Rezonátorok

Az előzőekben láttuk, hogy a fényerősítés elvén működőfényfor­

rásokbólfázisbanjól rendezett elemi hullámokból álló fénynyaláb lép ki, aminek ezértnagy a koherenciafoka.

A 40. ábra egy invertált közegben mutatja az áthaladó fénynyalábok erősítését. Ha az A pontból elindul egy hullám valamely testátló men­

tén, akkor az erősödik tovahaladás

közben, s a határfelületenegy fázisban rendezett nyaláb lép ki. A tér egy Ppontjában gyakorlatilagegyetlen nagyintenzitású hullám halad át, nem pedig egy zajszerű,fázis­ banrendezetlenhullámcsomag, mint a klasszikus fényforrásoknál.Az invertáltközeg­ ből más irányba is elindulnak fénysugarak (pl. a B pontból), s ezekiserősítődnek, dea rövidebbbefutottút miatt azerősödésmértékekisebb.

4O.ábra

41.ábra

A fentiek alapjánlehetőség lennefényerősítés segítségével koherenssugárnyalá­ bot előállítani, detöbbproblémalép-fel. Az egyik az, hogyhaaz áthaladó fénynyaláb nem olt kiminden gerjesztett részecskét,vagy elhaladása után egyes részecskék újra- pumpálódnak agerjesztő forrás további besugárzása miatt,akkor nem használtukfel a fényerősítésre az invertált közegbe bevitt energia jelentős részét. Másrészről az ábrán berajzolt kiterjedt térfogatban lényegébenminden irányba elindulspontán sugárzás és erősödika befutott út hosszával arányos mértékben,ezért aleghosszabb átló jut kitün­ tetett szerephez,mégis a közegből minden irányban erősített sugárzás lép ki.Az ilyen módonelőállított erősített sugárzás térbeli eloszlása hasonlít a klasszikus fényforrások sugárzási karakterisztikájához, s haegy nyalábot választunk ki, akkorabba kevés energia jut az összes kisugárzott energiából. Az erősítés adta lehetőségek kihasználása, a kilépő

sugárnyalábtérbeli formálása optikaivisszacsatolásmegvalósításával oldható meg.

Az invertált, vagy másképpen ne­ vezve alaseraktív közeg töltsön ki egy ki­

csiny átmérőjű hosszú hengeralakú térfo­ gatot (41. ábra). A henger szimmet­ riatengelyére merőlegesen helyezzünk el két tükröt.Az egyikreflexiós együtthatója az aktív közeg általemittált fény hullám­ hosszán legyen 100%, a másiké pedig an­

nálkisebb,azaza ráeső fény egy részét en­ gedje át.Atükrök az aktív közegből rájuk eső erősített fényt teljes egészében illetverészben visszacsatolják az invertáltközegbe.

Az aktív közegbőlkilépő fény Trről teljes egészébenvisszaverődikés újraa közegbe jutva tovább erősödik. Rj-ről a ráeső fénynek csak egy része jut vissza és erősödikto­

vább (R2<^ 100 %), a másik része pedig minthasznosítható fényenergia kilép a tükrön át.A kéttükör által alkotott optikai rezonátorban teháta fény oda-vissza többször átha­

lad, s az egymással szemben haladófényhullámok interferenciája révén állóhullámok alakulnak ki. Ezarendszer nemcsak nagyon hasonlítegy elektromosrezgőkörhöz vagy akusztikai rezonátorhoz, hanem a működés jellemző adatai ugyanúgy adhatók meg, mint a hagyományos rezonátoroknál, a rezonátorok általánoselmélete alkalmazható rá.

A 41. ábránvázoltsík-párhuzamos (vagy más néven Fabry-Perot) rezonátorbizto­ sítja ageijesztett térfogatban tárolt energia kiürí­

tését, mert amíginvertált a közeg, addig mindig lejátszódik a visszacsatolásésa fény további erősí­ tése. A42.ábránszemléltetjük a tengellyel szöget bezáró sugárnyalábok menetét. Akár a henger palástján, akár avéglapján lépnek ki ezeka suga­ rak, kicsatolódnak a rezonátorból, azaz nemjut­ nak vissza az erősítő közegbe. Ez a kicsatolás

rontjaalaserhatásfokát, de az egyszerbefutottrövid úthossz miatt mégiskevésener­

giát visznek elarezonátortengelyementén sokszorátfutó, ezért nagyon felerősödőés a rezonátorból hasznosítható fényként kilépő nyalábtól.Tehát csak a rezonátor tenge­ lyévelpárhuzamosan futófénysugarak erősödnek fel jelentősen,ezértaz ilyen

rezoná-torból kilépőfény nagyonnagy pontossággal párhuzamos. A sík-párhuzamos rezonáto­

rokkal szemben bizonyos előnyöket mutatnak azegyik vagy mind a két rezonátorvé­ gen gömbtükröt alkalmazórezonátorok.

A 41. ábrán berajzoltállóhullámoksorozataalakul ki arezonátorban mégpedig úgy, hogy a félhullámhossz egész számszorfér el a tengelyen. Ezek a lehetséges rezgé­

sek a rezonátor longitudinális módusai. A fénynyaláb keresztmetszetében található strukturáltságot transzverzálismódusszerkezettel szokás jellemezni.

Különböző rezonátoroképíthetők, s ezeknek megfelelően változikakilépő fény tulajdonsága.Ez biztosítja az előállíthatófény paramétereinek a szabad megválasztását, azaz afényjelek tulajdonságainak az igen nagy variálhatóságát.Ebbőlfakad azoptikának a bevezetőben említettműszaki-technikai fontossága.

Afent vázolt módonmegépítettfényforrásokat nevezik lasereknek, amelyekben tehát a kényszerített(stimulált) fényemisszión alapuló fényerősítés játszik fő szerepet, amitaz optikai rezonátorral, mint visszacsatolórendszerrelleheta célnak megfelelően optimalizálni. A LASER betűszó ezt foglalja össze: Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation (fényerősítés kényszerített fényemisszióval). Ismételten kiemeljük, hogy a laserek fénykisugárzásaabbantérel a klasszikusfényforrások fényemissziójától, hogyarezonátoronátfutó oszcilláló fény az emissziós átmenetekkényszerítésévelva­ lamennyi fényemissziót a magafázisára rendezi, ezzel a teljes invertált térfogatban ösz-szekapcsoljaaz emissziós aktusokat, ígya lasemyalábban az elemi hullámokazonos fá­

zisba rendezettek, a laserfény nagy koherenciafokú.

Nézzünk néhány példát a rezonátorok tulajdonságainak változtatására,s az ebbőladó­ dó fényjel variálására. Sík-párhuzamos rezoná­ torba helyezett laseraktív közeget pumpáljunk egy olyanimpulzussal, amelynek lefutásáta43.

ábrán adott folyamatos görbe szemlélteti. A pumpálás kezdetét követően rövid időn belül kialakul azinverzióésmegkezdődikafénykisu­ gárzás. Két folyamat konkurál egymással. A pumpálás növelni igyekszik asugárzásra képes gerjesztett részecskék számát, azaz azinverziót, míg a rezonátorban oszcillálófénykényszerített emisszióval csökkenti a geijesztett részecskék számát, rontjaaz inverziót. Ennek az ellentétes hatásnakaz a következménye, hogy a pumpálás időtartama alattfennáll egy nem túl magas fokú invertáltság, ami egy viszonylag alacsony in­ tenzitású fénykicsatolást tesz lehetővé(az ábrán

vékonyvonallal rajzolt görbe). Haelrontjuk arezonátort, pl.azegyiktükröt elvesszük, ak­ kornincsfényoszcilláció, tehátakényszerített emisszió nem rontjaaz inverziót, amit a pumpálás így tetszőlegesmértékig fokozhat. Jáijunk el úgy, hogy a Tj tükrötegyzsá­ molyon forgassuk. Szinkronizáljuk a forgást és a pumpálást úgy,hogy akkor induljon a

(a)

(b)

43.ábra

pumpálás, amikor Tj a folytonosvonallal jelölthelyzetbenvan,és a tükör akkor fordul­

jon be a rezonátor tengelyére merőleges helyzetbe, amikor az invertáltságmár igen nagy. Atükörnekebben a helyzetében létezik a rezonátor egy rövid időre, ekkor létre­

jöna visszacsatolás és afényerősítés. A nagyon nagy számú geijesztett részecske a re­

zonátor „létezésének” rövid időtartama alatt sugározza ki a pumpálás során felvett energiát, tehát egy gigantikusánnagy teljesítményű impulzus sugárzódik ki. Ezt azeljá­ rást Q kapcsolásnak nevezik,amellyelkétjelentősváltozásidézhető elő a kilépő fény paraméterében. Csökken a kisugárzott fényimpulzus időtartama, s mivel a közegben tárolt energia rövid időalatt sugárzódott ki, sokszorosára nő a teljesítmény. Az ábrán nem lehet szemléltetni a különbségeket méretarányosan, mert az impulzus időbeli összeszűkülése 10.000-100.000-szeres, a teljesítmény megnövekedése viszont 1.000-szeres. Q kapcsolásra nem csak forgótükröket, hanem kifehéredő folyadékokatis al­

kalmaznak. Pl.a neodímium YAG laser a Q kapcsoló folyadéknaka rezonátorba való helyezésével ill.eltávolításávalQkapcsolt, illetve normál üzemmódban működtethető.

Ennek megfelelően rövidimpulzusidő és gigantikusteljesítmény, illetvelassú impul­

zuslefutás ésalacsony kimenő fény teljesítmény jellemzia laserműködést.

44.ábra

A 44.ábrán szemléltetetteljárás­ sal a rezonátorba visszacsatolt fény hullámhossza változtatható szabadon.

Az eljárás elve a következő: reflexiós optikai rácsra eső fehér fény úgy reflek­ tálódik, hogy a különbözőszínű kom­ ponensek más-más irányba haladnak.

Cseréljük fel a rezonátor Tjzárótükrét reflexiós ráccsal, amely legyen

forgat-‘ ható.Attól függően, hogya rácsotmi­

lyen állásba forgattuk, más-más színű fényrevalósulmega visszacsatolás. Tehát arezonátor tükrekéntszereplő rácsforgatá­ sával a rezonátor hangolható.Ilyen rezonátort alkalmaznak a festéklasernél, ahol fo­ lyamatosan változtatható a hullámhossz. Argonion lasereknél azionizáltargon emis­ sziós vonalaira lehet hangolni a rezonátort.

Harmadik példának a fénye­ rősítés egyik megvalósítását mutat­ juk be (45. ábra).Azábra balolda­ lán helyezkedik el egy sík-pár­

huzamos rezonátor, amelyből erő­

sített koherens fény lép ki. Ezt a fényt kívánjuk tovább erősíteni.

Ebből acélbólfűzzünkfelvelekö­ zös optikai tengelyre további két rezonátort, amelyeknek távolítsuk

el a tükrét.A generátorként szereplő rezonátorbólkilépő fény áthalad a két invertált közegen. Ha úgyszinkronizáljuk a három aktív közeg pumpálását,hogy a fény akkor

haladjon át az erősítő cellákon, amikor azokban az invertáltság maximális,akkor az át­ haladójel nagymértékben erősödik.

Ki kell hangsúlyozni, hogy a laserek működésének nagyon szigorú technikai feltételeivannak, csakezek teljesítésévelvalósítható meg a működésük. Ez az oka an­

nak,hogy atermészetben ilyen fényforrások nem találhatók, csak mesterségesen állít­ hatók elő. Eszigorú követelményekközöttelőállított mesterséges fény sokolyan vo­

nássalrendelkezik, ami a természetesfényforrások fényénél nem találhatómeg.