ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР
, колебат. система,
образованная совокупностью зеркал, в к-рой могут возбуждаться и поддерживаться
слабо затухающие электромагнитные колебания оптических и СВЧ диапазонов
с излучением в свободное пространство. Применяется в качестве колебат.
системы (резонатора) оптич. квантового генератора (лазера), а также
в нек-рых приборах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (оротроне
и др.).
Для длин волн Л<0,1 см использование
объёмных
резонаторов, широко применяемых в диапазоне СВЧ и имеющих размеры порядка
X, затруднительно из-за малости их размеров и больших потерь энергии в
стенках. Использование же объёмных резонаторов с размерами, существенно
превышающими X, также невозможно, т. к. в таком резонаторе возбуждается
большое число собственных колебаний, близких по частоте, в результате чего
резонансные линии перекрываются и резонансные свойства практически исчезают.
Оказывается, однако, что при удалении части стенок такого объёмного резонатора
почти все его собственные колебания становятся сильно затухающими и лишь
малая их часть (при надлежащей форме оставшихся стенок) затухает слабо.
В результате спектр собственных колебаний образовавшегося таким образом
О. р. сильно "разреживается".
Первые О. р. в виде двух плоских параллельных
О. р. с плоскими зеркалами чувствительны
В твёрдотельных лазерах иногда применяются
Существуют различные дополнительные методы
Хотя термин "О. р." вошёл в употребление
Лит.: Вайнштейн Л. А., Открытые
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
зеркал предложили в 1958 А. М. Прохоров, а затем амер. учёные Р.
X. Дикке, А. Л. Шавлов и Ч. Таунс. Если допустить, что между двумя
плоскими зеркалами, расположенными на расстоянии L, друг от друга, распространяется
плоская волна, то в результате отражения от зеркал в пространстве между
зеркалами образуется стоячая волна. Условие резонанса имеет вид: L. = qЛ/2,
где q - целое число, наз. продольным индексом колебания. Собственные
частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью с/2L, (эквидистантный
спектр). В действительности края зеркал искажают (возмущают) поле плоской
волны, что приводит к появлению колебаний с различными поперечными индексами
тип,
определяющими
число осцилляции поля в поперечных направлениях и распределение плотности
тока на поверхности зеркал (рис. 1). Чем больше индексы тип,
тем
число осцилляции больше и тем выше затухание колебания, обусловленное излучением
в пространство, т. е. в сущности дифракцией на краях зеркал (см. Дифракция
света). Спектр собств. частот плоского О. р. имеет вид, изображённый
на рис. 2. Поскольку коэфф. затухания растёт с увеличением поперечных индексов
т
и
п быстрее, чем частотный интервал между соседними колебаниями, то
резонансные кривые, отвечающие большим тип, перекрываются, и соответствующие
колебания не проявляются. Коэфф. затухания, вызванного излучением, зависит
как от индексов т и п, так и от числа N зон Френеля,
видимых на зеркале диаметром
R из центра др. зеркала, находящегося
на расстоянии L:N=R2/2LЛ. При N 1 остаётся 1-2 колебания,
сопутствующие основному колебанию.
Рис. 1. Распределение токов, текущих
по поверхности прямоугольного зеркала, для колебаний Ех
к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Этого
недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами, в к-рых лучи, неоднократно
отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности
- каустики. Каустики образуются лишь в определённой области значений L
и
радиусов кривизны зеркал R
из сферич. О. р. с каустикой гораздо меньше, чем излучение из плоского
О. р. Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что
размеры каустики, ограничивающей поле, растут с ростом тип. Для колебаний
с большими тип каустика оказывается расположенной вблизи края зеркал или
вовсе не формируется и эти колебания сильно излучают. Такие сферич. О.
р. наз. устойчивыми, т. к. они не чувствительны к малым перекосам и смещениям
зеркал. Устойчивые О. р. применяются в газовых лазерах.
Рис. 3. а) Образование каустик у
открытого резонатора со сферическими зеркалами; б) графическое изображение
условий существования каустик при различных соотношениях между радиусами
R
затуханию. Точки, соответствующие резонаторам с плоскими П н концентрическими
К зеркалами, лежат на границе заштрихованных и незаштрихованных областей;
С - софокусное, С'- плоское и вогнутое зеркала (половина софокусного резонатора).
неустойчивые О. р., в к-рых внешняя каустика образоваться не может: луч,
проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней, после отражений
неограниченно удаляется от оси. На границе между устойчивыми и неустойчивыми
О. р. (рис. 3) расположены софокусные О. р., в к-рых фокусы обоих зеркал
(отстоящие на расстояния Ri/2 и R 2/3 от соответствующего зеркала)
совпадают, в т. ч. телескопический О. р., состоящий из малого выпуклого
и большого вогнутого зеркал. Неустойчивые О. р. обладают большими потерями
на излучение, чем устойчивые, однако эти потери для колебаний высших типов
в них значительно больше, чем для основного колебания. Это позволяет добиться
одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленности излучения.
разрежения спектра, связанные с изменением профиля краёв зеркал, применением
линз и др. Разрежение спектра О. р. по продольным индексам q достигается
применением связанных О. р. или спец. оптич. фильтров. Наряду с О. р.,
имеющими два зеркала, применяются также кольцевые О. р., диэлект-рич. О.
р. и О. р. с промежуточными зеркалами (рис. 4).
Рис. 4. Сложные типы резонаторов.
относительно недавно, по существу О. р. известны в физике и технике давно.
Все муз. инструменты и ряд акустич. и радиотехнич. приборов (резонатор
Гельмгольца, камертон, антенные вибраторы и т. д.) являются О. р.
Однако излучение этих устройств существенно не влияет на спектр их собственных
частот, в то время как излучение О. р. с зеркалами является основной причиной
разрежения спектра.
резонаторы и открытые волноводы, М., 1966; Ананьев Ю- А., Угловое расхождение
излучения твердотельных лазеров, "Успехи физических наук", 1971, т. 103,
в. 4; Ананьев Ю. А., Неустойчивые резонаторы и их применения, "Квантовая
электроника", 1971, № 6. С. А. Элъкинд, В. П. Быков.