تشدیدگر اپتیکی

تعریف: چیدمان و تنظیم اجزای اپتیکی به‌طوری‌که به‌یک پرتو نور اجازه گردش می‌دهند.

تشدیدگر اپتیکی (یا کاواک اپتیکی تشدید) چیدمان ترازمند از اجزای اپتیکی است که به ‌یک پرتو نور اجازه می‌دهد تا در یک مسیر بسته گردش کند. این نوع تشدیدگر‌ها را می‌توان به‌ اشکال بسیار مختلفی ساخت.

تشدیدگرهایی با قطعات اپتیکی حجمی در مقایسه با تشدیدگرهای موجبری

یک تشدیدگر اپتیکی می‌تواند از قطعات اپتیکی حجمی ساخته شود، یا همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، به‌عنوان تشدیدگر موجبری[1]، نور به‌ جای ارسال از طریق فضای آزاد، در این سازه‌ها هدایت ‌شود.

از تشدیدگر‌های اپتیکی حجمی برای مثال در لیزرهای بزرگ حالت جامد استفاده می‌شود. خصوصیات مد عرضی آن‌ها به ‌تنظیمات کلی (از جمله طول فضاهای پر شده از هوا) بستگی دارد و مد اندازه‌های بسیار متفاوتی در امتداد طول تشدیدگر می‌تواند داشته‌ باشد. در بعضی موارد، خصوصیات مدی نیز به ‌طور قابل توجهی تحت‌تأثیر اجزایی مانند لنز حرارتی[2] قرار می‌گیرند.

تشدیدگر‌های موجبری اغلب با فیبر اپتیکی (به‌عنوان مثال برای لیزرهای فیبری) یا به‌ صورت اپتیک یکپارچه[3] ساخته می‌شوند. خصوصیات مد عرضی توسط خصوصیات جایگزیده موجبر تعیین می‌شود.

همچنین انواع تشدیدگر‌های تلفیقی وجود دارد که شامل موجبر و قسمت‌هایی است که انتشار اپتیکی در فضای آزاد انجام می‌شود. از این تشدیدگرها برای مثال در بعضی از لیزرهای فیبری، که لازم است قطعات اپتیکی حجمی به تشدیدگر لیزری اضافه شوند، استفاده می‌شود.

شکل1: یک تشدیدگر اپتیکی خطی ساده با آینه منحنی (بالا) و یک تشدید کننده حلقه پاپیونی چهار آینه (پایین).

 

 

تشدیدگر‌های خطی در مقایسه با تشدیدگر‌های حلقه‌ای

تشدیدگر‌های خطی (یا موج ایستاده) (در شکل 1، بالا) به‌گونه‌ای ساخته شده‌اند که نور بین دو آینه انتهایی به در رفت و برگشت است. برای گردش مداوم نور، همیشه امواجی وجود دارد که در خلاف جهت یکدیگر منتشر می‏شوند و با ایجاد تداخل با یکدیگر الگوی موج ایستاده را تشکیل می‌دهند.

در تشدیدگر‌های حلقه‎ای (شکل 1 پایین)، نور می‌تواند در دو جهت مختلف گردش کند. تشدیدگر حلقه‌ای آینه انتهایی ندارد.

در هر صورت، یک تشدیدگر ممکن است شامل عناصر اپتیکی اضافی باشد که در هر رفت و برگشت آن‌ها را پشت سر می‌گذارد. به‌عنوان مثال، یک تشدیدگر لیزر دارای یک محیط بهره است که می‌تواند تلفات تشدیدگر را در هر دور برگشت نور جبران کند.

در طول حرکت رفت و برگشتی در تشدیدگر، نور اثرات فیزیکی مختلفی را تجربه ‌می‌کند که توزیع فضایی آن را تغییر می‌دهد: پراش، همگرا (کانونی) یا واگرا شدن نور توسط عناصر اپتیکی (گاهی اوقات شامل خواص غیرخطی اپتیکی است. در موارد خاص هدایت بهره، جذب اشباع و غیره را نیز تجربه می کند).

برخی تفاوت‌های مهم بین تشدیدگر‌های خطی و تشدیدگر حلقه‌ای:

• در یک تشدیدگر حلقه‌ای، نور می‌تواند در دو جهت مختلف گردش کند. اگر آینه تزویج‌گر خروجی[4] وجود داشته باشد، منجر به ‌دو پرتوی خروجی متفاوت می‌شود. یک تشدیدگر خطی با تزویج‌گر خروجی انتهایی این پدیده را نشان نمی‌دهد.
• یک قطعه اپتیکی در یک تشدیدگر حلقه‌ای یک بار در هر دور گردش و دو بار در یک تشدیدگر خطی (بجز آینه‌های انتهایی) مورد اصابت نور قرار می‌گیرد.
• هنگامی که نور از طریق یک آینه نیمه‌شفاف به‌ یک تشدیدگر خطی تزریق می‌شود، نور بازتاب‌ شده می‌تواند به سمت ‌منبع نور انتشار یابد. این اتفاق برای تشدیدگر حلقه‌ای وجود ندارد. بنابراین گاهی اوقات تشدیدگر‌های حلقه‌ای برای دو برابرسازی فرکانس تشدید در یک منبع لیزر که نسبت به ‌بازگشت نور حساس است، ارجح هستند.
• تشدیدگر غیر موجبری خطی می‌تواند دارای دو منطقه پایدار[5] باشد؛ یا برای تغییر توان دیوپتری(معکوس فاصله کانونی) لنز داخلی یا تغییر طول بازوی تشدیدگر. تشدیدگر حلقه‌ای فقط یک منطقه پایداری دارد. (اگر لنز داخلی بیش از یک بار در هر دور رفت و برگشت در تشدیدگر حلقه‌ای یا بیش از دو بار در تشدیدگر خطی طی شود، مناطق پایداری بیشتری می‎تواند بهوجود بیاید.)
• فرود غیر طبیعی نور به هر آینه تشدیدکننده یک تشدیدگر حلقه‎ای، در صورتی‌که آینه تشدیدگر دارای سطح منحنی باشد، باعث ایجاد آستیگماتیسم می‌شود. از هندسه تشدیدگر حلقه پاپیون اغلب برای به‌حداقل رساندن آستیگماتیسم با کوچک نگه‌داشتن زاویه‌های فرود پرتو استفاده می‌شود.
• تشدیدگر‌های حلقه‌ای یکپارچه با فاکتور Q بالا می‌توانند از بازتاب داخلی کامل در تمام سطوح بهره ببرند و بنابراین ممکن است به‌هیچ آینه دی‌الکتریکی[6] نیاز نداشته باشند.

تشدیدگر‌های با قطعات اپتیکی حجمی پایدار در مقایسه با تشدیدگر‌های دارای قطعات اپتیکی حجمی ناپایدار

پایداری یک تشدیدگر اپتیکی حجیم اساساً به‌این معنی است که با وجود برخی جابجایی‌های عرضی اولیه در مکان و زاویه پرتوی که به ‌سیستم تزریق می‌شود، پرتوی نور در طول رفت و برگشت‌ها، در محدوده سیستم باقی ‌بماند. برای تشدیدگر‌های ناپایدار، پرتوهایی وجود دارد که افزایش زاویه نامحدودی در اثر جابجایی عرضی نشان می‌دهد، به‌طوری که سیستم اپتیکی را ترک می‌کنند.

پایداری یک تشدیدگر به‌خصوصیات و تنظیمات اجزای اپتیکی، مانند انحنای سطوح بازتابنده، سایر اثرات کانونی و فواصل بین اجزا بستگی دارد. هنگامی که یک پارامتر مانند طول بازو یا توان دیوپتری عنصر کانونی در تشدیدگر تغییر می‌کند، ممکن است تشدیدگر از یک (برای تشدیدگر‌های حلقه‎ای) یا دو (برای تشدیدگر‌های موج ایستاده) منطقه پایدار عبور کند. در لبه‌های مناطق پایداری، اندازه پرتوها در انتهای تشدیدگر ممکن است واگرا شوند یا به‌سمت صفر بروند، همچنین ممکن است حساسیت تنظیمات[7] نیز همگرایی داشته باشد.

بیشتر لیزرهای بزرگ حالت جامد مبتنی بر تشدیدگر‌های پایدار هستند، اما تشدیدگر‌های ناپایدار در برخی از لیزرها دارای مزایایی هستند، خصوصاً در لیزرهایی که دارای توان خروجی و محیط بهره بسیار بالا هستند، که در آنجا کیفیت پرتو بهتری به‌دست می‌آید. مدهای تشدیدگر ناپایدار دارای خصوصیات نسبتاً پیچیده‌ای هستند. تزویج‌گر خروجی این تشدیدگرها اغلب با یک آینه با بازتابندگی بالا انجام می‌شود که در آن بخشی از نور در گردش در اطراف لبه‌ها (یا احتمالاً فقط در یک طرف) از بین می‌رود. امکان دیگر،استفاده از آینه تزویج‌گر خروجی نیمه انتقال دهنده با تغییرات عرضی بازتاب (آینه‌های بازتابنده گاوسی) است.

مدهای تشدیدگر

مدهای تشدیدگر اساساً دارای توزیع میدان نور خودسازگار هستند. به‌صورت دقیق‌تر، توزیع‌های میدان الکتریکی ک در هر رفت و برگشت تشدیدگر خود، تولیدمثل می‌کنند (جدا از اتلاف احتمالی توان).

ویژگی‌های مدهای تشدیدگر بستگی زیادی به‌جزئیات مختلف دارد:

• در تشدیدگر‌های موجبری، ساختار مد عرضی فقط با ویژگی‌های موجبر تعیین می‌شود و اگر ویژگی‌های موجبر ثابت باشد، در همه جای تشدیدگر ثابت است. فقط یک شکل مد عرضی ممکن است وجود داشته باشد، به‌عنوان مثال اگر از فیبر تک مد استفاده شود.
• در تشدیدگر‌های دارای قطعات اپتیکی حجمی، ویژگی‌های مد به ‌تنظیمات اپتیکی کلی بستگی دارد و بین تشدیدگر‌های پایدار و ناپایدار تفاوت زیادی هست (به ‌بالا مراجعه کنید). برای تشدیدگر‌های پایدار، الگوهای مد عرضی را می‌توان به‌عنوان مثال با توابع هرمیت-گوسی[8] توصیف کرد. کمترین مرتبه‌ مد (مد محوری، مد اساسی) ساده‌ترین مشخصات را دارد؛ اشکال پیچیده‌تر با مدهای مرتبه‌ بالاتر مطابقت دارند. خصوصیات مد را می‌توان با استفاده از الگوریتم ماتریسABCD[9] محاسبه‌کرد. تشدیدگر‌های ناپایدار ساختار مد بسیار پیچیده‌تری دارند که فقط به ‌صورت عددی قابل محاسبه ‌است. به‌طور کلی، اندازه مد عرضی در امتداد محور تشدیدگر متفاوت است.

برای هر یک از الگوهای مد عرضی، فقط فرکانس‌های اپتیکی خاصی وجود دارد که فاز اپتیکی به‌طور خودکار پس از هر دور رفت و برگشت تولید می‌شود (یعنی تغییر فاز رفت و برگشت یک مضرب صحیح از  است). این‌ها فرکانس‌های مد یا فرکانس‌های تشدید نامیده می‌شوند و تقریباً برابر هستند (اما به‌دلیل پاشیدگی رنگی[10] دقیقاً مساوی نیستند). فاصله فرکانس مدهای تشدیدگر، که محدوده طیفی آزاد (FSR) [11]نامیده می‌شود، زمان معکوس رفت و برگشت، یا به ‌بیان دقیق‌تر تأخیر معکوس رفت و برگشت گروه است. این بدان معنی است که محدوده طیفی آزاد با افزایش طول تشدیدگر کوچک‌تر می‌شود. نسبت فاصله فرکانس به ‌عرض تشدیدها (پهنای باند رزوناتور) ظرافت گفته می‌شود و با اتلاف توان در هر رفت و برگشت رزوناتور تعیین می‌شود. یک مقدار مرتبط دیگر فاکتور Q است که نسبت فرکانس رزونانس و پهنای باند است.

تقویت تشدیدی

اگر آینه قسمت انتهایی تا حدی شفاف باشد، نور می‌تواند از خارج به‌ درون تشدیدگر وارد شود. بالاترین توان اپتیکی داخلی (و حداکثر انتقال از طریق یک تشدیدگر) را می‌توان زمانی به‌ دست ‌آورد که نور ورودی (تک رنگ) دارای فرکانسی مطابق با یکی از مدها باشد و اشکال فضایی نیز مطابقت داشته باشند (تطبیق مد[12]). به‌ خصوص برای تشدیدگر‌های کم اتلاف، پس از آن توان درون‌ کاواک می‌تواند با استفاده از تقویت تشدیدی (کاواک‌های تقویت‌کننده) تا حد زیادی از توان ورودی فراتر رود.

تقویت تشدیدی برای قطارهای منظم پالس‌های نور ، درصورتی که فرکانس‌های حرکت پالس با تشدیدهای اپتیکی مطابقت داشته باشند نیز ممکن است. در حوزه زمان  این بدان معنی است که دوره پالس با زمان رفت و برگشت تشدیدگر یا کسر عدد صحیح آن مطابقت داشته باشد.

خصوصیات ظریف تشدیدگرهای دارای قطعات اپتیکی حجمی

فیزیک تشدیدگر‌های حجمی به‌ طور شگفت‌انگیزی از نظر ماهیت غنی است. برخی جنبه‌های جالب توجه آن عبارتند از:

• به‌طور کلی مدهای یک تشدیدگر با از دست دادن یا به‌ دست‌ آوردن نوسان عرضی اپتیکی مجموعه‌ای متعامد را تشکیل نمی‌دهد. این مدهای غیر عادی دارای برخی ویژگی‌های عجیب و خاص هستند. به‌عنوان مثال، کل توان موجود در یک برهم نهی از چنین مدهایی، مجموع توان در مدهای مختلف نیست. تحت برخی شرایط، تشدیدگر‌ها با مد‌های غیر طبیعی را می‌توان با تجزیه و تحلیل پرتوی پیچیده گوسی بررسی کرد؛ به‌عنوان مثال عناصر ماتریس ABCD و شعاع پرتو گاوسی می‌توانند اعداد مختلط باشند.
• در شرایط دارای آستیگماتیسم عمومی (مانند برخی از تشدیدگر‌های لیزر حلقه‌ای غیر مسطح)، اثرات جالبی مانند چرخش تصویر، چرخش قطبش و به ‌اصطلاح پرتوهای پیچ‌خورده وجود دارد.
• از نظر فنی روش‌های جالبی (اغلب با ماهیت عددی) برای طراحی یک تشدیدگر با خصوصیات معین وجود دارد.
• طراحی تشدیدگر لیزر تأثیرات مهمی در جنبه‌های مختلف عملکرد لیزر مانند در حساسیت تنظیمات و کیفیت پرتو دارد.

کاربرد تشدیدگر‌های اپتیکی

تشدیدگر‌های اپتیکی برای اهداف زیر استفاده می‌شوند:

• به‌عنوان تشدیدگر‌های لیزر، که در آن تلفات تشدیدگر توسط یک محیط بهره جبران می‌شود تا توان اپتیکی را حفظ یا ایجاد کند.
• به‌عنوان سنجه[13] برای فیلترکردن محتوای فرکانس تابش اپتیکی
• برای فیلتر کردن شکل عرضی تابش اپتیکی (کاواک‌های پاک کننده مد)
• به‌عنوان استانداردهای فرکانس اپتیکی کوتاه‌مدت (هنگامی که به‌عنوان مثال فرکانس لیزر در فرکانس تشدید یک کاواک مرجع پایدار قفل می‌شود).
• برای اندازه‌گیری دقیق طول، به‌عنوان مثال بهره‌برداری از تشدیدگر‌های متناوب هنگام تغییر طول تشدیدگر
• برای بهره‌برداری از تقویت تشدیدی توان داخل کاواک (کاواک‌های افزایشی)، به‌طور مثال به‌منظور دستیابی به‌دو برابر شدن فرکانس موثر نور از لیزر تک فرکانس کم توان.
• برای اندازه‌گیری دقیق تلفات سطح کم انرژی با ثبت واپاشی توان تابش داخل کاواک

• برای ایجاد اثرات پاشندگی رنگی، به‌عنوان مثال با تداخل سنج Gires–Tournois [14]

 

منبع:

https://www.rp-photonics.com/optical_resonators.html

واژه‌نامه:

[1] :Waveguide سازه‌های شفاف فضایی ناهمگن برای هدایت نور.

[2] Thermal Lensing: یک اثر عدسی ناشی از گرادیان دما.

[3] Integrated Optics: فناوری مربوط به‌ساخت مدارهای فوتونیک یکپارچه.

[4] Output Coupler: آینه‌های لیزری نیمه شفاف، که برای استخراج پرتوهای خروجی از تشدیدگر های لیزری استفاده می‌شود.

[5] Stability Zone: مناطق پارامتر یک تشدیدگر نوری که تشدید کننده از نظر هندسی پایدار است.

[6] Dielectric mirrors: آینه‌هایی متشکل از چندین لایه نازک از مواد مختلف اپتیکی شفاف.

[7] Alignment Sensitivity : حساسیت لیزر، تشدید کننده اپتیکی یا برخی از دستگاه‌های دیگر نسبت به‌عدم ترازمندی.

[8] حالت‌های انتشار یا حالت‌های تشدیدگر که با توابع هرمیت – گوسی توصیف می شوند.

[9] یک ماتریس 2 در 2 که اثر یک عنصر اپتیکی را بر روی پرتو لیزر توصیف می کند.

[10] Chromatic Dispersion

[11] free spectral range (FSR) فاصله فرکانس مدهای محوری یک تشدیدگر اپتیکی

[12] Mode Matching: انطباق دقیق فضایی توزیع میدان‌الکتریکی پرتوهای لیزر و مدهای تشدیدگر یا مدهای موجبر

[13] Etalons: دستگاه‌های تداخل یکپارچه حاوی دو سطح بازتاب‌کننده موازی

[14] تشدیدگر‌های اپتیکی خطی که برای نمایش پاشندگی رنگی استفاده می شود.