Роль резонатора в работе лазера. Его добротность, моды. Расстояние между модами и ширина мод

Хотя лазерный свет является, пожалуй, самой чистой формой света, он всё же зависит не только от частоты или длины волны. Все лазеры излучают свет на некоторой естественной ширине полосы или диапазоне частот. Ширина полосы излучения лазера определяется в первую очередь активной средой, входящей в конструкцию лазера, а также диапазоном частот, в котором лазер может работать (более известном как ширина полосы генерации). Например, типичный гелий-неоновый (He-Ne) газовый лазер имеет ширину полосы генерации около 1,5 ГГц (диапазон длин волн около 0,002 нм в центральной длиной волны 633 нм), в то время как титан-сапфировый (Ti: Sapphire) твердотельный лазер имеет ширину полосы около 128 ТГц (300 нм диапазон длин волн с центром около 800 нм).

Второй фактор, который определяет частоты лазерного излучения – это оптический резонатор лазера. В простейшем случае он состоит из двух плоских зеркал, поставленных друг напротив друга. Между ними размещается активная среда лазера (эта конфигурация называется резонатор Фабри-Перо). Так как свет представляет собой волну, то отражаясь между зеркалами резонатора, свет будет с усилением и ослаблением интерферировать сам с собой, что приводит к образованию стоячих волн или мод между зеркалами.

Эти стоячие волны образуют дискретный набор частот, известный как продольные моды резонатора. Только эти моды обладают такими частотами излучения, которые способны самоподдерживаться в полости резонатора, а все остальные частоты света подавляются деструктивной интерференцией. Для простых плоскозеркальных резонаторов поддерживаемые моды – это те, для которых расстояние между зеркалами L кратно половине длины волны света λ: L = qλ /2, где q является целым числом известным как порядок моды.

На практике расстояние между зеркалами L зеркала, как правило, намного больше, чем длина волны света λ, поэтому соответствующие значения q большие (около 10⁵ до 10⁶). Наиболее интересным является частотный интервал между любыми двумя соседними модами q и q +1; это значение задаётся (для пустого линейного резонатора длиной L) как Δ ν:

, где с-скорость света (≈ 3 × 10⁸ м × с-1).

Используя приведенные выше уравнения, малый лазер с расстоянием между зеркалами 30 см имеет интервал частот между продольными модами 0,5 ГГц. Таким образом, для двух лазеров, рассмотренных выше, гелий-неоновый лазер с 30 сантиметровым резонатором и шириной полосы генерации 1,5 ГГц будет поддерживать до 3 продольных мод, в то время как титан-сапфировый лазер шириной полосы 128 ТГц может поддержать около 250.000 мод. Когда возбуждается более чем одна продольная мода, лазер, как говорят, работает в “многомодовом режиме”. Когда возбуждается только одна продольная мода, лазер, как говорят, работает в “одномодовом режиме”.
Каждая продольная мода имеет некоторую ширину полосы пропускания частот, внутри которой эта мода усиливается, но обычно эта ширина полосы, определяемая фактором Q (добротностью) резонатора (см. интерферометр Фабри-Перо), намного меньше, чем межмодовый интервал.