РАЗДЕЛ 2
Квазиоптические волноводные резонаторы
субмиллиметровых лазеров
2.1. Методы селекции поперечных мод лазерных резонаторов. Обзор литературы
С применением оптической накачки в СММ молекулярных лазерах появилась
возможность построения их резонаторов на основе сверхразмерных металлических
волноводов. В диапазоне длин волн l > 0,4 мм моды генерации СММ лазеров на
основе металлических волноводов достаточно хорошо изучены [1, 38].
Пространственная структура поля в резонаторе задается собственными волнами
волновода или их суперпозицией. В коротковолновой части рабочего диапазона
(l<0,4 мм) большое число мод имеют потери в волноводе пренебрежительно малые по
сравнению с потерями в других элементах резонатора. В этой связи задача
селекции поперечных мод представляется актуальной.
Теоретически и экспериментально поперечные моды лазера исследованы в [87] для
устойчивого резонатора с использованием круглого полого стеклянного волновода в
качестве селектирующего элемента. Показано что капилярный резонатор имеет
следующие преимущества над резонатором с размещенной внутри диафрагмой: низкие
потери основной поперечной моды; высокая степень модовой селекции.
Экспериментально на Nd:YAG-лазере установлено что при диаметре капиляра 0,64 мм
достигается максимальная разность потерь между модами ЕН11 и ЕН12, при этом
потери моды ЕН11 очень малы и её мощность в одномодовом режиме составляет 70%
от мощности в многомодовом режиме.
Самый простой метод, чтобы выборочно ослабить определенные части распределения
интенсивности мод и таким образом провести их селекцию, состоит в том, чтобы
поместить амплитудные поглощающие элементы типа проволочных сеток в лазерный
резонатор. Впервые такой подход для селекции поперечных мод был представлен в
[88], где описано выделение Лагерр-Гауссовых мод введением металлических
проволочек в резонатор и изменением размера его зеркал. Аналогичный подход был
применен для выделения Эрмит-Гауссовых мод высшего порядка в [89]. Однако такие
элементы вносят потери на поглощение и нагреваются, поэтому они относительно
неэффективны.
Более высокая эффективность может быть получена с непоглощающими фазовыми
элементами, которые вносят требуемые потери благодаря процессам дифракции и
интерференции излучения на них. Авторы [90] заменили поглощающие проволочки
фазосдвигающими масками для того, чтобы выделить поперечные моды высокого
порядка. Фазовые маски были изготовлены так, чтобы ввести фазовый сдвиг порядка
p вдоль узловых линий требуемой моды, в то же время в другие пространственные
области излучения моды фазовый сдвиг не вводился. Такие фазовые маски приводят
к относительно низким энергетическим потерям для требуемой моды и к высоким
потерям для других мод. Кроме того, в этом случае достигается более высокая
модовая селекция по сравнению со случаем введения поглощающих проволочек в
резонатор.
Другие и более общие бинарные фазовые элементы, удобные для выделения только
одной требуемой поперечной моды высшего порядка, были предложены в [91]. В
резонатор Nd:YAG-лазера для выделения моды ТЕМ02 и в резонатор CO2-лазера для
выделения моды ТЕМ01 были введены бинарные дискретные фазовые элементы (ДФЭ)
рассчитанные так, чтобы подбором их фазового профиля выборочно изменять фазу
требуемой моды. Поскольку ДФЭ имеют определенное фазовое распределение с
резкими границами, их введение в лазерный резонатор приводит к минимальным
потерям для требуемой поперечной моды, но к высоким потерям для других мод.
Обычно ДФЭ вводятся возле одного из зеркал резонатора, предпочтительно
выходного зеркала. ДФЭ изготавливают так, чтобы дискретные фазовые сдвиги 0 или
p происходили на границах раздела между соседними пространственными областями
требуемого распределения моды, где интенсивность поля очень мала. Также
показано, что введение бинарного фазового элемента в резонатор улучшает
стабильность продольных и поперечных мод СО2-лазера [92], их селекцию [93,
94].
Новый метод селекции определенной моды высшего порядка основан на введении в
лазерный резонатор спиральных фазовых элементов (СФЭ), которые вводят в пучок
излучения, проходящий через них, фазовый сдвиг вида (N – число скачков фазы на
2p) [95]. Общая высота дискретных ступенек, чтобы получить 2p фазовый сдвиг при
пропускании (4p сдвиг фазы при отражении) составляет порядка l для отражающего
элемента и , где n – показатель преломления, для передающего элемента. Такие
СФЭ изготавливают на подложках из GaAs посредством многоуровневого
фотолитографического процесса. В эксперименте была получена генерация на
отдельных модах ТЕМ01 (N = 1) и ТЕМ02 (N = 2) для CO2-лазера и моде ТЕМ01 (N =
1) для Nd:YAG-лазера.
Также возможно селектировать требуемую моду, прибегнув к специальным
конфигурациям лазерных резонаторов. Предложены “самоизображающие” резонаторы,
использующие эффект Тальбо [96, 97]. “Самоизображающие” резонаторы используют
эффект Тальбо, когда периодические поля, такие как резонаторные моды различного
порядка, воспроизводятся после прохождения некоторых расстояний (расстояний
Тальбо). Эффект Тальбо для селекции поперечных мод лазера был впервые применен
в [98], где использовали одномерную проволочную сетку в планарном волноводном
CO2-лазере, чтобы обеспечить работу лазера на одной моде. Период проволочной
сетки d был выбран в соответствии с периодичностью формы требуемой моды. В
принципе это одно могло бы привести к высокой модовой селекции, но на практике
из-за сложностей юстировки наблюдались значительные модовые потери. Было
предложено их существенно уменьшить, использовав в резонаторе
внутрирезонаторное когерентное самоизображени
- Київ+380960830922