです。

消失比は、共振時と共振から離れた送信ポートでのパワーの比です。 たとえば、湾曲導波路を加算分解フィルタとして使用する場合、クロストークを最小限に抑えるために、共振時の信号が入力導波路から完全に抽出されることが重要です。

非対称の場合は次のように書くことができます。

グレース、Qファクター。フィネス、品質係数 (Q ファクター)、共振幅、帯域幅は、主に伝送の半値全幅 (FWHM) に関連する条件です。 FWHM 値が低いと、感度と品質係数の値が増加します。 後者はセンサーにとって特に重要です。 FWHM は、結合係数と波長が低い場合、および共振器長 L が増加するにつれて減少します。共振幅または帯域幅は、湾曲導波路の共振の FWHM として定義されます。

スループットに対する FSR の比率である猶予は、無次元の量です。 角度スケールでの FWHM の式は次のように記述できます。

Finesse F はスループットと密接に関係しており、FSR とスループットの比率として定義されます。

,

隣接する共振ピークと動作中の共振ピークのより低いレベルへの移行を区別できるように、理想的には高くなければならない FSR と理想的には低くなければならない FWHM の間のバランスを維持することが非常に重要です。 したがって、F 値が高いほど、感度と選択性の性能が向上します。 式 (8) から、F は内部損失と結合に依存することがわかります。 共振器の外部損失。 総損失の合計が高くなるほど、共振器の F は低くなります。 より高い F 値を得るには内部損失と外部損失の両方を減らすことがほとんどの場合有利ですが、結合による外部損失は避けられず、光フィルターとして動作する共振器にとって小さすぎることはできません。 外部損失が内部損失よりも小さい場合、すべての過渡電力が共振器内で失われます。 これらの結合のため、リング共振器は厳密に結合された導波路を使用して、非常に小さな半径の導波路の曲がりでの半径損失を最小限に抑える必要があります。

もう 1 つの密接に関連するパラメータは品質係数 (Q 係数) です。これは、共鳴 (ピーク) 波長とピークの FWHM の比として定義されます。

,

品質係数の値はセンサーにとって非常に重要です。 品質係数が高いほど、共鳴波長シフト法を使用するセンサーのセンサー パラメーターは優れています。 強度変動法を実装する場合は、低い値の品質係数が必要です。 高い品質係数を達成するには、結合が非常に低く、損失が最小限に抑えられ、FWHM が低く、半径が大きい必要があります。 善良さと恵みには次のような関係があります。

,

実用的な観点から見ると、Q ファクターはピークの直接の絶対幅を特徴付けるため興味深いものです。 品質係数は共振器の物理的なサイズに関連しているため、異なる共振器を比較する場合は、グレース パラメータを使用する方が便利です。

フィールド強化。リング共振器の興味深い特徴の 1 つは、共振時にリング共振器内に生成される高い電界強度です。 フィールド ゲイン FE は、リング内のフィールドの振幅と入力バス導波路内の振幅の比です。

,

リング内のフィールドは均一ではないため、フィールド ゲインは通常、入力スプリッターの直後に選択されます。 良好なリングの場合、損失は非常に低く、結合係数は通常それほど高くないため、リング内の磁場は実質的に一定であると想定されます。

内部共振挿入損失。 これらは、信号がリングに送信されるときにポートで発生する損失です。 これらの損失をできるだけ小さくすることが必要です。そうすれば、共振信号からの送信は干渉なく行われます。

線の形状 (フォームファクター)。単一のマイクロリング共振器のパルス形状は、多くの場合、次の形式のローレンツ関数によってモデル化されます。

,

ローレンツ パルス形状は 1 次近似であり、低損失の共振器には非常に便利です。

フィルタとして使用されるチャネルの図を図 3 に示します。 第 1 段階では、リング共振器を介して接続された 2 つの平面導波路からなる光選択システムの電磁場の分布と過渡応答の研究が行われます。 入力信号にリング素子の共振となる搬送波波長が含まれている場合、その信号は出力導波路に結合されます。 さまざまな波長での入力強度に対する送信信号と分岐信号の強度の比 (透過係数) と、この比の時間依存性が、選択要素の最も重要な特性を決定します。

図3.模擬導波路システムの断面の幾何学的特徴

リング共振器と導波路間の距離 (入力導波路と出力導波路で同じであると仮定します) は、各導波路要素がもう一方の漏洩波のフィールド内に収まるように十分に小さくなければなりません。 たとえば、光信号が入力導波路に沿って伝播するとき（その漏れ波がリング共振器の波と重なる場合）、漏れ波によって運ばれるエネルギーの一部は、共振器によって制限された波に転送されます。 共振器に分岐されるエネルギーの量は、導波路要素間の距離と電磁場の有効交換領域の長さに依存します。 材料の伝播定数と屈折率も接続の程度に影響します。

特定の波長の光パワーを局所的に増加させる円形マイクロキャビティのモデルを図 4 に示します。 この機能については次のように説明します。 共振器と導波路は互いに近接しており、入ってくるエネルギーの一部が共振器に入ります。 この遷移は方向性結合として知られています。 微小共振器では、このエネルギーの一部は共振器の円周に沿って方向付けられ、完全に回転した後、導波路の入力磁界と干渉します。 共振周波数では、光路長が有効波長の倍数である場合、共振器内の干渉が強くなります。 この建設的な干渉は電磁場の増加をもたらし、それに応じて共振器内の電力の増加を引き起こす可能性があります。 この単一の円形マイクロキャビティでは、リングの円周は次のようになります。 L(L=2nR; 半径- R)、結合係数 - k . リング減衰強度係数 a . 波数は k n です。

図 4. 単一の円形共振器

共振器と誘電体導波管の間の電力挙動の研究が与えられています。 提案されたモデルは、共振器の磁場と導波路の間の接続を示しています。 共振器内の場の電気成分と磁気成分は、伝播モードの場の個々の振幅の合計です。

透過電界と偏向電界の比率は次のように記述できます。

ここで、k n =(2pn eff)/l そして g は方向性結合器の強度損失係数を示し、n eff は実効屈折率を示します。

これらの方程式を使用して、磁場比を計算できます。 Et/Ei:

次のパラメータを入力することをお勧めします。

出力ポートの強度比は次の形式になります。

単一リング共振器の透過スペクトルを図 5 に示します。 伝達特性の最大値と最小値は、依存関係を使用して計算されました。

半値全幅 (FWHM または 3 dB 帯域幅)

および共鳴器の猶予パラメータ F の形式は次のとおりです。

パラメータ F はフィルタの測定特性です。 式 (18) の共振点 T min は次のように決定されます。

信号入力と出力用に 2 つの結合導波管を備えた単一の円形共振器を図 6 に示します。

以下の計算では通信損失は考慮されていません。つまり、仮定 (D 2 = 1) が考慮されています。

2 つの結合導波管と、両方の対称結合導波管の結合係数 k 1 =k 2 =0.2 を備えた単一リング共振器のフィルター応答を図 6 に示します。リング内の損失は完全に補償されていると仮定します (a = 0)。 ）。

最大透過率と最小透過率は次のように計算されます。 パスポート用

結果ポートの場合

結果の入出力比は次のようになります。

スループットポートの出力Ｉ t 1 における放射強度は、共振時（ｋ ｎ Ｌ＝２ｍｐ）ではゼロである。 これは、ａ＝０における同一の対称同方向性結合器ｋ １ ＝ｋ ２ について、共振波長が共振器によって完全に出力されることを示している。 意味 a=0 は、リング共振器内に選択増幅器を導入して導波路損失を補償することによってのみ達成できます。 完全受動型のリング共振器では、強度減衰係数αの値は一定値である。 スループットポートの出力Ｉ t 1 における伝達関数の共振時に最小強度（Ｉ t 1 ／Ｉ i 1 ＝０）を達成する可能性は、結合係数ｋ 1 、ｋ 2 の正しい比を取得することによって達成される。と強度減衰係数a。

図 6. シングルリング共振器とダブルリング共振器

ダブルリング共振器。ダブルリング共振器の回路を図 6 に示します。入力フィールド E i 1 はポート 1 に接続されます。出力フィールドはパス E t 1 で取得されます。 または、結果として得られるポート E t 2 にあります。 別の入力フィールド E i 2 デバイス追加ポートに埋め込むことができます .

上で説明した計算モデルは、均一な屈折率共振器を備えたデバイスによく適しています。 モデル化するときは、アクティブセクションの形成条件、局所加熱による共振器の一部の屈折率の変化、アクティブゾーンからパッシブゾーンへの移行中の境界での損失を考慮する必要があります。直線導波管と導波管の曲線部分、各セグメントの通信損失と材料損失。 これらの特定の詳細について計算を実行するには、リング共振器構成全体を二重リング共振器の異なるセグメントに分割する必要があります (図 6)。 各セグメント内を伝播する電磁波の電場は、次の方程式で記述されます。

ここで、EA は電場の振幅、segment は強度減衰係数です。

ダブルリング共振器を使用すると、自由周波数スペクトルをシングルリング共振器の周波数の合計よりも小さい周波数に伝播することができます。 これは、二重リング共振器で異なる半径を選択することによって実現されます。 異なる半径の場合、2 つのシングル リング共振器の共振条件が満たされていれば、ダブル リング共振器を通過する放射は減衰ポートから発射されます。 2 つの異なる半径を持つ二重リング共振器の自由周波数スペクトルは次のように記述できます。

ここで、N と M は自然数であり、互いに素な数です。 伝達関数は結合係数に大きく依存します。 共振ピークとスプリアス共振ピークの間のクロストークを特徴づけます。

異なる半径を持つ二重リング共振器を使用すると、単一リング共振器の場合と比較して、より大きな自由周波数スペクトルを取得できる可能性が広がります。 スループットポートの伝達特性は基本的にローレンツ形状になります。 一般化フィルタの応答は、2 つの並列接続されたダブル リング フィルタ (R1≠R 2) を使用して実現できます。 .

フィルター応答の上部に平面を作成するには、次の使用をお勧めします。 三重リング共振器スループットと結果ポートの形状係数とオン/オフ比を高めるため。 結合係数 κ 0-3 特定のオン/オフ比と、結果として得られるポートの形状係数 0.6 について計算できます。 最も単純なケースでは、対称通信の場合の係数が使用されます、k 0 =k 3 そして、ｋ １ ＝ｋ ２ である。

外部結合の結合係数 k 0 =k 3 =0.7、損失補償付きの中央の内部結合の結合係数 k 1 =k 2 =0.2 (a セグメント =0) を持つ三重リング共振器構成の伝達特性を図に示します。 ６． 100 GHz のチャネル間隔を達成するために、R=134 μm のリング半径が選択されました。 全屈折率３．４６。 オン/オフ比30dB。 拒絶帯の外側では、急激な低下と急激な上昇が発生します。 このようなフィルタと３０ｄＢを超えるオン／オフ比を実装するための可能な解決策は、ｋ ０ ＝ｋ ３ ＝０．６５～０．７の範囲の結合係数を有する無損失共振器に対して達成される。 外部通信の場合はｋ １ ＝ｋ ２ ＝０．１８～０．２６、中央ゾーンでの通信の場合。

並列接続された三重リング共振器の計算モデルを図 6 に示します。 伝達特性は、直線状に配置された単一リング共振器について計算されます。 主な構成要素は、円半径 R=117 μm、結合ゾーンの長さ 200 μm、直接ゾーン 11 および 15 の長さ 300 μm の単一リング共振器で構成されます。三重リング共振器の損失と、すべてのセグメントの屈折率の一定性（物理的分散と導波路分散を決定します）。 共振器間の距離は S9+10+11+12+S13 で、共振器の円の半分に相当します。 スループットポートと結果ポートの応答を図 7 に示します。 リング共振器は位相ロックされています。

図 7. トリプルリング共振器

この設計の形状係数は 0.18 です。 各単一リング共振器の共振周波数をわずかにシフトすることにより、平坦な帯域幅応答を得ることができます。 共振周波数からのこの制御された偏差により、光波長チャネル多重化システムに必要なフラットトップ バンドパス光フィルターの実装が可能になります。

2 つの入力/出力導波路を持つ単一リング共振器の線形直列を使用した光フィルターの合成については、「」で説明されています。 一連の 9 つの無損失リング共振器要素の計算された透過スペクトルは「並列接続された単一リング共振器間の距離とフィルター形状への影響は理論的に研究されています」に示されています。

フィルタの振幅周波数応答を実装するには、高フォームファクタ (0.5 ～ 0.6) が必要ですが、最も便利な構成は、直列接続されたトリプル リング共振器です。 この場合のフィルター応答は、主に結合係数の正確な選択によって決まります。 フェーズは両方の構成で選択する必要があります。 並列接続されたトリプル リング共振器の利点は、FSR を増幅できることです。 これは、最小のリング半径を選択することによって、直列接続構成の場合にのみ達成可能です。

リング共振器構成の動作を説明するための数学的ツールが導出されました。 これらの無損失シミュレーション構造の実装は、アクティブ構造を取得したり、パッシブ デバイスとアクティブ デバイスを統合したりするために、直接バンドギャップ半導体材料に基づいている必要があります。

参考文献:

1.アンドロシク A.B.、ヴォロビエフ S.A.、ミロビツカヤ S.D. 導波路フォトニクスの基礎 - M.: MGOU、2009。

2.アンドロシクA.B.、ヴォロビエフS.A.、ミロビツカヤS.D. 導波路フォトニクスの数学的基礎 - M.: MGOU、2010。

3.アンドロシクA.B.、ヴォロビエフS.A.、ミロビツカヤS.D. 導波路と集積フォトニクス - M.: MGOU、2011。

4.Y.H.を噛む 他。 増幅型ファイバーリング共振器を使用したフィネス調整可能な光フィルター。 IEEE J. ライトウェーブ テクノロジー、vol. 15、いいえ。 2、pp. 364-370、1997。

5.チンM.K. 他。 レーストラック共振器をベースにした GaAs マイクロキャビティ チャネルドロップ フィルタ。 IEEEフォトン。 テクノロジー。 Lett.、vol. 11、いいえ。 12、pp. 1620～1622年、1999年。

6. Griffel G. リング共振器アレイを使用した光フィルターの合成。 IEEE Photon/Technol.Lett. 12(7)、810-812、2000。

7.クランダーD.J.W. 他。 空気とポリマークラッドを備えた微小共振器の実験的および数値的研究。 光波技術ジャーナル、21(4):1099–1110、2003。

8.マドセン C.K. と趙 J.H. 一般的な平面導波路自己回帰光学フィルター。 IEEE J. ライトウェーブ テクノロジー、vol. 14、いいえ。 3、pp. 437-447、1996年。

9.マルカティリ E.A.J. 集積光学用誘電体方形導波路および方向性結合器、ベルシステム 技術。 Ｊ．、ｖｏｌ． 48、pp. 2071 ～ 2101 年、1969 年。

10.Weiershausen W. および Zengerle R. 周波数選択コンポーネントとして使用されるリング共振器に基づくフォトニック ハイウェイ スイッチ。 応用 オプション、vol. 35、いいえ。 30、pp. 5967-5978、1996年。

11.Yariv A. 微小共振器と誘電体導波路間の光パワーの結合に関する普遍的な関係。 エレクトロニクスレター、36:321–322、2000。


H 0 ストリッピングの効率を高めるために、内部に周波数変換器を組み込んだリング共振器を使用して、第 3 高調波 (355 nm) のレーザー放射を生成することが提案されています。 磁場中でストリッピングする前に H 0 を予備励起するには、波長 355 nm のパルス放射が必要です。 パルス持続時間はバンチの長さと一致し、50 ps を超えてはなりません。 リング共振器の周囲は、非線形結晶の光学長を考慮すると、バンチ繰り返し周波数 H 0 (402.5 MHz) に対応します。 リング共振器の主な要件 (最適化の主なパラメータ) は、固定パルス電力 (少なくとも 1 MW) における共振器の最大品質係数です。 達成される共振器の品質係数が高くなるほど、第 3 高調波の生成に必要なパルス繰り返し周波数が低くなり、必要な平均ポンプ レーザー パワーも低くなります。 リング共振器内で 3 次高調波を生成するには 2 つの可能なオプションがあります。

オプション1: 波長 1064 nm のパルスレーザーの第 1 (基本) 高調波のみがリング共振器に導入されます。 この場合、リング共振器内に 2 つの非線形光学結晶が配置されます。1 つは放射の 2 次高調波 (532 nm) の生成用で、2 つ目の結晶は 3 次高調波の生成用です。 オプション 1 の図を図 1 に示します。 キャビティ内の損失を最小限に抑えるために、3 つのミラーすべてに 3 次高調波に対してのみ可能な限り最高の反射係数を備えた反射コーティングが施されている必要があり、非線形結晶の光学表面は 3 バンドの反射防止コーティングでコーティングされている必要があります。 この反射防止コーティングは、放射の 3 つの高調波すべてに対して最小限の反射率を提供する必要があります。

図1 2次および3次高調波を生成する2つの非線形結晶を備えたリング共振器。


キャビティ内を循環する放射線の安定性は、2 つの球面凹面鏡によって確保されます。 非線形結晶は、放射の角度発散が最小となるリング共振器の部分に配置されます。

オプション-2図2に示します。 基本波と 2 次高調波はリング共振器に導入され、共振器内の非線形結晶で 3 次高調波に加算されます。 光学面の要件はオプション 1 と同じです。 唯一の違いは、2 番目の非線形結晶がないことと、同じ繰り返し周波数 (402.5 MHz) が必要なため、リング共振器のアームの長さです。

図2 3次高調波を生成する1つの非線形結晶を備えたリング共振器。


オプション 1 は、オプション 2 と比較して、リング共振器に放射線を導入するためのより単純なスキームを備えています。 ただし、このオプションは、共振器内に追加の 2 つの光学面が導入され、吸収係数が 1 センチメートルあたり最大 1% である非線形光学媒質内の光路長が長くなるため、予想される損失の点でオプション 2 よりも悪くなります。パス。 オプション 2 には、もう 1 つの利点があります。結晶は H 0 ビームからより離れたところに配置されるため、放射線被ばくが少なくなります。

表 1 と表 2 は、それぞれ長さ 25 mm の VBO-E 結晶を使用した場合の、オプション 1 とオプション 2 の光学素子のパラメーターを示しています。 レーザー ビームに沿った三角形の角度は次のとおりです: 113 0、22 0、45 0。 最初の角度は 113 ° に等しく、使用される入力ウィンドウの材料が VK7 (または K8) であると仮定して、ブラッグ角に近い入射角を持つことを考慮して選択されました。 2 番目の 2 つの角度は、H 0 ビームからの結晶の最大距離と、焦点および H 0 バンチとの合流点における垂直方向と水平方向の寸法の必要な比率、および許容可能な収差を考慮して選択されました。 各オプションの光路長は同じで、744.8 mm です。 両方のバージョンの凹面球面ミラーの曲率半径の最適化は、各ラウンドでのビーム サイズのビートを排除するために実行されました。 光学設計で曲率半径の異なる球面ミラーを使用すると、寸法振れを排除できるだけでなく、焦点を球面ミラー間の正確な中央に配置することができます。


表1

N

曲率半径(mm)

厚さ(mm)

口径(mm)

材料

コーティング

1

∞/∞

5

50

VK7

AR(1064)/HR(355)

2

−

252.85

−

−

−

3

326.5/∞

5

25

VK7

HR(355)/AR(1064+532)

4

−

329.15

−

−

−

5

326.5/∞

5

25

VK7

HR(355)/AR(1064+532)

6

−

133.95

−

−

−

7

∞/∞

25

8x8

VVO-E、SHG

AR/AR (1064+532+355)

8

∞/∞

25

8x8

VVO-E、THG

AR/AR (1064+532+355)

* SHG、THG – それぞれ第 2 および第 3 高調波を生成する非線形光学結晶。

** 1 番目と 2 番目 (下流) の光学面のパラメータとコーティングは斜線で区切られています。
表2


N

曲率半径(mm)

厚さ(mm)

口径(mm)

材料

コーティング

1

∞/∞

5

50

VK7

AR(1064+532)/HR(355)

2

−

257.94

−

−

−

3

333/∞

5

25

VK7

HR(355)/AR(1064+532)

4

−

335.78

−

−

−

5

333/∞

5

25

VK7

HR(355)/AR(1064+532)

6

−

136.65

−

−

−

7

∞/∞

25

8x8

VVO-E、THG

AR/AR (1064+532+355)

∞/∞

25

8x8

VVO-E、SHG

AR/AR (1064+532)

* 表の最後の光学素子はリング共振器の外側にあります。

レーザーパラメータ仕様測定技術:


波長=355nm（目視確認）
エネルギー = 30 μJ、160-180 mJ (4025 パルス)、40 μJ (マイクロパルス)
パルス幅 = 10 ms (μs???) (オシロスコープでは 10 ms で測定)
マイクロパルス幅 = 70 ps IR、 = 50 ps UV(IRパルス波形の時間プロファイルを測定する自己相関器 - フラットエンベロープ)
オシロスコープで 10 ms で測定。 マイクロパルスはカルマーで測定されます。
ビーム直径 ~5mm (紙の燃焼測定空間プロファイル)
ビームコード測定1064および355
ビーム発散？ （紙焼け測定）
繰り返しレート = 10 Hz/402.5 MHz
オシロスコープのショット間の安定性 = パルスエンベロープの 3% RMS。
355nmで100ショットから 時間ジッター = 8ps(Calmar ショット間の安定性によって測定されます)
148.8mJ～174.6mJ（1000発時）（変動2.6％）
水 - 2 対の入口/出口
電源 - 単相、220V、30 A (コネクタ 2 個)
寸法: 7フィート (長さ) x 2フィート (幅) x 1フィート (高さ)

リング共振器は、システム全体を通過したレーザー光がそれ自体で閉じた共振器です。 リング共振器には、互いに角度を付けて配置された 3 つ以上のミラーが含まれています。 図の例として 図 2.13 に 4 ミラー共振器の光学図を示します。

米。 2.13. 4 ミラーリング共振器の光学設計 (ミラー M 1、M 2、および M 3 は高密度、ミラー M 4 は半透明)

平坦な光軸輪郭（平面共振器）と非平面の光軸輪郭（非平面共振器）の両方を備えたリング共振器があります。 リング共振器の主な特徴は、そのモードが進行波であることです。そのため、リング共振器は進行波共振器と呼ばれます。 この場合、すべてのモードは、実質的に相互作用しない逆伝播波の 2 つのグループを構成します。

リング共振器を説明するには、その偏光特性を考慮する必要があります。 このような共振器には常に異方性要素が含まれており、ビームの偏光が連続的に変化します。 このような要素の最も単純な例は、電磁波を斜めに入射する多層誘電体ミラーです。 レーザービームの偏光特性を研究することで、

異なる偏波のモード間のスペクトル距離、逆伝播モードなどを見つけます。

平面リング共振器の固有振動は、光が通過する個々の光学素子の行列の積である ABCD マトリックス法を使用して計算すると便利です (付録 1 を参照)。 平面リング共振器の共振周波数は次の関係によって決まります。

. (2.26)

ここで、a は正方形の辺、R は共振器を形成するミラーの曲率半径です。

2. 正三角形の頂点に位置する 3 つの同一のミラーによって形成される共振器のスペクトルは、次の関係によって決まります。

(2q − n) +

n+1/2

m+1/2

ここで –

三角形の辺 R –

ミラーの曲率半径。

レーザー技術でリング共振器を使用する場合の主な問題は、逆方向に伝播する波間の相互作用が減少することです。 これを行うには、可能であれば、非相反異方性要素を使用して、逆方向に伝播する波を周波数で分離し、偏光を直交させようとします。

非平面共振器の理論は、平面共振器の理論よりもはるかに複雑で未開発ですが、その特性は実用的な観点から非常に魅力的です。 このトピックについては、この作品では説明しません。

2.3.5. レーザーキャビティ内のポンプエネルギー変換効率

レーザー共振器の主な要件の 1 つは、励起された AS に蓄積されたエネルギーをレーザー放射エネルギーに変換する効率が高いことです。 これを達成するには、次の条件を満たす必要があります。

1) 共振器ミラーの寸法と配置を選択して、ボリューム全体が AS はレーザー放射で均一に満たされました。

2) 吸収係数を最適化する T と共振器ミラーの反射 R。 これらの量によって、共振器内で発生する損失が決まります。

で 理想的なケースでは、単位体積から可能な最大のエネルギー除去 AS は、レーザー放射束密度 (ρ、光子数 cm-2 s-1)、つまり単位時間当たり AS 体積内で生成される光子によって決定されます。 ただし、AS 内で発生する光子束は

と 上位レベルから下位レベルへの移行には、自発的と強制の 2 つの方法があります。 次に、強制遷移の光子の一部は共振器内で吸収され（有害な損失）、その一部は有用なレーザー放射の形で出てきます。 これらの考慮事項に従って、エネルギー変換効率の式は、次の 2 つの要素の積として表すことができます。

η = (1 − ρ1 )(1 − ρ2 ) 、

ここで、ρ1 と ρ2 は自然放出および誘導放出における光子密度です。

したがって、共振器内のすべての要素と放射損失を考慮してマルチモード レーザー発振のエネルギー変換効率を評価すると、共振器の多くのコンポーネントと幾何学的要素に依存する次のような式が得られます。

k ус 0 − σ0 − ln(1 / R ) / 2L

ln(1/R)

ln(1 / R ) + 2σ

ここで、k 0 ac は媒体内の放射線増幅率です。 σ0 –

係数

共振器内での有害な損失。 α = τ/A –

非線形係数; τ –

励起状態の自然減衰の時間。 A -

係数

逆母集団と k 0 us の間の比例関係。 L – 共振器の長さ。 R は共振器出力ミラーの反射係数です。 Pナック。 – ポンピングパワー。

シングルモードレーザー発振の場合のレーザー効率の計算状況はより複雑であることがわかりますが、式 (2.29) は、自然放出の割合が減少すると同時に、共振器パラメーターを最適化する方法を示しています。レーザー出力パワーの割合が増加します。

本発明はレーザ技術に関し、主にガスレーザでの使用を目的としている。 本発明の技術的成果は、ガスレーザーの重量およびサイズ特性を最小限に抑え、製造の容易性を高めることを可能にする光共振器の作成である。 リング光共振器には、閉じた破線の形で光軸を形成するミラー システムが含まれています。 システムのミラーは、円筒状の同軸表面によって形成された環状キャビティの表面に沿って設置されます。 この場合、ミラーは、同軸円筒面の軸に垂直な断面において、セグメントが交差する閉じた破線の形の光軸を形成するように相互に配置される。環状空洞。 2 病気。

RF 特許 2388123 の図面

本発明はレーザ技術に関し、主にガスレーザでの使用を目的としている。

ミラーの共通光軸 (共振器軸) である 1 つの直線上に配置されたミラーを備えた線形光共振器 (Tarasov L.V. Lasers and their application. "Radio and Communications", 1983) は、技術的な設計で広く使用されるようになりました。レーザー。 前述の共振器の欠点は、それらに基づいて作成されたレーザー システムの重量とサイズが増加するという特性です。 これは、ガス状の活性媒体をポンピングすることを目的としたレーザー流路が、長方形の断面を有する箱型であるという事実によるものである。 長方形のチャネルを高精度に加工するには特別な装置が必要となるため、このような設計の製造可能性は低くなります。

既知のリング光共振器は、特定の閉回路に沿って光束を循環させる。 これは、相互に適切に配置された 3 つ (またはそれ以上) のミラーのシステムを使用することによって実現されます。 (物理百科事典。M.: ソビエト百科事典、1983 年、500 ページ)。 既知のリング共振器の欠点は、それらを使用しても、レーザ装置の重量およびサイズ特性のパラメータの必要な削減が達成できないことである。

本発明の目的は、既知のリング光共振器の欠点を解消し、ガスレーザの重量およびサイズ特性を最小限に抑え、製造の容易性を高めることができるリング共振器を作成することである。

この課題は、閉じた破線の形で光軸を形成するミラーシステムを含む提案されたリング光共振器において、システムのミラーが円筒状の同軸によって形成された環状キャビティの表面に沿って設置されるという事実によって達成される。一方、ミラーは、同軸円筒面の軸に垂直な断面を形成するように相互に配置され、光軸は閉じた破線の形であり、そのセグメントは環状キャビティと交差する。

レーザーシステムの動作特性を改善する

重量とサイズの特性を最小限に抑える。

レーザー システムの製造可能性を高めることで、レーザー システムの製造コストを削減します。

本発明の本質は、リング光共振器（以下、「共振器」という）の設計図の投影図を示す図１、図２に示されている。

図 1 は、共振器の構造要素の縦断面図 BB を示しています。 図２は、共振器の構造要素を示す断面Ａ−Ａ（拡大スケール）を示す。

位置は次のように指定されます。

1 - 外側の円筒面に沿って配置されたミラー。

2 - 円筒内面に沿って配置されたミラー。

3 - ミラーシステム 1、2;

4 - ミラーシステムの光軸。

5、6 - 同軸円筒面 - 外部および内部。

7 - 環状空洞。

8 - 同軸円筒面の軸。

9 - レーザー光線の出力ウィンドウ。

10 - 放出ホール。

11 - 光軸のセグメント - 活性媒体の初期励起の方向。

12 - 活性媒体の初期励起の光子を入力するための穴。

図１の矢印「入力」および「出力」は、共振器の環状キャビティ７を通る活性媒体の流れの方向を示す。

共振器（図 1、2）はレーザーの一体部分であり、光学範囲の電磁波を励起するように設計されています（レーザーの残りの部分は図 1、2 には示されていません）。

共振器は、同軸円筒面５および６によって形成される環状キャビティ７の表面に沿って配置された３つのミラー１、２からなるシステム（セット）である。システム３のミラー１、２は、以下のような関係で配置される。断面Ａ（図２）は、同軸円筒５および６の軸８に垂直であり、光軸４は閉じた破線の形であり、そのセグメントは環状キャビティ７と交差する。

実際のガスレーザーの設計では、レーザーハウジングの壁は環状キャビティ７の表面に沿って配置され、チャネルを形成する。 ミラーシステム３がチャネル内に設置され、それに沿って反転状態が達成された活性媒体であるガスがポンピングされる（活性媒体の反転状態を達成するための装置はここでは考慮されない）。

共振器は次のように動作します。

共振器を定常レーザ発振モードに切り替えるために、例えば、共振器の光軸のセグメント１１に沿って穴１２を通って放出される光子の形で、初期励起（プッシュ）が活性媒体内に生成される（形成装置）。活性媒体の初期励起はここでは考慮されません)。

システム３のミラー１、２によって繰り返し反射された前述の光子は、光軸４の閉じた破線に沿って活性媒体を何度も通過し、誘導放出作用の雪崩を増大させる。 このプロセスにはエネルギーの損失が伴います。 損失は​​、内部損失 (たとえば、活性媒体、ミラー、およびレーザーの他の要素における光の吸収と散乱による) および出力窓 9 を通るエネルギー放射損失で構成されます。出力窓は、半透明の鏡、または放射穴（穴）を備えた鏡の形） 10.

連続レーザー発振中、誘導放出パワーの雪崩のような増加は、活性媒体内の非線形プロセスとポンプ源のパワーによって制限されます。 これらの制限の結果、波の強度の増加は止まります。

共振器の動作（レーザー放射の提供）は、外部エネルギー源からの活性媒体のポンピングを維持している間継続します。

システム３のミラーは、一連の個々の要素１（図２）の形、またはエッジがミラー２（図２）を形成する固体部分、つまりリングの形で作成することができる。

レーザービームの空間特性を変更する必要がある場合は、よく知られた技術的手段が使用されますが、ここでは説明しません。

提案された共振器設計は固体レーザーにも使用できます。

提案された発明を実施する際に上記の必須の特徴を組み合わせることで、次の技術的結果を得ることが可能になります。

ガスレーザーの流れ部分を箱型ではなく軸対称にすることで、ガスレーザーの重量とサイズ特性を軽減します。 車両に搭載することを目的としたレーザーでは、重量とサイズの特性を軽減することが特に重要です。

箱型の共振器ハウジング部品を軸対称のものに置き換えて製造性を高め、レーザ製造コストを削減します。

請求

閉じた破線の形で光軸を形成するミラーのシステムを含むリング光共振器であって、システムのミラーが円筒状の同軸表面によって形成される環状キャビティの表面に沿って設置され、ミラーが配置されることを特徴とするリング光共振器。それらは、軸に垂直な断面で同軸の円筒面を形成し、光軸は閉じた破線の形を形成し、そのセグメントは環状空洞と交差する。

非常に重要なタイプのレーザー共振器はリング共振器です。リング共振器では、光線の光路がリング (図 5.4a)、または図 5.4a に示すようなより複雑な軌道を持ちます。 5.46「折り畳まれた」軌道。 どちらの場合も、リング共振器の共振周波数は、図のリング経路に沿って全体の位相が変化するという条件を課すことによって決定できます。 5.4a、または図の閉じた軌道に沿って。 5.46 (実線で表示) は 2l の倍数でなければなりません。 この場合、共振周波数の関係を得るのは簡単です。

光ダイオード

ここで、Lp はリングの周囲長、または図の閉じた軌道の長さです。 5.46、n は整数です。 図中の光線の方向を示す矢印に注意してください。 5.4 は、一般的に、反対方向に回転できます。 これは、たとえば図のようなことを意味します。 5.4a 放射線は時計回りと反時計回りの両方に伝播します。 したがって、一般の場合、リング共振器内には定在波が形成されます。 ただし、放射線の一方向伝播を提供するデバイスを使用することもできます。たとえば、図の右から左へのみ伝播することができます。 5.4a (光ダイオード、詳細についてはセクション 7.8.2.2 を参照)。 その場合、共振器内には時計回りに進む波だけが存在することになります。 したがって、共振器モードと共振周波数の概念は定在波だけに関連しているわけではありません。 リング共振器も、安定した構成 (図 5.4 のように) または不安定な構成を持つ可能性があることに注意してください。

例5.1。 閉じた共振器と開いた共振器のモードの数。 波長 X = 633 nm、幅 Ау5 = 1.7 109 Hz のドップラー増幅線輪郭で生成される He-H レーザーを考えてみましょう。 共振器の長さを b = 50 cm に設定し、最初に開放共振器を考えてみましょう。 (5.1.3) によれば、増幅回路に入る縦モードの数は Toren = 2bAc/c = 6 に等しくなります。 ここで、共振器が直径 2a = 3 の円筒側面によって制限されていると仮定しましょう。んん。 (2.2.16) によれば、幅 Ауо の増幅回路に入るこのような閉じた共振器のモードの数は MCІ08Є(І = 87іу2^Ауо / с3、ここで V = с/Х はレーザー周波数、 V = na2b は共鳴器の体積です。与えられた式と選択したパラメーター値を使用すると、Lis1tea = (2na / X)2 Liorep g 1.2 109 mod を簡単に取得できます。

金属彫刻は専門的な機器を使用して行われます。 非常に詳細な彫刻がギフトや記念品の装飾に使用されます。

このセクションでは、従来のランプ (白熱灯またはガス入りランプ) によって放射される光のコヒーレント特性について簡単に説明します。 この場合の光は多くの原子の自然放出によるものなので、本質的には...

放電の体積内で粒子が電子と衝突する結果、電子とイオンが常に生成されます。 衝突イオン化は、放電中に存在するホットエレクトロン、つまりエネルギーがより大きいホットエレクトロンによって実行されます。



類似記事