Тема: Лазеры с резонаторами и без оных

[diant]

Gall, а можно ли как-то простыми словами описать, когда одно из двух зеркал (которое не глухое) должно иметь пропускание "почти ничего" (скажем 1%), а когда оно может быть вообще полупрозрачным (50% пропускание)? От каких свойств активной среды это зависит?

Или может быть этот же вопрос можно упростить - просто привести примеры реальных лазеров, у которых выпускающее зеркало почти непрозрачно и наоборот сильно прозрачно. А я уже над ними покумекаю.

[Gall]

Чисто от усиления зависит. Прозрачность зеркала равноценна поглощению. Усиление должно превышать поглощение. Т.е. через зеркало должно выходить меньше фотонов, чем образуется за один проход через резонатор.

Реальные примеры: газовые лазеры на нейтральных атомах (He-Ne, He-Cd, He-Hg и иже с ними) имеют маленькое усиление, в них используют примерно 99%-е зеркало. Особенно желтый и зеленый He-Ne, на этих линиях совсем плохое усиление, и до изобретения хороших диэлектрических зеркал He-Ne на этих длинах волн вообще не могли сделать. Большинство твердотельных лазеров имеют довольно большое усиление, у них может быть 50%, а иногда даже и 10%. У CO2-лазера примерно так же. Совсем крайний пример - азотный лазер, там допустимо зеркало 0% (то есть отсутствие зеркала).

[diant]

Gall, спасибо! Примерно так я себе и представлял, но смутно. Теперь туман рассеялся

[Gall]

Тут еще вот что надо добавить (в основном в связи с вашей темой про покупку зеркал). Для лазера важен, очевидно, коэффициент отражения, а не пропускания. До сих пор мы представляли себе идеальные зеркала, у которых отражение+пропускание=100%, и исходя из этого выбирали 1% пропускания. У реального зеркала есть еще и поглощение, его надо учитывать на практике. И вот с ним все плохо.

Есть зеркала металлические и есть зеркала диэлектрические. Главный недостаток металлических - низкое отражение даже у лучших. Характерные цифры: лучшие зеркала 95%, рядовое оптическое зеркало 93%, зеркала в некритичных приборах (зеркало гальванометра) 90%, бытовые зеркала 75%. Остальное поглощается. У полупрозрачного зеркала поглощение остается тем же, т.е. зеркало с 5% пропускания ну никак не будет иметь больше 90% отражения.

У диэлектрических поглощение почти 0, но зато очень узкий рабочий диапазон длин волн и углов. Ширина спектра рабочего диапазона почти никогда не бывает больше 100 нм, более типичны величины около 50 нм. Отклонение угла падения света от расчетного равноценно сдвигу длин волн. Вне рабочего диапазона отражение падает скачком почти до нуля. Например, зеркало со 100%-м отражением на 633 нм для глаза выглядит как прозрачное стеклышко с легким то ли золотистым, то ли голубым оттенком, меняющее цвет в зависимости от угла зрения. Серийно выпускаются зеркала в основном под нормальное падение или 45-градусное отражение, под распространенные длины волн (532, 633, 650, 1064 и т.д.). Лазерные зеркала часто бывают сферическими, вогнутыми, поскольку предназначены в основном для устойчивых резонаторов. Резонаторы из двух плоских зеркал почти никогда не применяются, в крайнем  случае плоским бывает одно из зеркал. Причина таких решений - нежелание вводить в резонатор (особенно в сложный) линзы.

Поэтому, увы, широкополосных зеркал с высоким отражением не существует. Существуют широкополосные с плохим отражением и узкополосные с высоким. В перестраиваемых лазерах из положения выходят, заменяя глухое зеркало на дифракционную решетку (одновременно и перестройку обеспечивая) или призму-ретрорефлектор. Даже если остается одно зеркало с потерями, все равно потери падают вдвое. В мощных импульсных лазерах вместо глухого зеркала можно поставить элемент на эффекте ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна), убив сразу трех зайцев - и отражение, и модуляция добротности, и чистка луча за счет сопряжения фазы.

Зеркала под длины волн типичных лазеров серийно и на заказ производятся в Китае, их нетрудно найти на aliexpress.com.

[diant]

Gall, параллельно с вашими ответами читаю понемногу в сети и смотрю кто что производит и продает. Так понемногу и складывается картина.

>  Главный недостаток металлических - низкое отражение даже у лучших.

Да, понимаю.
Кстати, сразу вопрос. Есть обычные глухие серебряные широкополосные зеркала с защитным покрытием. Почти все производители имеют их в репертуаре. И как правило для нового зеркала в диапазоне 450-700 заявляется очень хорошее отражение, типа не хуже 97%. Верю. Но вот интересно, как такое серебряное покрытие "под защитой" ведет себя со временем? Как быстро оно станет в этой полосе хуже защищенного алюминия, который уже с завода сходит не лучше R90%?

>У диэлектрических поглощение почти 0, но зато очень узкий рабочий диапазон длин волн и углов

Вроде бывают и диэлектрические широкополосные?
Например BB1-E02 у Торлаба:
http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=139&pn=BB1-E02
И цены не грабительские. R99% в полосе 400-700.
Углы у меня всегда 0 гр - это не пугает.

А вто чего я его пока не очень понимаю, зачем половину зеркал делают дл 45 гр. падения? Это для каких резонаторов?

>Резонаторы из двух плоских зеркал почти никогда не применяются, в крайнем  случае плоским бывает одно из зеркал.

И наверное всегда - глухое?

> В мощных импульсных лазерах вместо глухого зеркала можно поставить элемент на эффекте ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна)

Про такой эффект даже не слышал, надо будет почитать. Про решетку для сепарации (вместо зеркала) уже понял, красивый прием.

> Зеркала под длины волн типичных лазеров серийно и на заказ производятся в Китае, их нетрудно найти на aliexpress.com.

Я все на ebay смотрю, а про aliexpress не знал - познакомлюсь.
Что еще удивляло (до сих пор), почему все плоские зеркала для лазеров продаются только в глухом варианте. Частично-прозрачных практически нигде нет. Теперь кажется понимаю (если не прав - поправьте). Видимо причина в том, что плоскопараллельные резонаторы почти не используются.

[Gall]

Кстати, сразу вопрос. Есть обычные глухие серебряные широкополосные зеркала с защитным покрытием. Почти все производители имеют их в репертуаре. И как правило для нового зеркала в диапазоне 450-700 заявляется очень хорошее отражение, типа не хуже 97%. Верю. Но вот интересно, как такое серебряное покрытие "под защитой" ведет себя со временем? Как быстро оно станет в этой полосе хуже защищенного алюминия, который уже с завода сходит не лучше R90%?

Сильно зависит от качества изготовления. Те, которые я видел, за несколько лет не испортились, но они были из самых дорогих. Про дешевые не знаю абсолютно ничего.

Вроде бывают и диэлектрические широкополосные?

Бывают, но они чуть-чуть больше поглощают и пропускают, чем узкополосные. Даже у этих - две девятки. У узкополосных чаще три. При многократных отражениях все это возводится в степень, и разница становится весьма существенной. Я делал интерферометры Фабри-Перо на разных зеркалах, так там разница невооруженным глазом видна становится.

А вто чего я его пока не очень понимаю, зачем половину зеркал делают дл 45 гр. падения? Это для каких резонаторов?

Для колец, а также просто для отклонения мощных лучей. Лазер - он длинный, его обычно ставят вдоль стола, а потом зеркалами заворачивают луч на стол. Металлические зеркала на мощном луче сильно греются.

>Резонаторы из двух плоских зеркал почти никогда не применяются, в крайнем  случае плоским бывает одно из зеркал.

И наверное всегда - глухое?

Когда как. Чаще резонатор просто бывает сфера-сфера - проще и надежнее. Сферу-плоскость используют обычно тогда, когда форма зеркала обусловлена технологическими ограничениями. А ограничения не спрашивают, на какое зеркало им быть

> В мощных импульсных лазерах вместо глухого зеркала можно поставить элемент на эффекте ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна)

Про такой эффект даже не слышал, надо будет почитать. Про решетку для сепарации (вместо зеркала) уже понял, красивый прием.

Дифракция света (с обратным отражением) на неоднородностях, созданных в среде самим же лучом. Наблюдается, например, в ацетоне (годится даже растворитель из хозтоваров) при энергиях/мощностях как у небольших импульсных Nd:YAG. В них же и применяется.

А решетка - да, прекрасная идея. Для самодельного лазера на красителях практически безальтернативный вариант. Юстировать просто, перестройку дает, потери маленькие.

Я все на ebay смотрю, а про aliexpress не знал - познакомлюсь.

Китайский вариант eBay - если известно, что вещь делается в Китае, то там она будет дешевле. Некоторые вещи (например, запчасти к сотовым) вообще есть только там.

Что еще удивляло (до сих пор), почему все плоские зеркала для лазеров продаются только в глухом варианте. Частично-прозрачных практически нигде нет. Теперь кажется понимаю (если не прав - поправьте). Видимо причина в том, что плоскопараллельные резонаторы почти не используются.

Так и есть. Плоские зеркала - они для того, чтобы гонять уже вышедший из лазера пучок туда-сюда, ну или чтобы делать длинные зигзагообразные или кольцевые резонаторы. Внутри лазера - сфера, и не в последнюю очередь из-за требований к юстировке.

У высококачественных лазеров в первую очередь резонатор сложный. Если такой лазер разобрать, обычно там даже трудно бывает понять, что зачем стоит и как луч идет. Сложная траектория, куча зеркал, призмы, клинья, всякие дополнительные элементы "чистки" луча вроде эталонов и диафрагм и т.д., одни элементы компенсируют неидеальности других - в общем, действительно сложная конструкция. Особенно если лазер - MOPA (т.е. генератор + усилитель).

[diant]

(вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна)

Дифракция света (с обратным отражением) на неоднородностях, созданных в среде самим же лучом. Наблюдается, например, в ацетоне (годится даже растворитель из хозтоваров) при энергиях/мощностях как у небольших импульсных Nd:YAG. В них же и применяется.

Gall, а можно чуток подробнее про этот эффект. Очень интересный.
Я тут прочитал, что в кварце он требует очень мощных полей для проявления. И вообще где бы про него почитать более менее доступно (не армадой формул)? У Звелто что-то ничего про это не нашел...

[Gall]

Что там подробно объяснять без формул, я не знаю, честно говоря. Суть явления в том, что в жидкости или в твердом теле любые движения атомов могут распространяться только в виде волн (по сути, звуковых). Луч лазера вызывает колебание молекул, эти молекулы передаются их соседям и создают звуковую волну. Но поскольку луч лазера действует по всей своей длине, создавая такие волны в каждой точке, то картина волн получается совершенно определенной и "повторяет" структуру луча. Полученные неоднородности образуют периодическую структуру, которая работает как фазовая дифракционная решетка - ну или как многослойное диэлектрическое зеркало, если хотите. От него луч и отражается обратно.

Замечательное свойство ВРМБ - оно сопрягает фазу, т.е. фаза ведет себя с точностью до наоборот по сравнению с обычным отражением. Поэтому ВРМБ "лечит" луч, фаза которого сдвинулась в оптике: отразившись и проходя обратно через ту же оптику, луч восстанавливает первоначальную фазу. Это свойство используется для улучшения когерентности лазеров, особенно в MOPA-схеме.

Еще одно (грубое, но суть отражающее) описание эффекта ВРМБ: луч лазера записывает голограмму самого себя и сам же ее воспроизводит немедленно.

Для ВРМБ лучше всего подходят органические жидкости. Кювета с ацетоном длиной несколько сантиметров прекрасно работает в Nd:АИГ. Тут на форуме даже делали такой лазер, фотки есть.

[diant]

Gall, понял, спасибо. Еще буду читать об этом эффекте, может что-то потом по нему спрошу. А пока перехожу в другую тему - есть практический вопрос...

[товарищ мышъ]

 Читал про лазер на бромиде меди он вроде без резонатора. Это так или я ошибаюсь?

[Gall]

Я видел конструкцию с резонатором, но наверное без резонатора тоже можно сделать. У галогенидов металлов довольно большое усиление.

Лазер на красителях при импульсной лазерной накачке точно можно сделать без резонатора (красителя концентрацию побольше сделать и все), но это не имеет практического смысла. Возиться с пачкающими и капризными жидкостями стоит только ради высокого качества (когерентности, спектра) луча, а высокое качество без резонатора не бывает.