تجويف بصري

التجويف البصري ، أو تجويف الرنين ، أو الرنان البصري، هو ترتيب من المرايا أو عناصر بصرية أخرى تحصر الموجات الضوئية ، على غرار حصر الرنان التجويفي للموجات الميكروية. تُعد التجاويف البصرية مكونًا رئيسيًا في الليزر ، حيث تُحيط بوسط التضخيم وتُوفر تغذية راجعة لضوء الليزر. كما تُستخدم أيضًا في المذبذبات البارامترية البصرية وبعض مقاييس التداخل . ينعكس الضوء المحصور في التجويف عدة مرات، مُنتجًا أنماطًا ذات ترددات رنين مُحددة . يُمكن تحليل هذه الأنماط إلى أنماط طولية تختلف فقط في التردد، وأنماط عرضية ذات أنماط شدة مختلفة عبر المقطع العرضي للشعاع. تُنتج أنواع عديدة من التجاويف البصرية أنماط موجات مستقرة .

تُصنّف أنواع الرنانات المختلفة بناءً على البعد البؤري للمرآتين والمسافة بينهما. ونادرًا ما تُستخدم المرايا المستوية لصعوبة ضبطها بدقة كافية. يجب اختيار شكل الرنان (نوعه) بحيث يظل الشعاع مستقرًا، أي لا يتزايد حجمه باستمرار مع انعكاسات متعددة. كما تُصمّم أنواع الرنانات لتلبية معايير أخرى، مثل الحد الأدنى لقطر الشعاع أو عدم وجود بؤرة (وبالتالي عدم وجود ضوء شديد في نقطة واحدة) داخل التجويف.

صُممت التجاويف البصرية بحيث يكون لها عامل جودة كبير ، مما يعني أن الشعاع يخضع للعديد من دورات التذبذب مع توهين ضئيل . ^{[ 1 ]} في نطاق قيم Q العالية، يكون هذا مكافئًا لعرض خط التردد الصغير مقارنة بتردد الرنين للتجويف.

ينعكس الضوء المحصور في الرنان عدة مرات من المرايا، وبسبب تأثيرات التداخل ، لا يحتفظ الرنان إلا بأنماط وترددات إشعاعية محددة، بينما تُقمع الأنماط الأخرى بالتداخل الهدام. وبشكل عام، تكون أنماط الإشعاع التي تُعاد إنتاجها في كل دورة ذهاب وإياب للضوء عبر الرنان هي الأكثر استقرارًا. وتُعرف هذه الأنماط بأوضاع الرنان . ^{[ 2 ]}

يمكن تقسيم أنماط الرنين إلى نوعين: الأنماط الطولية ، التي تختلف في تردداتها؛ والأنماط المستعرضة ، التي قد تختلف في كل من ترددها ونمط شدة الضوء. النمط المستعرض الأساسي للرنان هو شعاع غاوسي .

تتكون أكثر أنواع التجاويف البصرية شيوعًا من مرآتين مستويتين (مسطحتين) أو كرويتين متقابلتين. أبسطها هو تجويف فابري- بيرو ، أو التجويف المستوي المتوازي، ويتكون من مرآتين مستويتين متقابلتين. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} على الرغم من بساطته، نادرًا ما يُستخدم هذا الترتيب في الليزر واسع النطاق لصعوبة محاذاته؛ إذ يجب محاذاة المرآتين بشكل متوازٍ في غضون ثوانٍ قوسية قليلة ، وإلا فإن انحراف شعاع الليزر داخل التجويف سيؤدي إلى تسربه من جوانبه. مع ذلك، تقل هذه المشكلة بشكل كبير في التجاويف القصيرة جدًا ذات المسافة الصغيرة بين المرآتين ( أقل من 1  سم). لذلك، تُستخدم الرنانات المستوية المتوازية بشكل شائع في ليزرات الرقائق الدقيقة وليزر التجاويف الدقيقة وليزر أشباه الموصلات . في هذه الحالات، بدلًا من استخدام مرايا منفصلة، ​​يمكن تطبيق طلاء بصري عاكس مباشرة على وسط الليزر نفسه. يُعد الرنان المستوي المتوازي أيضًا أساس مقياس التداخل فابري-بيرو .

بالنسبة للرنان ذي المرآتين بنصفي انحناء R1 _و R2 ، توجد عدة تكوينات شائعة للتجويف. إذا كان نصفا الانحناء متساويين ويساويان نصف طول التجويف ( _R1 = R2 = L / 2 ) _، ينتج رنان متمركز أو كروي. يُنتج هذا النوع من التجاويف حزمة ضوئية محدودة الانعراج في مركز التجويف _، مع أقطار كبيرة للحزمة عند المرآتين، تملأ فتحة المرآة بالكامل. يشبه هذا النوع التجويف نصف الكروي، الذي يحتوي على مرآة مستوية ومرآة أخرى نصف قطرها يساوي طول التجويف.  

^{يُعدّ الرنان البؤري المتحد تصميمًا شائعًا ومهمًا ، حيث تتساوى أنصاف أقطار مراياه مع طول التجويف (R1 = R2 = L). [10] [11] [12] [13] [14] [15 ]} يُنتج هذا التصميم أصغر قطر ممكن للشعاع ^{عند مرايا التجويف لطول} _تجويف ^{مُحدد ، ويُستخدم غالبًا في} _الليزر ^{حيث تُعدّ نقاوة نمط الوضع المستعرض أمرًا} بالغ الأهمية.

يحتوي التجويف المقعر المحدب على مرآة محدبة واحدة ذات نصف قطر انحناء سالب. لا يُنتج هذا التصميم أي تركيز للشعاع داخل التجويف، وبالتالي فهو مفيد في الليزرات عالية الطاقة جدًا حيث قد تكون شدة الضوء ضارة بالوسط داخل التجويف إذا تم تركيزها.

تشمل أنواع الرنانات الأقل شيوعًا الرنانات الحلقية البصرية ورنانات نمط المعرض الهمسي ، حيث يتشكل الرنين بواسطة الموجات التي تتحرك في حلقة مغلقة بدلاً من الانعكاس بين مرآتين.

_{لا تُنتج الرنانات المستقرة ،} التي تُنتج إعادة تركيز دورية للشعاع داخل التجويف، إلا نطاقات محددة من قيم R1 _و R2 و L. أما إذا كان التجويف غير مستقر ، فسيزداد حجم الشعاع بلا حدود، حتى يتجاوز في النهاية حجم مرايا التجويف، فيُفقد. وباستخدام طرق مثل تحليل مصفوفة نقل الأشعة ، يُمكن حساب معيار الاستقرار: ^{[ 16 ]}

${\displaystyle 0\leqslant \left(1-{\frac {L}{R_{1}}}\right)\left(1-{\frac {L}{R_{2}}}\right)\leqslant 1.}$

القيم التي تحقق المتباينة تتوافق مع الرنانات المستقرة.

يمكن إظهار الاستقرار بيانياً من خلال تحديد معامل استقرار، g ، لكل مرآة:

${\displaystyle g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}}$،

ورسم العلاقة _بين g1 و g2 كما هو موضح. المناطق المحصورة بالخط g1g2 = 1 والمحاور مستقرة . أما التجاويف _{الواقعة تمامًا على الخط فهي مستقرة بشكل هامشي؛ إذ يمكن أن تؤدي} الاختلافات الطفيفة في طول التجويف إلى عدم استقرار الرنان، ولذلك غالبًا ما يتم تشغيل الليزر الذي يستخدم هذه التجاويف عمليًا داخل خط الاستقرار مباشرةً.

يصف بيان هندسي بسيط مناطق الاستقرار: يكون التجويف مستقرًا إذا تداخلت القطع المستقيمة بين المرايا ومراكز انحنائها، ولكن لا يقع أحدهما بالكامل داخل الآخر.

في تجويف المجهر متحد البؤر، إذا انحرف شعاع ضوئي عن مساره الأصلي في منتصف التجويف، فإن إزاحته بعد انعكاسه عن إحدى المرايا تكون أكبر من أي تصميم تجويف آخر. هذا يمنع الانبعاث التلقائي المضخم ، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم مضخمات طاقة عالية ذات جودة شعاع ممتازة.

إذا لم يكن التجويف البصري فارغًا (مثل تجويف الليزر الذي يحتوي على وسط التضخيم)، فيجب تعديل قيمة L لمراعاة معامل انكسار الوسط. وتؤثر العناصر البصرية، كالعدسات الموضوعة في التجويف، على استقرار النمط وحجمه. إضافةً إلى ذلك، في معظم أوساط التضخيم، تُحدث عدم التجانس الحراري وغيره تأثير عدسة متغيرًا في الوسط، وهو ما يجب أخذه في الاعتبار عند تصميم رنان الليزر.

قد تحتوي رنانات الليزر العملية على أكثر من مرآتين؛ وتُعدّ الترتيبات ثلاثية ورباعية المرايا شائعة، مما يُنتج "تجويفًا مطويًا". عادةً، يُشكّل زوج من المرايا المنحنية مقطعًا واحدًا أو أكثر من المقاطع البؤرية، بينما يكون باقي التجويف شبه متوازي باستخدام مرايا مستوية. يعتمد شكل شعاع الليزر على نوع الرنان: يمكن نمذجة الشعاع الناتج عن الرنانات المحورية المستقرة بدقة باستخدام شعاع غاوسي . في حالات خاصة، يمكن وصف الشعاع بأنه نمط عرضي واحد، ويمكن وصف خصائصه المكانية بدقة باستخدام الشعاع الغاوسي نفسه. بشكل عام، يمكن وصف هذا الشعاع بأنه تراكب لأنماط عرضية. يتضمن الوصف الدقيق لمثل هذا الشعاع التوسع على مجموعة كاملة ومتعامدة من الدوال (على بعدين) مثل كثيرات حدود هيرميت أو كثيرات حدود إنس . من ناحية أخرى، ثبت أن رنانات الليزر غير المستقرة تُنتج أشعة ذات شكل كسري. ^{[ 17 ]}

تُوضع بعض العناصر داخل التجويف عادةً عند خصر الشعاع بين الأجزاء المطوية. ومن الأمثلة على ذلك المُعدِّلات الصوتية البصرية لتفريغ التجويف ، والمرشحات المكانية الفراغية للتحكم في النمط المستعرض . بالنسبة لبعض الليزرات منخفضة الطاقة، قد يُوضع وسط كسب الليزر نفسه عند خصر الشعاع. أما العناصر الأخرى، مثل المرشحات والموشورات وشبكات الحيود، فغالبًا ما تحتاج إلى حزم كبيرة شبه متوازية.

تسمح هذه التصاميم بتعويض الاستجماتيزم في شعاع التجويف ، الناتج عن عناصر القطع من نوع بروستر داخل التجويف. كما أن الترتيب على شكل حرف Z للتجويف يعوض عن الانحراف الكروي ، بينما لا يفعل ذلك التجويف على شكل حرف دلتا أو X.

تؤدي الرنانات خارج المستوى إلى دوران شكل الشعاع وزيادة استقراره. وتؤدي الحرارة المتولدة في وسط التضخيم إلى انحراف تردد التجويف، لذا يمكن تثبيت التردد بشكل فعال عن طريق ربطه بتجويف غير مُشغَّل. وبالمثل، يمكن تحسين استقرار توجيه الليزر عن طريق الترشيح المكاني باستخدام الألياف البصرية .

تنسيق

يُعدّ المحاذاة الدقيقة أمراً بالغ الأهمية عند تجميع تجويف بصري. وللحصول على أفضل قدرة خرج وجودة شعاع، يجب محاذاة العناصر البصرية بحيث يكون مسار الشعاع متمركزاً عبر كل عنصر.

غالباً ما تُحاذى التجاويف البسيطة باستخدام ليزر محاذاة - وهو ليزر مرئي عالي التوازي يمكن توجيهه على طول محور التجويف. وتتيح مراقبة مسار الشعاع وانعكاساته من العناصر البصرية المختلفة ضبط مواضع هذه العناصر وزوايا ميلها.

يمكن محاذاة التجاويف الأكثر تعقيدًا باستخدام أجهزة مثل أجهزة التوجيه الذاتي الإلكترونية وأجهزة قياس ملامح شعاع الليزر .

يمكن استخدام التجاويف البصرية كخطوط تأخير بصرية متعددة المسارات، حيث تعمل على طي حزمة الضوء لتحقيق مسار طويل في حيز صغير. ينتج عن تجويف متوازي المستويات ذو مرايا مستوية مسار ضوئي متعرج، ولكن كما ذُكر سابقًا، فإن هذه التصاميم حساسة للغاية للاضطرابات الميكانيكية والانحراف. عند استخدام مرايا منحنية في تكوين شبه بؤري، يسير الشعاع في مسار دائري متعرج. يُسمى هذا الأخير خط تأخير من نوع هيريوت. توضع مرآة إدخال ثابتة خارج المحور بالقرب من إحدى المرايا المنحنية، وتوضع مرآة التقاط متحركة بالمثل بالقرب من المرآة المنحنية الأخرى. تُستخدم منصة خطية مسطحة بمرآة التقاط واحدة في حالة المرايا المسطحة، بينما تُستخدم منصة دوارة بمرآتين لخط تأخير من نوع هيريوت.

يؤدي دوران الشعاع داخل التجويف إلى تغيير حالة استقطابه . وللتعويض عن ذلك، يلزم وجود خط تأخير أحادي المسار، يتكون إما من ثلاث مرايا أو اثنتين في تكوين انعكاس عكسي ثلاثي الأبعاد أو ثنائي الأبعاد على التوالي، مثبتة على منصة خطية. ولمعالجة تباعد الشعاع، يمكن استخدام منصة خطية ثانية مزودة بعدستين. تعمل العدستان كمنظار، حيث تُنتجان جبهة طور مسطحة لشعاع غاوسي على مرآة طرفية افتراضية.

• التغذية الراجعة البصرية
• مذبذب ليزر محزز متعدد الموشورات (أو تجويف ليزر محزز متعدد الموشورات)
• نظرية الوضع المقترن
• ليزر انبعاث السطح ذو التجويف الرأسي

• Koechner, William. Solid-state laser engineering , 2nd ed. Springer Verlag (1988).
• مراجعة ممتازة من جزأين لتاريخ التجاويف البصرية:
  • سيغمان، أنتوني إي. (2000). "أشعة الليزر والمرنانات: ستينيات القرن العشرين" (ملف PDF) . مجلة IEEE للمواضيع المختارة في الإلكترونيات الكمومية . 6 (6): 1380-1388 . رمز Bibcode : 2000IJSTQ...6.1380S . CiteSeerX 10.1.1.205.5688 . doi : 10.1109/2944.902192 . S2CID 15892498. مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 7 يناير 2007. تاريخ الاسترجاع: 1 أغسطس 2006 .  
  • سيغمان، أنتوني إي. (2000). "أشعة الليزر والمرنانات: ما بعد الستينيات" (ملف PDF) . مجلة IEEE للمواضيع المختارة في الإلكترونيات الكمومية . 6 (6): 1389-1399 . رمز Bibcode : 2000IJSTQ...6.1389S . CiteSeerX 10.1.1.205.5995 . doi : 10.1109/2944.902193 . S2CID 796212. مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 7 يناير 2007. تاريخ الاسترجاع : 1 أغسطس 2006 .