ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР

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 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 Е^х_21q и Е^у_21q

Рис. 2. Спектр частот открытого резонатора.

О. р. с плоскими зеркалами чувствительны 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 R₁ и R₂ (рис. 3). Поскольку волновое поле быстро убывает вне каустики при удалении от неё, излучение 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 R₁ и R₂ зеркал и расстоянием L между ними: незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные - большому радиационному 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).

В твёрдотельных лазерах иногда применяются 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.

Существуют различные дополнительные методы 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.

Хотя термин "О. р." вошёл в употребление 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.

Лит.: Вайнштейн Л. А., Открытые 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.