Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 595394)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.

Лазерные резонаторы и распространение пучков. Основы, современные понятия и прикладные аспекты (5000,00 руб.)

0   0
Первый авторХодгсон
АвторыВебер Х.
ИздательствоМ.: ДМК Пресс
Страниц745
ID795060
АннотацияВ книге изложены методы анализа лазерных резонаторов — матричный, геометрической оптики и интегрального уравнения. Рассмотрены резонаторы различных типов, обсуждены вопросы построения их схем, обеспечивающих требуемые свойства лазерного излучения. Описаны методы измерений параметров лазерных излучателей и пучков. Издание предназначено для специалистов, занимающихся разработкой, конструированием и применением лазеров, а также для преподавателей и студентов соответствующих специальностей технических вузов.
ISBN978-5-97060-176-1
УДК621.375.8:535.374
ББК32.86-53
Ходгсон, Н. Лазерные резонаторы и распространение пучков. Основы, современные понятия и прикладные аспекты / Х. Вебер; Н. Ходгсон .— Москва : ДМК Пресс, 2017 .— 745 с. — ISBN 978-5-97060-176-1 .— URL: https://rucont.ru/efd/795060 (дата обращения: 26.09.2022)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Лазерные_резонаторы_и_распространение_пучков._Основы,_современные_понятия_и_прикладные_аспекты.pdf
УДК 621.375.8:535.374 ББК 32.86-53 Х69 Ходгсон Н., Вебер Х. Х69 Лазерные резонаторы и распространение пучков. Основы, современные понятия и прикладные аспекты / пер. с англ. к.ф.-м.н. С. А. Бордзиловского; под науч. ред. С. Г. Струц. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 744 с. ISBN 978-5-97060-176-1 В книге изложены методы анализа лазерных резонаторов – матричный, геометрической оптики и интегрального уравнения. Рассмотрены резонаторы различных типов, обсуждены вопросы построения их схем, обеспечивающих требуемые свойства лазерного излучения. Описаны методы измерений параметров лазерных излучателей и пучков. Издание предназначено для специалистов, занимающихся разработкой, конструированием и применением лазеров, а также для преподавателей и студентов соответствующих специальностей технических вузов. УДК 621.375.8:535.374 ББК 32.86-53 All rights reserved. This work may not be translated or copied in whole or in part without the written permission of the publisher (Springer Science+Business Media, Inc., 233 Spring Street, New York, NY 1001 3, USA), except for brief excerpts i n connection with reviews or scholarly analysis. Use in connection with any form of information storage and retrieval, electronic adapeation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed is forbidden. The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 978-0387-40078-5 (анг.) © Springer Science+Business Media, Inc., 2005 © Перевод, Издательский дом «Додэка-XXI», 2012 ISBN 978-5-97060-176-1 (рус.) © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2017
Стр.5
Содержание Список сокращений и символов ...............................................................12 Предисловие ..............................................................................................20 Предисловие научного редактора ........................................................... 23 Введение ..................................................................................................... 25 Часть I Электромагнитное поле .............................................................................30 Глава 1. Геометрическая оптика ................................................................. 31 1.1. Общие аспекты............................................................................................................................. 31 1.2. Лучевые матрицы ....................................................................................................................... 33 1.2.1. Одномерные оптические системы ...................................................................................... 33 1.2.2. Элементы матрицы и теорема Лиувилля .............................................................................42 1.2.3. Нарушение ориентации оптических элементов ................................................................ 51 1.2.4. Двухмерные оптические системы ....................................................................................... 53 1.2.5. Вращение и перекос .............................................................................................................56 1.2.6. Закон ABCD в геометрической оптике ................................................................................64 1.2.7. Собственные решения и собственные значения ................................................................67 1.3. Оптические резонаторы и лучевые матрицы ............................................................................69 Глава 2. Волновая оптика ............................................................................74 2.1. Принцип Гюйгенса и интеграл Кирхгофа ....................................................................................74 2.2. Дифракция .................................................................................................................................... 78 2.2.1. Прямоугольное отверстие ................................................................................................... 78 2.2.2. Круглое отверстие ................................................................................................................ 84 2.3. Интеграл Коллинза ....................................................................................................................... 87 2.3.1. Одномерные оптические системы ...................................................................................... 87 2.3.2. Двухмерные оптические системы .......................................................................................89 2.4. Интеграл Коллинза и исчезающие элементы лучевой матрицы ...............................................91
Стр.6
6 Содержание 2.4.1. Условие построения изображения, B = 0 ...........................................................................91 2.4.2. Преобразование Фурье при A = 0 .....................................................................................92 2.4.3. Свойства Фурье-образов .....................................................................................................93 2.5. Гауссовы пучки ..............................................................................................................................96 2.5.1. Гауссовы пучки в одномерных оптических системах .........................................................96 2.5.2. Эллиптические гауссовы пучки .......................................................................................... 106 2.6. Моменты интенсивности и распространение пучка ...............................................................111 2.6.1. Стигматические и простые астигматические пучки ..........................................................111 2.6.2. Обобщенные астигматические пучки ...............................................................................117 2.6.3. Качество пучка .....................................................................................................................121 2.7. Дифракционная теория оптических резонаторов ..................................................................123 2.7.1. Интегральное уравнение для распределения электрического поля ..............................123 2.7.2. Гауссов пучок как основная мода резонатора ..................................................................125 2.8. Пучки, свободные от дифракции ..............................................................................................128 Глава 3. Поляризация ................................................................................ 133 3.1. Общие аспекты ...........................................................................................................................133 3.2. Матрицы Джонса ........................................................................................................................136 3.2.1. Определение .......................................................................................................................136 3.2.2. Матрицы для поляризационной оптики, повернутой вокруг оси распространения луча..................................................................................................................................................141 3.2.3. Комбинирование нескольких поляризационных оптических систем .............................142 3.3. Собственные состояния поляризации ......................................................................................146 3.4. Поляризация в оптических резонаторах .................................................................................147 3.4.1. Собственные состояния матрицы Джонса для кругового обхода пучка ........................147 3.4.2. Поляризационные и дифракционные интегралы ..............................................................149 3.5. Деполяризаторы .........................................................................................................................150 Часть II Основные свойства оптических резонаторов ....................................... 153 Глава 4. Резонатор Фабри–Перо ............................................................154 4.1. Общие аспекты ...........................................................................................................................154 4.2. Интерферометр Фабри–Перо .................................................................................................156 4.2.1. Пассивный интерферометр Фабри–Перо .......................................................................156 4.2.2. Применения ИФП ...............................................................................................................162 4.2.3. ИФП с усиливающей средой – лазерный резонатор ......................................................165 4.3. Оптические покрытия ................................................................................................................171 4.3.1. Матричный метод проектирования покрытия ...................................................................171 4.3.2. Четвертьволновые системы ................................................................................................176 4.3.3. Материалы покрытий и методы их нанесения ..................................................................180
Стр.7
Содержание 7 Часть III Пассивные открытые резонаторы .......................................................... 183 Глава 5. Устойчивые резонаторы .............................................................184 5.1. Общие аспекты ...........................................................................................................................184 5.2. Неограниченные устойчивые резонаторы ..............................................................................185 5.2.1. Поперечная структура мод ................................................................................................187 5.2.2. Резонансные частоты ..........................................................................................................198 5.2.3. TEM00 -мода .......................................................................................................................... 200 5.2.4. Моды высоких порядков .....................................................................................................207 5.2.5. Фокусируемость и качество пучка .....................................................................................215 5.3. Устойчивые резонаторы с апертурным ограничением ..........................................................224 5.3.1. Зеркало, ограниченное одной апертурой .......................................................................226 5.3.2. Апертурное ограничение обоих зеркал ...........................................................................230 5.4. Чувствительность к разъюстировке .......................................................................................... 235 5.4.1. Зеркало, ограниченное одной апертурой ....................................................................... 238 5.4.2. Два апертурно ограниченных зеркала ..............................................................................241 Глава 6. Резонаторы на границах устойчивости .....................................245 6.1. Резонаторы с g1 6.2. Резонаторы с одним нулевым g-параметром ..........................................................................248 6.3. Конфокальный резонатор ..........................................................................................................250 g2 Глава 7. Неустойчивые резонаторы ........................................................259 7.1. Общие аспекты ...........................................................................................................................259 7.2. Описание неустойчивых резонаторов в рамках геометрической оптики ...........................261 7.2.1. Распространение пучка ......................................................................................................261 7.2.2. Фокусируемость .................................................................................................................267 7.3. Дифракционная теория неустойчивых резонаторов ..............................................................276 7.3.1. Модовая структура, качество пучка и потери ...................................................................276 7.3.2. Применения неустойчивых резонаторов .........................................................................282 7.4. Чувствительность к разъюстировке .......................................................................................... 283 7.5. Неустойчивые резонаторы в случае внеосевой геометрии ..................................................289 7.6. Неустойчивые резонаторы с однородным выходом .............................................................294 7.7. Неустойчивые резонаторы на зеркалах с переменной отражательной способностью .....296 7.7.1. Свойства резонатора ..........................................................................................................296 7.7.2. Изготовление VRM-зеркал ..................................................................................................300 7.7.3. Лазерные свойства неустойчивых резонаторов на VRM-зеркалах.................................303 Глава 8. Резонаторы с внутренними оптическими элементами ............308 8.1. Резонаторы с внутренними линзами ........................................................................................308 8.2. Резонаторы с поляризующими элементами ............................................................................311 8.2.1. Резонатор с «твистующей» модой .....................................................................................313 8.2.2. Резонаторы с регулируемым выходом ..............................................................................314 8.2.3. Резонатор с ячейкой Поккельса .........................................................................................315 8.2.4. Резонаторы с радиальными двулучепреломляющими элементами ................................319 8.2.5. Резонаторы с азимутальными двулучепреломляющими элементами..............................320 = 1 ................................................................................................................245
Стр.8
8 Содержание 8.2.6. Резонаторы с радиально-азимутальными двулучепреломляющими элементами ..........322 8.2.7. Компенсация радиально-азимутального двулучепреломления .......................................325 Часть IV Открытые резонаторы с усилением .......................................................330 Глава 9. Активная среда ............................................................................ 331 9.1. Общие аспекты ..........................................................................................................................331 9.2. Эффективная длина резонатора ................................................................................................ 332 9.3. Усиление и эффективность использования накачки ................................................................ 334 9.4. Балансные уравнения .................................................................................................................339 9.5. Уширение линии и выгорание провалов в контуре усиления ................................................ 345 9.5.1. Однородное и неоднородное уширение линии ............................................................. 345 9.5.2. Пространственное выгорание провалов усиления .........................................................350 9.6. Спектральное распределение усиления и затягивание частоты ............................................352 9.7. Ширина спектральной линии лазерных мод ........................................................................... 355 Глава 10. Выходная мощность лазерных резонаторов .......................... 357 10.1. Выходная мощность устойчивых резонаторов .....................................................................357 10.1.1. Линейные резонаторы .....................................................................................................357 10.1.2. Оптимальный выход и максимальная выходная мощность ............................................362 10.1.3. Сложенные резонаторы без перекрытия пучка .............................................................367 10.1.4. Сложенные резонаторы с перекрытием пучка ..............................................................368 10.1.5. Кольцевые резонаторы ....................................................................................................372 10.2. Выходная мощность неустойчивых резонаторов .................................................................373 Глава 11. Влияние усиления на модовую структуру и потери ............... 378 11.1. Общие аспекты ........................................................................................................................378 11.2. Устойчивые резонаторы ..........................................................................................................379 11.2.1. Режим основной моды .....................................................................................................379 11.2.2. Режим нескольких поперечных мод ................................................................................389 11.3. Неустойчивые резонаторы .....................................................................................................391 11.3.1. Модовая структура и потери ............................................................................................391 11.3.2. Оптимальная эффективность использования накачки ....................................................392 11.4. Модовая структура и условие стационарности ....................................................................398 Глава 12. Лазерные резонаторы с модуляцией добротности ............. 400 12.1. Общие аспекты ....................................................................................................................... 400 12.2. Балансные уравнения для режима модуляции добротности ................................................404 12.2.1. Плотности инверсной населенности ..............................................................................404 12.2.2. Энергия, длительность импульса и пиковая мощность ................................................. 406 12.3. Оптимизация выходного зеркала резонатора .......................................................................409 12.4. Режим периодической модуляции добротности ..................................................................411 12.5. Оптимальное пропускание выходного зеркала ....................................................................413
Стр.9
Содержание 9 Глава 13. Резонаторы с изменяющимися внутренними линзами ..........421 13.1. Общие сведения ......................................................................................................................421 13.1.1. Термическая линза в твердотельных лазерах ..................................................................421 13.1.2. Лучевые матрицы ..............................................................................................................423 13.2. Устойчивые резонаторы ..........................................................................................................426 13.2.1. Работа в режиме основной моды ....................................................................................426 13.2.2. Режим нескольких поперечных мод ................................................................................429 13.2.3. Радиусы пучка, расходимости и фокусировка ................................................................ 433 13.2.4. Выходная мощность и качество пучка .............................................................................437 13.2.5. Выходная мощность в режиме основной моды ..............................................................444 13.2.6. Сферическая аберрация ..................................................................................................446 13.3. Неустойчивые резонаторы .....................................................................................................454 13.3.1. Распространение пучка ....................................................................................................454 13.3.2. Конфокальные неустойчивые резонаторы положительной ветви .................................456 13.3.3. Неустойчивые резонаторы с отображением стержня ..................................................461 13.3.4. Близкие к концентрическим неустойчивые резонаторы ...............................................465 13.3.5. Качество пучка и фокусировка .........................................................................................467 Глава 14. Резонаторы с несколькими активными элементами...............473 14.1. Общие аспекты ........................................................................................................................473 14.2. Выходная мощность и эффективность ....................................................................................475 14.2.1. Устройство излучателя ......................................................................................................475 14.2.2. Устройство усилителя .......................................................................................................476 14.3. Многостержневые твердотельные лазеры .............................................................................477 14.3.1. Эквивалентная g-диаграмма .............................................................................................477 14.3.2. Качество пучка и выходная мощность .............................................................................479 14.3.3. Многостержневые резонаторы с зеркалами c переменной отражательной способностью ................................................................................................................................482 Глава 15. Чувствительность выходной мощности к разъюстировке ......................................................................................484 15.1. Общие свойства .......................................................................................................................484 15.2. Устойчивые резонаторы в многомодовом режиме ..............................................................486 15.2.1. В отсутствие термической линзы .....................................................................................486 15.2.2. С термической линзой ......................................................................................................489 15.2.3. Разъюстировка симметричных многостержневых резонаторов ..................................492 15.3. Устойчивые резонаторы в режиме основной моды .............................................................496 15.4. Неустойчивые резонаторы .....................................................................................................499 15.4.1. Без термической линзы.....................................................................................................499 15.4.2. С термической линзой ......................................................................................................502 Глава 16. Резонаторы с внутренними нелинейными элементами .........506 16.1. Общие аспекты ........................................................................................................................506 16.2. Внутрирезонаторная генерация второй гармоники .............................................................507 16.2.1. Основные свойства генерации второй гармоники .......................................................507 16.2.2. Эффективность внутрирезонаторной генерации второй гармоники ..........................515
Стр.10
10 Содержание 16.2.3. Рассогласование фазы, аксиальные моды и эффективность преобразования ............518 16.2.4. Конфигурации резонатора ..............................................................................................520 16.3. Резонаторы с зеркалами, обращающими волновой фронт ................................................. 523 16.3.1. Общие свойства зеркал, обращающих волновой фронт ............................................. 523 16.3.2. Оптические резонаторы с обращающим волновой фронт зеркалом .........................526 16.3.3. Резонаторы с обращением волнового фронта, использующие ВРМБ ......................... 533 Часть V Резонаторы специальных типов .............................................................. 545 Глава 17. Призменные резонаторы .........................................................546 17.1. Резонаторы на призме Порро ................................................................................................546 17.2. Резонаторы на уголковом отражателе ................................................................................... 553 Глава 18. Резонаторы с преобразованием Фурье ................................. 558 18.1. Неустойчивые резонаторы с самофильтрацией ................................................................... 558 18.2. Устойчивые резонаторы с преобразованием Фурье ...........................................................563 Глава 19. Гибридные резонаторы ............................................................569 19.1. Общие аспекты ........................................................................................................................569 19.2. Неустойчиво-устойчивые резонаторы ..................................................................................570 19.3. Волноводные резонаторы .......................................................................................................572 19.3.1. Мотивация ..........................................................................................................................572 19.3.2. Собственные моды полых волноводов прямоугольного сечения ................................574 19.3.3. Поперечные собственные моды полых волноводов кругового сечения..................... 582 19.3.4. Свойства волноводных резонаторов ..............................................................................587 19.3.5. Свойства лазеров с волноводом щелевой конфигурации ............................................604 Глава 20. Резонаторы для усиливающих сред с сечением в виде кольца .............................................................................................611 20.1. Характеристики лазеров с усиливающими кольцеобразными средами ............................611 20.2. Устойчивые резонаторы с тороидальными зеркалами ........................................................614 20.2.1. Структура поперечной моды ...........................................................................................614 20.2.2. Качество пучка ...................................................................................................................616 20.3. Резонаторы на основе ячейки Херриота .............................................................................. 620 20.4. Неустойчивые резонаторы .....................................................................................................623 20.4.1. Тороидальные неустойчивые резонаторы .....................................................................623 20.4.2. Азимутально-неустойчивые резонаторы ........................................................................625 20.4.3. Сферические неустойчивые резонаторы .......................................................................628 Глава 21. Кольцевые резонаторы ............................................................632 21.1. Общие свойства кольцевых резонаторов .............................................................................632 21.2. Неустойчивые кольцевые резонаторы ..................................................................................638 21.3. Неплоские кольцевые резонаторы ........................................................................................641
Стр.11
Содержание 11 Глава 22. Одночастотные резонаторы ....................................................643 22.1. Спектр лазерных аксиальных мод ...........................................................................................643 22.2. Выделение аксиальной моды внутрирезонаторными элементами ......................................645 22.3. Выделение аксиальной моды в связанных резонаторах .......................................................648 22.4. Резонаторы для лазеров с однородным уширением линии ................................................650 Часть VI Измерительная техника ............................................................................653 Глава 23. Измерение параметров излучателя ........................................654 23.1. Измерение потерь, усиления и эффективности ....................................................................654 23.1.1. Анализ Финдлэя–Клэя .......................................................................................................654 23.1.2. Анализ временной задержки ...........................................................................................663 23.1.3. Измерение дифракционных потерь ................................................................................667 23.1.4. Измерение интенсивности насыщения ...........................................................................668 23.2. Измерение параметров термической линзы ........................................................................671 23.2.1. Фокусирование коллимированного зондирующего пучка ...........................................672 23.2.2. Отклонение коллимированного зондирующего пучка ..................................................674 23.2.3. Изменение в свойствах лазера ........................................................................................675 Глава 24. Измерение параметров лазерного пучка ..............................679 24.1. Измерение качества пучка ......................................................................................................679 24.1.1. Параметр качества пучка ..................................................................................................679 24.1.2. Методы, стандартизованные ISO .....................................................................................680 24.1.3. Измерение перетяжки пучка и расходимости в дальней зоне......................................682 24.1.4. Анализаторы качества пучка ............................................................................................683 24.1.5. Определение диаметров пучка .......................................................................................685 24.1.6. Ослабление пучка .............................................................................................................687 24.2. Измерение поляризации .........................................................................................................688 Литература ................................................................................................692 Предметный указатель .............................................................................739
Стр.12

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически