Mavzu: Optik rezonatorlar. Mundarija: I. Kirish. I. Bob. Lazerlar haqida umumiy ma’lumot

II.BOB.OPTIK REZONATORLAR.
2.1.Optik rezonatorlar.
Tashqi kuch ta’sirida aplitudasi maksimumga erishadigan aniq, chastotali tebranishni hosil qiladigan ma’lum shaklga ega bo’lgan sistemaga rezonator deyiladi. Misol tariqasida tebranish konturini, tovush rezonatorini, hajmiy rezonator ni (O’YuCh diapazondagi) va optik rezonatorlarni ko’rsatish mumkin.
Lazer asbobining rezonatori optik rezonatordir. Sababi: birinchidan, optikada ma’lum bo’lgan optik asboblarning rezonator vazifasini bajarishi bo’lsa, ikkinchidan, lazer nurining chastotasi optik nurlanish diapazonida joylashgandir. Optik rezonatorning boshqa turdagi rezonatorlardan ikkita muhim farqi mavjud. a) Optik rezona­torning yon tomonlari ochiq, shu sababli u ochiq optik rezonatordir. Ochiq optik rezonatorning yon tomonlaridan damlash energiyasini (rezonatorga) kiritish mumkin. b) Optik rezona­torning hajmi yorug’likning to’lqin uzunligidan birmuncha kattadir (V >> λ³).
Optik rezonator ko’pincha ikkita yoki bir nechta ko’zgular to’plamidan tashkil topgan bo’lib, tuzilishi jihatidan bir nechta ko’rinishda bo’ladi:
—yassi parallel ko’zgulardan tashkil topgan Fabri-Pero rezonatori;
—sferik ko’zgulardan tashkil topgan, umumiy markazga ega bo’lgan konsentrik rezonator;
—sferik ko’zgulardan tashkil topgan va sferik ko’zgular umumiy fokusga ega bo’lgan fokusdosh rezonator;
—bir ko’zgusi yassi va ikkinchisi sferik bo’lgan rezona­tor;
—sferik ko’zgulardan tashkil topgan va qabariq ko’zgu to­monlari qarama-qarshi o’rnatilgan turg’un bo’lmagan rezo­nator.
1-rasmda yuqorida keltirilgan rezonatorlarning optik sxemalari tasvirlangan.

1-rasm.Ochiq, optik rezonator-larning sxematik ko’rinishlari. a) yas­si ko’zgulardan tuzilgan Fabri-Pero interferrometri turidagi rezona­torb) sferik ko’zgulardan tuzilgan fokusdosh rezonator,v) konsentrik rezonator,g) umumiy fokusga ega bo’lgan turg’unmas rezonator.
Shu rezonatorlardan Fabri-Pero interferometri tipidagi ochiq rezonatorni batafsil ravishda qarab chiqamiz.
Ikkita yassi, o’zaro parallel va bir-biridan L masofada joylashgan ko’zgular Fabri-Pero rezonatorini hosil qiladi. Umuman bunday asbobni optika kursida Fabri-Pero in­terferometri yoki Fabri-Pero etaloni deb ataladi. Fabri-Pero etaloni lazerlar fizikasida passiv optik rezonator nomi bilan yuritiladi. Aniqroq qilib aytganda, agar Fabri-Pero etalonining ko’zgulari oralig’ida aktiv modda bo’lmasa, u passiv va ko’zgular oralig’ida aktiv modda joylashgan bo’lsa, u holda aktiv rezonator deyiladi.
Rezonator ko’zgulari o’zlariga tushgan elektromagnit to’lqinlarni iziga qaytarib, qarama-qarshi tomonga yugurtirib ikki ko’zgu oralig’ida turg’un to’lqinni hosil qiladi. 2-a rasmda passiv rezonatorning optik sxemasi keltirilgan bo’lib, u elektromagnit to’lqinlarni chap va o’ng tomonlarga yugurtiruvchi tebratish sistemasi kabi ifodalangan. 2-b rasmda aktiv rezonatorning sxemasi tasvirlangan. Rezonator ko’zgulari va aktiv modda markazidan o’tuvchi to’g’ri chiziqqa rezonatorning optik o’qi deyiladi.

2- rasm. a) Fabri-Pero in-terferrometri turidagi passiv rezonatortorlarning elek-tromagnit yorug’lik to’lqin-larini tebranishi sxematik ko’rsatilgan. Ko’zgular shakli doiraviy yoki to’rt burchakli bo’lishi mumkin. L – rezonator uzunligi, a – rezonator tomonlari, K₁, K₂ – ko’zgular, x,y,z – koordinata o’qlari, z – rezonator o’qi, E – elektromagnit to’lqinlar.b) Aktivrezonatorlarning sxematik tuzilishi A.M. – aktiv modda.
Aktiv rezonatorning vazifasi ko’zgularga tik tushgan yorug’lik to’lqinini iziga qay­tarib, aktiv modda orqali o’tkazib, yorug’likning kuchayishini ta’minlashdir. Shuning uchun aktiv rezonatorni musbat teskari bog’lanishni ta’minlovchi sistema deb ham qabul qilingan. Ak­tiv moddadan chiqqan yorug’likni qaytarib yana aktiv moddaga kiritish va yorug’likning aktiv moddadan o’tishida kuchayishi musbat teskari aloqa deyiladi.
Demak, rezonatorni tebranish konturi va musbat teskari aloqani ta’minlovchi deb qarash ham mumkindir.
Agar rezonator bo’lmasa, aktiv modda elektromagnit yorug’lik to’lqinini kuchaytiruvchi bo’lib xizmat qiladi, xolos. Rezonatorsiz lazer nurlanishni hosil qilib bo’lmaydi. Optik kvant generator (lazer) asbobini ishlashi uchun Fabri-Pero rezonatori oralig’iga aktiv moddaning joylanishi shart va zarurdir.
Avvalo passiv Fabri-Pero rezonatorini qarab chiqamiz. Rezonator ko’zgularining shakli doiraviy bo’lmasdan, to’rt burchak shaklida va tomonlari a ga teng, ko’zgular orasidagi masofa L ga teng deb qaraymiz. Har qanday rezonator tebra­nish konturi bo’lgani sababli, u xususiy tebranish chastotasiga ega. Rezonatordagi interferensiyalanuvchi yorug’likning to’lqin uzunligiga ko’ra tebranish turlari (modalar) hosil bo’ladi. Rezonator ko’zgulari oralig’ida hosil bo’lgan har bir turg’un to’lqin rezonatorning xususiy moddasini (tebranish turini) hosil qiladi. Rezonatorning modasi ko’zgular oralig’ida uyg’ongan turg’un to’lqindir.
Rezonatorning ko’zgulariga perpendikulyar ravishda yorug’lik to’lqini kelib tushganda, yorug’lik to’lqini ko’zgulardan qaytib turg’un to’lqinni hosil qiladi. Yorug’likning to’lqin uzunligi o’zgarishiga qarab turg’un to’lqinlarniig turlari ham har xil, ya’ni har xil moddalar hosil bo’ladi. O’sha moddalar Fabri-Pero rezonatorining xususiy chastotalaridir. 3-rasmda rezonator modalari sxematik ravishda ko’rsatilgan.

3-rasm.Fabri-Pero rezonatori-ning tebranish turlari modalari: a) rezonator ko’zgulari orasidagi bitta aksial bo’ylama moda uyeongan. b) rezonator ko’zgulari oralig’ida uchta moda uyg’ongan.
Har qanday turg’un to’lqinning tuguni ko’zgu yuzasida joylashadi va har bir moda ko’zgular oralig’ida yarim to’lqin uzunligining (λ/2) butun sonlarini joylashtiradi. Rezonator ko’zgulari orasidagi turg’un to’lqinga bo’ylama yoki aksial moda deyiladi. Aksial modaning elektromagnit konfigurasiyasi ko’zgularning yuzasida joyla­shadi. Elektromagnit maydon konfigurasiyasi rezonatorning ko’ndalang modasini tashkil qiladi. Xullas, rezonator ak­sial (bo’ylama) va ko’ndalang modalarga egadir.
Rezonator modasi ko’ndalang elektromagnit to’lqinidan iborat bo’lgani uchun, u TEM_mnq deb belgilanadi. m, n – butun sonlar va kun­dalang modalarning indeksi deb ataladi. m, n = 0, 1, 2... qiymatlarni oladi, q esa aksial moda indeksini ifodalaydi. Uning son qiymati ko’zgular oralig’idagi turg’un to’lqinning yarim to’lqin sonlarini ifodalaydi. Rezonator ko’zgula­ri o’zaro qat’iy parallel o’rnatilganda (rezonator yustirovka qilinganda) markazii doiraviy dog’ ko’zguning yuzasida paydo bo’ladi (rezonatordan chiqib tarqalayotgan lazer nurining dastasi naydek yo’nalishga ega bo’ladi). O’sha dog’ ko’ndalang mod­da bo’lib, uning indeksi m, n = 0 va rezonatorda faqat aksial moda mavjud bo’ladi Rezonatorning aksial modasi TEM₀₀₁,deb belgilanadi. Agar rezonatorning yustirovkasi buzilsa, har xil shakldagi ko’ndalang modalar paydo bo’ladi.
Rezonator modalarining uyg’onish sharti quyidagi formula bilan ifodalanadi:
, (1)
v—rezonatorning xususiy chastotasi, λ–lazer nurlanishining to’lqin uzunligi. Bo’ylama moda chastotasi va spektral oralig’i (aksial modalarning spektral oralig’i) quyidagicha ifodalanadi:
, (2)
(3)
yoki
. (4)
Ikkita qo’shni ko’ndalang modalarning spektral oralig’i esa quyidagicha aniqlanadi:
. (5)
V – hajmda va ∆v – spektral oralig’ida joylashgan rezonator modalarining soni M teng:
. (6)

4-rasm. Fabri-Pero rezonatorining spektri, rezonansli chastotalari.
a) Optik rezona-torning har bir aksial bo’ylama tebranish turi ikki xil ko’ndalang moda indekslari bilan qurshalgan bo’ladi. b) Bo’ylama moda shakli va moddalar orasidagi chastotalar farqi
Rezonator modalarini sxematik ravishda ko’rsatish mumkin (4-rasmga qarang). (4) va (5) formulalarni qo’ydagi ko’rinishda yozish mumkin:
, (7)
, (8)
N_F – bir ko’zgu markazidan turib ikkinchi ko’zgu yuzasida ko’zatilayotgan Frenel zonalar sonini (optik rezonatorlar nazariyasida katta ahamiyatga ega) ifodalaydi. Keng tarqalgan optik rezonatorlar uchun N_F>>1. Odatda δv_aks qiymati 0,01 sm^-1 bo’lsa, δv_kun esa 0,001 yoki 0,0001sm^-1 ga teng. Shuning uchun ko’ndalang modalarning spektrini kuzatish ancha qiyin.
Xulosa qilganda, ko’ndalang modalar lazer nurining tarqalish yo’nalishini ifodalasa, aksial modalar nurlanishning spektral tarkibini ifodalaydi.