ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР


ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР
ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР

       
колебательная система, образованная совокупностью зеркал, в к-рой могут поддерживаться слабо затухающие эл.-магн. колебания с длиной волны l во много раз меньшей, чем размеры зеркал и расстояния между ними. Первые О. р. в виде двух плоских параллельных зеркал предложил в 1958 А. М. Прохоров, а затем амер. учёные Р. Дикке, А. Л. Шавлов и Ч. Таунс. По сравнению с замкнутыми объёмными резонаторами тех же размеров О. р. имеет более редкий спектр собств. частот. В нём легко удаётся реализовать дополнит. разрежение спектра введением спец. селектирующих элементов или подбором формы зеркал. О. р. применяется в кач-ве высокодобротной .резонансной системы в приборах оптического, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. (см. ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР, КВАЗИОПТИКА).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР
- колебательнаясистема, состоящая из отражателей (напр., в случае эл.-магн. волн металлич. <или диэлектрич. зеркал), осуществляющих путём многократных отражений волновыхпучков локализацию (удержание) резонансных волновых полей в конечной областипространства. Обычно характерные размеры О. р. заметно превышают длиныволн (d15028-7.jpg )возбуждаемыхколебаний, что во мн. случаях позволяет исследовать свойства О. р. в приближенииквазиоптики. При этом поляризация поля несущественна, а описание О. р. <универсально и пригодно для колебании любой природы - эл.-магн., акустическихи т. п. Практически первым вариантом О. р. стала система из двух плоскопараллельныхзеркал конечных размеров (разновидность интерферометра Фабри - Перо). Предложенная А. М. Прохоровым, Р. Г. Дикке (R. Н. Dicke), А. Л. Шавловом(A. L. Schawlow) и Ч. Таунсом (Ch. Townes) (1958), она предназначаласьдля эл.-магн. колебаний субмиллиметрового и оптич. диапазонов. Впоследствииидеи этого варианта О. р. были перенесены в др. диапазоны эл.-магн. колебаний, <а также на волновые поля иной природы. Ниже для определённости рассматриваютсятолько О. р. для эл.-магн. колебаний.
В известном смысле О. р. можно рассматриватькак модификацию экранированных объёмных резонаторов с частично убраннымистенками. Спектр собств. колебаний идеального экраннров. резонатора с увеличениемего объёма уплотняется 15028-8.jpgи при наличии даже малого поглощения превращается в сплошной, так что такаясистема фактически перестаёт быть резонансным устройством. Возникает естеств. <потребность в разрежении спектра (в селекции мод). В О. р. разрежение осуществляетсяпростейшим образом - увеличением радиац. потерь нежелательных мод, к-рые"высвечиваются" в окружающее пространство. Это прежде всего моды, группирующиесяв лучи, не задевающие отражателей. С др. стороны, подбором размеров и профилейотражателей удаётся снизить потери на излучение (дифракц. потери) полезных(рабочих) мод и сделать их высокодобротными. Для избират. уменьшения потерьможет быть использовано отражение от границы диэлектрик - вакуум. В О. <р., образованном диэлектрич. стержнем с проницаемостью 15028-9.jpgразмещённым между параллельными пластинами (рис. 1, а), колебанияс малыми потерями представляют собой волновые пучки, полностью отражающиесяот границы диэлектрик - вакуум. Поперечное к оси резонатора волновое число 15028-11.jpgэтих мод в области 15028-12.jpg= 1 является чисто мнимым, в области 15028-13.jpgпространство с >15028-14.jpg= 1 представляет закритич. волновод (см. Волновод и Волноводдиэлектрический). Число таких колебаний увеличивается с ростом разности 15028-15.jpg- 1. В "инвертированной" системе (рис. 1, б )высокодобротные колебаниясосредоточены в оптически менее плотной среде. Они излучают в более плотнуюсреду, и это излучение не обращается в нуль даже для идеальных диэлектриков. <Высокодобротными являются колебания в виде волновых пучков, скользящихвдоль границы диэлектриков. Поперечные волновые числа пучков близки к пулювнутри резонатора в среде с 15028-16.jpg= 1 и действительны в среде с 15028-17.jpg

15028-10.jpg

Аналогичные условия отражения могут бытьреализованы и без применения диэлектриков: полное отражение от закритич. <волновода - плавным уменьшением расстояния между отражателями (рис. 1, в), сильное отражение на частотах, близких к критич. частотам внутр. <волновода, - внесением неоднородностей: скачкообразным изменением расстояниямежду отражателями (рис. 1, г )или ограничением размеров отражателей(рис. 1, д). Высокодобротные колебания будут иметь в этих случаяхразный характер. В первом существует каустика, разграничивающая областидокритич. и закритич. волноводов, в последнем - поле быстро (экспоненциально)убывает при удалении от каустики, во втором случае поле ограничиваетсяобластью сильного отражения. Оба способа повышения добротности применяютсяв О. р. Когда не требуется высокой добротности рабочей моды, часто используютсярезонаторы с постепенным увеличением расстояния между отражателями (рис.1, е). Благодаря высоким значениям отношения запасённой энергиик энергии потерь добротности совр. О. р. достигают рекордных цифр по всехдостаточно КВ-диапазонах эл.-магн. волн: от 106 в диапазонемиллиметровых волн до 109 в оптическом.
Моды в О. р. суть волновые пучки, к-рыев квазиоптич. приближении можно представить как поля, распространяющиесявдоль направления соответствующих геометрооптич. лучей и локализованныев поперечном сечении с плавными (в масштабе 15028-18.jpg )огибающими. Поэтому конструирование и расчёты О. р. базируются сначалана рассмотрении характера поведения многократно отражающихся от зеркалгеометрооптич. лучей и затем уже на установлении распределения полей, обычнос помощью Леонтовича параболического уравнения для комплексных амплитуд. <В результате, как и для обычных экраниров. резонаторов, решается задачао собств. ф-циях (модах) и собств. частотах, последние даже при наличииидеальных отражателей в принципе комплексны из-за неустранимых потерь наизлучение.
Различают устойчивые и неустойчивые модыО. р. (впрочем, иногда говорят просто об устойчивости О. р. как таковых).Устойчивой считается мода, "скелетные" геометрооптич. лучи к-рой локализованывнутри каустики, лежащей внутри О. р. На рис. 1 в показан "каркас"лучей для первой симметричной моды устойчивого двухзеркального О. р. сосферич. зеркалами с фокусными расстояниями F1 и F2. Каустич. <поверхность имеет характер гиперболоида вращения. Она существует, если

15028-19.jpg

(L - длина резонатора; фокусныерасстояния считаются положительными, если зеркала вогнутые). При невыполненииэтого условия двухзеркальный О. р. является неустойчивым. Пример такогоО. р. дан на рис. 1 е; после многократных отражений лучи вырываютсяиз него, что иногда используется для возбуждения О. р. или для вывода энергиииз него (дифракц. вывод излучения - дифракц. связь). Аналогичным образомстроятся моды для разнообразных многозеркальных О. р. При этом принципиальноразличают два класса приборов: в первом, к к-рому, в частности, относятсядвухзеркальные комбинации (рис. 1, в - е), поле в продольных ("лучевых")направлениях имеет характер стоячих волн с масштабом 15028-20.jpg/2;во втором классе приборов - т. н. кольцевых О. р., к к-рым относится, вчастности, трёхзеркальный О. р. (рис. 2), - существуют две самостоят. бегущие(вращающиеся) навстречу друг другу моды одинаковых частот. Впрочем, иногдас помощью невзаимных устройств, перегораживающих пучок, вырождение этихмод снимается вплоть до формирования одной бегущей волны.

15028-21.jpg

Поперечные вариации мод О. р., ограниченныхкаустиками, почти всегда имеют характер стоячих волн с сильно растянутой"длиной волны":

15028-22.jpg

где 15028-23.jpg- характерный продольный размер О. р. Спектр собств. частот О. р. зависитот числа продольных и поперечных вариаций поля, отличаемых продольнымии поперечными индексами, и имеет разный характер для устойчивых и неустойчивыхмод. Так, для устойчивых мод двухзеркального аксиально-симметричного резонатора

15028-24.jpg

15028-25.jpg

где q (обычно 15028-26.jpg1), т, п (целые числа) - продольный азимутальный и радиальный индексысоответственно.
Потери на излучение таких мод экспоненциальномалы и носят характер туннельного "просачивания" поля от каустики к краюзеркала. При отсутствии дифракции на краях зеркал собств. частоты двухзеркальногонеустойчивого О. р. с выпуклыми зеркалами определяются соотношением

15028-28.jpg15028-27.jpg

к-рое показывает, что дифракц. потери быстроувеличиваются с ростом поперечных индексов. В общем случае потери на излучениев О. р. определяются безразмерным параметром Френеля 15028-29.jpgопределяющим число зон Френеля, укладывающихся на апертуре зеркала диам. (см. Дифракция света).
Дифракция на краях зеркал играет определяющуюроль в формировании колебаний, находящихся на границе перехода от устойчивыхк неустойчивым, к к-рым относятся моды О. р. с плоскими зеркалами. Собств. <частоты такого О. р. с круговыми зеркалами равны

15028-30.jpg

где vm,n - корень ф-цииБесселя Jm (x). При недостаточно большом коэф. отраженияот зеркал и большом параметре Френеля моды с разными поперечными, но одинаковымипродольными индексами вырождаются и О. р. с плоскими зеркалами становитсяобычным интерферометром Фабри - Перо.
Возбуждение О. р. производится с помощьюполупрозрачных зеркал, пластин, а также посредством щелей, отверстий ит. д. Устойчивые О. р. широко применяются в качестве фильтров, спектроанализаторови волномеров в диапазоне длин волн от оптических до сантиметровых. Ониявляются естеств. колебат. системами автогенераторов в этих диапазонах- лазеров (см. Оптический резонатор), мазеров, оротронов и т. д. <В мощных лазерах и мазерах на циклотронном резонансе (гиротронах) частоиспользуются неустойчивые О. р. с дифракц. выводом излучения. Кольцевыерезонаторы применяются в лазерных гироскопах. С увеличением эффективностисвязи О. р. с внеш. линиями передачи селекция типов колебаний - превышениедифракц. потерь нерабочих мод над дифракц. потерями рабочих - уменьшается. <Повышение её достигается, как правило, усложнением конструкции О. р. ВО. р. различают селекцию поперечных мод, отличающихся друг от друга структуройполя на зеркалах, и селекцию продольных мод, имеющих идентичные поперечныеструктуры поля, но отличающихся числом полуволн, укладывающихся между зеркалами. <Селекция поперечных мод основывается на различии в их пространств. структурахи достигается ограничением пучков поглощающими диафрагмами, в том числет. н. мягкими, с плавно увеличивающимся к краю коэф. поглощения, применениемпрофильных зеркал, зеркал с постепенно изменяющимся коэф. отражения, ограничениемугл. спектра пучков. Эфф. методом селекции поперечных типов колебаний оказываетсяприменение дифракц. вывода, при этом приходится принимать меры для преобразованияполучающегося излучения в волновые пучки, обладающие низким уровнем потерьпри канализации, высокой направленностью, малым уровнем боковых лепестков. <Методы селекции продольных мод основаны на применении диспергирующих элементов:интерферометров Фабри - Перо, призм, дифракц. решёток, связанных резонаторови т. п.

Лит.: Вайнштейн Л. А., Электромагнитныеволны, 2 изд., М., 1988; его же, Открытые резонаторы и открытые волноводы, <М., 1966; Техника субмиллиметроных волн, М., 1969; Ананьев IO. А., Оптическиерезонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979.

С. Н. Власов, М. А. Миллер.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР" в других словарях:

  • открытый резонатор — Объемный резонатор, отражающие стенкц которого не замкнуты. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 75. Квантовая электроника. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.] Тематики квантовая электроника Обобщающие термины …   Справочник технического переводчика

  • Открытый резонатор —         колебательная система, образованная совокупностью зеркал, в которой могут возбуждаться и поддерживаться слабо затухающие электромагнитные колебания оптических и СВЧ диапазонов с излучением в свободное пространство. Применяется в качестве… …   Большая советская энциклопедия

  • открытый резонатор — atvirasis rezonatorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. open resonator vok. offener Resonator, m rus. открытый резонатор, m pranc. résonateur ouvert, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • открытый резонатор — Объемный резонатор, отражающие стенки которого не замкнуты …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • РЕЗОНАТОР — (от лат. resono звучу в ответ, откликаюсь), колебательная система, способная совершать колебания макс. амплитуды (резонировать) при воздействии внеш. силы определ. частоты и формы. В большинстве случаев Р. отзываются на гармонические… …   Физическая энциклопедия

  • Резонатор —         колебательная система с резко выраженными резонансными свойствами (см. Резонанс). На практике Р. обычно называют колебательные системы с распределёнными параметрами (с бесконечным числом степеней свободы). Р. упругих колебаний являются… …   Большая советская энциклопедия

  • Оптический резонатор —         Открытый резонатор оптического диапазона длин волн …   Большая советская энциклопедия

  • кольцевой резонатор — Открытый резонатор, зеркала которого обеспечивают распространение электромагнитных волн по замкнутому контуру …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • конфокальный резонатор — Открытый резонатор, образованный сферическими зеркалами, оси и фокусы которых совпадают …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • концентрический резонатор — Открытый резонатор, образованный сферическими зеркалами, оси и центры кривизны которых совпадают …   Политехнический терминологический толковый словарь


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.