Оптический резонатор — Википедия

Оптический резонатор — совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ), формирующих стоячую световую волну. Оптические резонаторы являются одним из основных элементов лазеров, обеспечивая положительную обратную связь для обеспечения многократного прохождения лазерного излучения через активную среду, что приводит к усилению светового потока.

В оптическом диапазоне резонатор с размерами порядка длины волны не может быть применен в силу технологических трудностей и из-за резкого падения добротности; резонатор типа замкнутой металлической полости больших по сравнению с длиной волны размеров не может быть применен в силу высокой плотности его собственных колебаний, приводящих к потере резонансных свойств. Необходимы резонаторы с разреженным спектром собственных колебаний. Такими свойствами обладают открытые резонаторы, что и обуславливает их применение в оптическом диапазоне.

Свет многократно отражается, образуя стоячие волны с определенными резонансными частотами. Продольные моды отличаются, как правило, только частотой, в то время как поперечные моды имеют существенно различное распределение интенсивности в сечении луча. Наиболее часто используются оптические резонаторы, образованные двумя отражающими элементами, такими как зеркала или уголковые отражатели, и простейшим оптическим резонатором является интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Однако для лазеров случай двух плоских зеркал используется не очень часто, ввиду сложности юстировки. Используются резонаторы со сферическими зеркалами. Такие резонаторы отличаются радиусом кривизны (следовательно и фокусным расстоянием) отражающих элементов и расстоянием между ними. Геометрические параметры резонатора выбираются исходя из требований устойчивости, а также других факторов, таких как, например, формирование наименьшей перетяжки оптического пучка.

Оптические резонаторы обычно конструируются таким образом, чтобы иметь наиболее высокую добротность (порядка 103−109{\displaystyle 10^{3}-10^{9}}): свет должен отражаться максимальное количество раз, не затухая, поэтому ширина резонансных пиков очень мала по сравнению с частотой излучения лазера.

Моды оптического резонатора Поперечные моды оптического резонатора со сферическими зеркалами Поперечные моды оптического резонатора с плоскими зеркалами

Свет в резонаторе многократно отражается от зеркал. Отраженные лучи интерферируют, что приводит к тому, что только определенные распределения полей на определенных частотах будут сохраняться в резонаторе, излучение на других частотах или с другим распределением будет подавлено за счет интерференции или быстро покинет резонатор. Распределения, которые повторяются при одном полном проходе резонатора являются наиболее стабильными и называются собственными модами или модами резонатора. Моды оптического резонатора подразделяют на две группы: продольные, отличающиеся частотой, и поперечные, которые отличаются как частотой, так и распределением поля в сечении пучка. Обычно основная поперечная мода представляет собой гауссовский пучок.

Исследования А. Фокса и Т. Ли в 1960-1961 гг. предоставили наглядную картину формирования собственных мод открытого резонатора методом рассмотрения изменений в распределении амплитуды и фазы первоначально плоской волны при её многократных последовательных проходах через резонатор. Анализ Фокса и Ли, выполненный ими для открытых резонаторов типа интерферометра Фабри-Перо в нескольких геометрических конфигурациях (прямоугольные плоские зеркала, круглые плоские зеркала), а также для конфокальных сферических и параболических зеркал, привел к следующим выводам:

1. Открытые резонаторы характеризуются дискретным набором колебательных мод.
2. Однородные плоские волны не являются нормальными модами открытых резонаторов
3. Электромагнитные волны, соответствующие собственным модам резонатора, почти полностью поперечны. Поэтому моды обозначаются символом ТЕМ.
4. Моды более высокого порядка имеют более высокие дифракционные потери, чем основная мода.
5. Для основной моды амплитуда поля сильно уменьшается к краям зеркала. Поэтому её дифракционные потери много меньше предсказываемых на основе представления об однородных плоских волнах и в реальных ситуациях пренебрежимо малы.

Частота моды пустого оптического резонатора с идеальными бесконечно большими зеркалами удовлетворяет соотношению:

Ωqnm=cL(πq+(1+n+m)arccos⁡g1g2){\displaystyle \Omega _{qnm}={\frac {c}{L}}(\pi q+(1+n+m)\arccos {\sqrt {g_{1}g_{2}}})}

Где Ωqnm{\displaystyle \Omega _{qnm}} — Угловая частота моды с индексами q,n,m. q — индекс продольной моды, n,m — индексы поперечной моды. c — скорость света. L — расстояние между зеркалами для плоского резонатора и половина периметра для кольцевого резонатора. g1,g2{\displaystyle g_{1},g_{2}} — g-параметры резонатора (см. #Устойчивость резонатора).^[1]

Оптические резонаторы могут содержать большое количество отражающих и других элементов, но наиболее часто применяются двухзеркальные резонаторы, зеркала которых плоские или сферические. В зависимости от радиусов зеркал и их взаимного расположения выделяют следующие типы двухзеркальных резонаторов (R1{\displaystyle R_{1}} и R2{\displaystyle R_{2}} — радиусы кривизны зеркал):

• Плоскопараллельный (R1=R2=∞{\displaystyle R_{1}=R_{2}=\infty }) — так называемый резонатор Фабри-Перо. Широко используемой в лазерной технике разновидностью резонатора с плоскопараллельными зеркалами является резонатор с брегговскими отражателями, представляющими собой многослойные диэлектрические или полупроводниковые структуры.

• Конфокальный (R1=R2=L{\displaystyle R_{1}=R_{2}=L}). Конфокальный резонатор образован двумя одинаковыми сферическими зеркалами, фокусы F1{\displaystyle F_{1}}и F2{\displaystyle F_{2}} которых совпадают. Поле в таком резонаторе концентрируется около оси, что снижает дифракционные потери. Данный тип резонатора мало чувствителен к разъюстировке, однако объем активной области используется неэффективно.
• Полуконфокальный (R1=2L,R2=∞{\displaystyle R_{1}=2L,R_{2}=\infty }). Полуконфокальный резонатор образован одним плоским и одним сферическим зеркалом, радиус кривизны которого равен удвоенной длине резонатора. По своим свойствам он аналогичен конфокальному резонатору с удвоенной длиной.
• Концентрический (R1=R2=L/2{\displaystyle R_{1}=R_{2}=L/2}). Концентрический резонатор образован двумя сферическими зеркалами, оси и центры кривизны которых совпадают. В таких резонаторах дифракционные потери для неаксиальных мод быстро возрастают, что используется для селекции мод.
• Полуконцентрический (R1=L,R2=∞{\displaystyle R_{1}=L,R_{2}=\infty }). Образован одним сферическим зеркалом и одним плоским, по своим свойствам близок к концентрическому резонатору.

Диаграмма устойчивости двухзеркальных резонаторов

Резонатор называется неустойчивым, когда произвольный луч, последовательно отражаясь от каждого из зеркал, удаляется на неограниченно большое расстояние от оси резонатора. Наоборот, резонатор, в котором луч остается в пределах ограниченной области, называется устойчивым. В резонаторе, образованном парой зеркал только для определенного диапазона значений длин резонатора и радиусов кривизны зеркал возможно выполнение условий обеспечивающих устойчивую локализацию света в резонаторе, в противном случае сечение пучка с каждым проходом будет увеличиваться, становясь больше размеров зеркал, и, в конечном итоге, будет потеряно.

Соотношение радиусов кривизны зеркал R1,R2{\displaystyle R_{1},R_{2}} и оптической длины резонатора L{\displaystyle L} для обеспечения устойчивости должно удовлетворять следующему соотношению:

0⩽(1−LR1)(1−LR2)⩽1.{\displaystyle 0\leqslant \left(1-{\frac {L}{R_{1}}}\right)\left(1-{\frac {L}{R_{2}}}\right)\leqslant 1.}

Введя обозначения

g1=1−LR1,g2=1−LR2{\displaystyle g_{1}=1-{\frac {L}{R_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{R_{2}}}},

удобно графически показать области устойчивости в координатах g1,g2{\displaystyle g_{1},g_{2}}. Тёмные области на рисунке отвечают значениям, при которых резонатор устойчив.

Неустойчивые резонаторы можно подразделить на два класса: 1) резонаторы положительной ветви, которые удовлетворяют условию g1g2>1{\displaystyle g_{1}g_{2}>1}, и 2) резонаторы отрицательной ветви, которые соответствуют условию g1g2<0.{\displaystyle g_{1}g_{2}<0.} Отметим, что для устойчивого резонатора, соответствующего на плоскости g1,g2{\displaystyle g_{1},g_{2}} точке, которая расположена не очень близко к границе неустойчивости, размер пятна имеет тот же порядок, что и у конфокального резонатора, то есть, при длине резонатора порядка метра и для длин волн видимого диапазона размер пятна будет порядка или менее 1мм. При таком небольшом сечении моды выходная мощность (энергия) лазерного излучения, которую можно получить в одной поперечной моде, неизбежно оказывается ограниченной. В неустойчивых же резонаторах поле не стремится сосредоточиться вблизи оси, и в режиме одной поперечной моды можно получить большой модовый объем. Однако при этом возникает другая проблема, связанная с тем, что лучи стремятся покинуть резонатор. Поэтому соответствующие моды имеют значительно большие геометрические потери, чем моды устойчивого резонатора. Тем не менее, данное обстоятельство может быть обращено на пользу, если лучи, которые теряются на выходе резонатора, включить в полезное выходное излучение лазера.

Кольцево́й резона́тор — оптический резонатор, в котором свет распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объёмные кольцевые резонаторы состоят из трёх или более зеркал, ориентированных так, что свет последовательно отражается от каждого из них, совершая полный оборот. Кольцевые резонаторы находят широкое применение в лазерных гироскопах и лазерах.

Селекция мод — это совокупность методов, обеспечивающих режим, в котором резонатор поддерживает только одну или несколько избранных мод колебаний. В основе всех этих методов лежит создание неодинаковых для различных мод потерь в оптическом резонаторе или усиления в активной среде. Существует несколько способов, позволяющих проводить селекцию как продольных мод, поле которых испытывает осцилляции (перемены знака) вдоль оси резонатора, так и поперечных мод, поле которых осциллирует также и в поперечном направлении.

Селекцию поперечных мод используют обычно для создания генерации лишь на нулевой поперечной моде, имеющей минимальный диаметр и отличающейся гладким профилем интенсивности и минимальной расходимостью. Селекция осуществляется, как правило, помещением внутрь резонатора диафрагмы, затеняющей своими краями все поперечные моды, кроме нулевой. Наряду с этим для селекции поперечных мод иногда используют неустойчивые резонаторы, в которых размеры всех мод искусственно увеличиваются до такой степени, что роль диафрагм начинают играть зеркала резонатора или активный элемент. Возможны и другие способы — например, путём размещения в резонаторе фотонных кристаллов. Селекцию продольных мод используют главным образом для получения монохроматического излучения. Селекция за счёт неодинаковых потерь осуществляется помещением внутрь резонатора дополнительных полупрозрачных зеркал или дисперсионных элементов (призм, решёток, интерферометров).

Дополнительные зеркала вместе с основными образуют один или несколько дополнительных резонаторов, связанных с исходным. В генерацию выходят лишь те продольные моды исходного двухзеркального резонатора, которые наименее связаны с низкодобротным дополнительным резонатором. Дисперсионные элементы типа призм и решёток отклоняют под разными углами лучи с разными длинами волн. В итоге только для узкого спектра частот мод образуется высокодобротный резонатор. Внутрирезонаторные интерферометры осуществляют селекцию продольных мод за счёт того, что они обладают хорошей прозрачностью лишь для узких участков спектра мод. Селекция за счёт неодинаковости усиления осуществляется в основном в кольцевых твердотельных лазерах, в результате чего в них возникает однонаправленная генерация (бегущая волна). В этих условиях начинает сильно проявляться однородность уширения линии усиления активной среды и спектр генерации сужается до одной-двух мод.

Колебательные системы обычно характеризуются добротностью Q. Добротность резонатора можно определить несколькими способами, которые эквивалентны при больших значениях добротности.^[2]

1. ↑ Радина Т. В., Станкевич А. Ф. Резонансные и параметрические явления в задачах генерации и распространения лазерного излучения. — Санкт-Петербург: Издательство Санкт-Петербургского Государственного Университета, 2009. — С. 39-43. — 231 с. — ISBN 978-5-288-04965-1.
2. ↑ Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 1 июля 2015. Архивировано 24 сентября 2015 года.

3. Формирование и селекция поперечных мод в лазерных резонаторах : монография / А. В. Дегтярёв, В. А. Маслов, В. А. Свич, А. Н. Топков.  Х. : ХНУ имени В. Н. Каразина, 2017. – 212 с. ISBN 978-966-285-374-2

7.2. Основные типы резонаторов

124

лентного контура R ,C , L через κ, Q0 и ω0 .

Применяя методы классической теории цепей, можно найти нормированное сопротивление контура в виде

1

1

−1

ω

−1

′

ω0

+ j Cω−

= κ 1+ jQ0

−

(7.16)

zн =

ω0

.

R

Lω

ω

На рис.7.2 изображены частотные зависимости модуля и фазы коэффици-

ента отражения

резонатора

Γ = (zн′

−1) (zн′ +1).

Видно, что в случае

связи,

меньшей критической κ <1 (кривая 1), на зависимости

Γ

наблюдается узкий

минимум, а фаза коэффициента отражения при ω = ω0

достигает π и остается

близкой к этому значению. Скачок от π до − π на графике обусловлен областью значений функции arg(Γн ). При критической связи κ =1 (кривая 2), коэф-

фициент отражения на резонансной частоте равен нулю, то есть резонатор на этой частоте согласован с линией, а фаза скачкообразно изменяется от π / 2 до − π / 2 . Если связь больше критической κ >1 (кривая 3), фаза коэффициента от-

ражения изменяется монотонно, а Γ имеет широкий минимум при ω = ω0 .

Таким образом, для определения коэффициента связи κ достаточно измерить КСВ на резонансной частоте (при этом сопротивление резонатора является активным) и установить: зависимость фазы коэффициента отражения от частоты является монотонной или нет. В первом случае κ = Kст , во втором –

κ =1/ Kст = Kбв .

Когда рабочая частота достаточно удалена от резонансной, то сопротивление контура Z представляет собой практическое короткое замыкание

( Γ −1).

Существует большое количество конструкций объемных резонаторов разнообразного назначения, в частности для применения в генераторах, усилителях, фильтрах, для измерения параметров материалов, для технологических установок СВЧ, энергетики и т.п. Геометрическую форму и тип колебаний выбирают исходя из технологичности изготовления резонатора, возможности настройки, получения максимальной добротности и желаемой конфигурации поля.

Простейшие резонаторы представляют собой отрезки регулярной линии передачи длиной Λ2 или Λ4, разомкнутые или короткозамкнутые на концах.

В табл.7.1 приведены эквивалентные схемы и основные формулы для расчета таких резонаторов. Указанные выражения получены в рамках теории длинных линий с рабочими волнами Т-типа. Однако приведенные формулы можно использовать и для приближенного анализа волноводных резонаторов с рабочими колебаниями Е- или Н-типов, если резонаторы рассматривать в узкой полосе

125

частот вблизи отдельной резонансной частоты и влиянием соседних колебаний можно пренебречь.

Таблица 7.1

Эквивалентные схемы

Λ0

Расчетные формулы

πΛ0 ,

l

l = p

,

p =1,2, 3,…, Q =

X

≈

Zвх

W

Zн=0

2

R

αλ20

1

nπW

Λ0

2

X = ω0 L =

≈

L

C

ω0C

2

λ0

R

Zвх	R =Wαl =	p	WαΛ0
		2

l

l = p

Λ0

,

p =1,2, 3,…,

Q =

B

≈

πΛ0

,

2

G

αλ20

Yвх

Y

Yн=0

1

pπY

2

B = ω0C =

≈

Λ0

Yвх

L

G

C

ω0 L

2

λ

0

G =Yαl = p YαΛ0

, Y =

1

2

W

l

l = (2 p −1)Λ0

, p =1,2, 3,…,

Q =

B ≈

πΛ0 ,

Yвх

Y

Yн=∞

4

G

αλ20

1

(2 p −1)

2

B = ω0C =

≈

Λ0

Yвх

L

G

ω0 L

4

πY

C

λ0

G =Yαl =

(2 p −1)YαΛ0 , Y =

1

W

4

	l		l = (2 p −1)Λ0		,	p =1,2, 3,…,Q = X				≈	πΛ0 ,
Zвх	W	Zн=∞		4			(2 p −1)		R	2	αλ20
				1					Λ0
L	C	R	X = ω0 L =			≈
				ω0C			4	πW	λ0
Zвх
			R =Wαl =	(2 p −1)WαΛ0
					4

Полые резонаторы преимущественно выполняют на основе волноводов прямоугольного (рис.7.3,а) или цилиндрического (рис.7.3,б) сечения, которые закорачиваются с обоих концов поперечными металлическими стенками. Если длина резонатора задана, то можно найти его резонансную длину волны и частоту:

			f0 = v		,
λ0 =1	(1 λкр )2 + (p 2l)2	,		(1 λкр )2 + (p 2l)2		(7.17)

126
где Λ = λ0		– длина волны в волноводе, v = с εrμr
	1− (λ λкр )2				– скорость
распространения электромагнитных волн в среде, заполняющей резонатор.
Для призматического (прямоугольного) резонатора имеем
		λ0mnp = 2		,
			(m a)2 +(n b)2 +(p l)2		(7.18)

где a,b,l – геометрические размеры резонатора, m,n,p – индексы резонансных колебаний, для цилиндрического резонатора –

λ0mnp = 2		,
	(νmn a)2 +(p l)2		(7.19)

где a – радиус; l – длина резонатора; νmn — n-й корень функции Бесселя m-го по-

рядка для Е-колебаний или n-й корень производной этой функции Бесселя для Н-колебаний.

Из

выражений (7.18),

(7.19) следует, что для полых

резонаторов с ростом геомет-

рических размеров растет зна-

чение собственной длины вол-

а

б

в

ны (уменьшается собственная

частота). Однако существуют

случаи аномального поведения

собственных частот для Е типов

колебаний в резонаторах в виде

усеченного

сферического сек-

є

ж

тора, когда с уменьшением объ-

г

д

е

ёма резонаторов их собственная

з

частота уменьшается. При этом

Рис.7.3. Резонаторы СВЧ: а – призматический;

для собственной частоты коле-

б – цилиндрический; в – сферический; г –

баний типа Е112 помимо нали-

тороидальный; д – коаксиальный; е – коаксиаль-

чия падающего участка на кри-

ный с укорачивающей емкостью; є,ж – полоско-

вой зависимости собственных

вые; з – обозначение на схемах

частот от отношения радиусов

сферических оснований, имеет-

ся ещё и пологий минимум [4].

Собственные потери полых металлических резонаторов определяются потерями в металлической оболочке, поэтому их добротность зависит от типа колебаний и проводимости оболочки. Следует иметь в виду, что накопленная энергия в резонаторе пропорциональна его объему V , а потери – площади внутренней поверхности оболочки S , потому собственная добротность про-

порциональна отношению этих параметров Q	~	1	V , где δ	s	– глубина скин-
0		δs S

слоя. Таким образом, максимальная собственная добротность должна быть у

127

сферического резонатора (рис.7.3,в), однако существенным недостатком таких резонаторов является сложность их изготовления.

Для уменьшения длины коаксиальных резонаторов, что особенно актуально в дециметровом диапазоне, используют конструктивную (укорачивающую) емкость на конце центрального стержня (рис.7.3,д-е).

Иногда для конкретных практических задач применяют резонаторы более сложных форм, например тороидальные, в случае построения магнетронов

(рис.7.3,г).

В интегральных схемах СВЧ диапазона широко применяются резонаторы на основе полосковых и микрополосковых линий. На рис.7.3 представлены примеры реализации резонаторов на полосковых линиях.

Геометрическую форму резонатора и тип колебаний выбирают исходя из технологичности изготовления резонатора, возможности настройки, получения максимальной добротности и требуемой конфигурации поля. Связь резонатора с линией должна обеспечивать возбуждение строго определенного типа колебаний и не допускать возникновение колебаний других типов. Для этого необходимо знать структуру поля в резонаторе для разных типов колебаний, которые могут существовать на рабочих частотах резонатора. Элементы возбуждения выбирают так, чтобы можно было образовать одну компоненту (электрическую или магнитную) определенного типа колебаний. Если при этом не удается избежать возбуждения паразитных типов колебаний, то их подавление осуществляют с помощью специальных устройств.

В случае работы с ко-

аксиальной линией для воз-

буждения полого резонатора

используют

петлю

или

штырь (рис.7.4,а-б). Петлю

а

б

в

рассматривают

как магнит-

Рис.7.4. Возбуждение полого резонатора:

ный диполь. Ее площадь

а – с помощью штыря; б – с помощью петли;

должна

быть

перпендику-

в – с помощью диафрагмы

лярной

линиям

магнитного

поля резонатора,

а штырь –

параллельным линиям электрического поля. Элементы связи следует размещать

вмаксимумах соответствующих полей.

Вслучае работы с металлическим волноводом полый резонатор преимущественно возбуждают с помощью диафрагмы (рис.7.4,в), расположение которой определяется аналогичным соображением (диафрагма соответствует комбинации электрического и магнитного диполей)

Следует помнить, что величина связи, которая определяется, например, площадью петли и местом размещения ее в резонаторе, приводит к изменению резонансной частоты.

128

Контрольные вопросы

1.Что представляет собой объемный резонатор?

2.Каковы основные области применения объемных резонаторов?

3.Что представляют собой собственные колебания?

4.Что понимают под спектром собственных колебаний резонатора?

5.Как изменяется собственная частота резонатора с изменением размеров резонатора для одного и того типа колебаний?

6.Чем отличаются режимы собственных и вынужденных колебаний объемного резонатора?

7.В чем основное отличие объемного резонатора как резонансной системы от колебательного контура?

8.Чем отличаются резонансные и собственные частоты объемного резо-

натора?

9.Какие колебания объемного резонатора называют вырожденными?

10.В чем состоит физика резонанса в простейшем резонаторе в виде ограниченного отражателями отрезка линии передачи?

11.Какой тип колебаний объемного резонатора называют основным?

12.Какие основные параметры объемного резонатора?

13.Почему амплитуда колебаний при резонансе реального резонатора не бесконечна и чем определяется ее конечное значение?

14.Какие факторы определяют собственную добротность резонатора?

15.Что характеризует коэффициент связи резонатора?

16.Почему отличаются добротности резонатора на разных типах колеба-

ний?

17.Как вычисляется добротность резонатора по известной резонансной характеристике?

18.Как соотносятся собственная и нагруженная добротности резонатора при критической связи?

19.Какая формула связывает собственную, нагруженную и внешнюю добротности резонатора?

20.Что понимают под коэффициентом полезного действия резонатора?

21.Что представляет собой сильная и слабая связь?

22.Каким образом коэффициент связи соотносится с КСВ (КБВ)?

23.Каковы особенности поведения частотной зависимости модуля коэффициента отражения вблизи резонансной частоты при слабой, критической и сильной связи? Можно ли отличить вид связи по частотному поведению модуля коэффициента отражения? Если «да», то каким образом?

24.Какие существуют конструкции возбуждения полых объемных резо-

наторов?

25.Какие существуют конструкции объемных резонаторов?

26.С какой целью в коаксиальный резонатор включают емкость?

27.Какова конструкция типовых элементов связи в резонаторах?

28.Каким образом выбирают место расположения элементов связи?

36.Оптические резонаторы, их виды и свойства.

Обратная связь для поля, усиленного в процессе вынужденного излучения, достигается с помощью подходящей резонансной структуры. Благодаря такой резонансной структуре выделяется только относительно немного собственных колебаний. Усиление для этих собственных колебаний достаточно, чтобы скомпенсировать потери, так что возникает генерация излучения. Собственные колебания резонатора характеризуются частотой, направлением распространения и поляризацией.

Назначение резонатора в лазере состоит в создании положительной оптической обратной связи, т. е. условий для превращения оптического квантового усилителя в оптический квантовый генератор.

Отражающие поверхности могут представлять собой зеркала различной формы (плоские, сферические, параболические), грани призм полного внутреннего отражения или границы раздела сред с различными показателями преломления. Расстояние между отражающими поверхностями определяется в основном усилительными свойствами используемой в качестве рабочего вещества среды и может колебаться от долей миллиметра у полупроводниковых лазеров до нескольких метров, например, у газовых лазеров.

Резона́тор — колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой. Обычно резонаторы обладают дискретным набором резонансных частот.

Типы резонаторов:

-резонаторы с плоскими или концентрическими зеркалами;

-устойчивые резонаторы;

-неустойчивые резонаторы;

Открытым оптическим резонатором называют систему из двух обращенных друг к другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное (рабочее) вещество лазера.

Замкнутые резонаторы – резонаторы, размеры которых много больше длины волны.

Использование в оптическом диапазоне спектра объемного резонатора обычных размеров L >> λ оказывается неприемлемым, так как резонатор практически теряет свои селективные свойства: число собственных типов колебаний в замкнутой резонаторной полости объема V приходящихся на частотный интервал

при переходе от λ=1 см к λ=1 мкм увеличивается в раз.

Объемный резонатор c размерами порядка рабочей длины волны (как в радиодиапазоне) в оптической области должен иметь микронные размеры. Такой резонатор заключает в себе активную среду очень малого объема с низким коэффициентом усиления, и добротность резонатора должна быть очень высокой (например, как у полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором на основе многослойных диэлектрических зеркал). Самым простым видом открытого резонатора является система из двух плоских зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями (резонатор Фабри – Перо). Для вывода излучения из резонатора отражающие поверхности делаются либо частично отражающими, либо одна полностью, а вторая частично отражающей. Обычно отражающие поверхности зеркал создаются с помощью покрытий, состоящих из нескольких слоев диэлектрических материалов, число которых может быть более десяти. С помощью многослойных диэлектрических покрытий удается получить коэффициент отражения более99 % на рабочей длине волны. Однако у полупроводниковых лазеров коэффициент отражения зеркал резонатора значительно меньше (для GaAs при выходе излучения в воздушную среду он составляет~ 32 %) и обеспечивается френелевским отражением границы раздела полупроводник – воздух.

Виды оптических резонаторов:

— плоско — параллельный

-концентрический (сферический)

-полусферический

-конфокальный

-выпукло-вогнутый

Устройство резонатора выхлопной системы — как правильно сделать машину тише?

При работе транспортного средства, любой его механизм издает шум. В одних случаях он более громкий, в других менее слышен, однако, в любом случае, определенный шумовой эффект присутствует всегда. Думаю, владельцы бензиновых автомобилей, с установленным двигателем внутреннего сгорания, лучше меня поймут, ведь именно этот агрегат отличается характерным громким «звучанием». Что бы как-то снизить шумовой эффект, на каждый автомобиль в штатном режиме устанавливают глушитель, который является частью системы выхлопа.

Любая такая система состоит из нескольких комплектующих составляющих и есть одной из главных систем транспортного средства. Она не только влияет на показатели экологичности автомобиля (а в последнее время, этот вопрос становится все актуальнее), но и в значительной степени отвечает за качество функционирования и безопасность машины. Более того, состояние газораспределительного механизма (ГРМ), также, связано и со сроком качественного использования транспортного средства.

Как Вы уже наверное догадались, тема данной статьи напрямую связана с выхлопной системой автомобиля. Однако, мы не будем рассматривать ее устройство или общий принцип работы, а сосредоточим свое внимание лишь на одной, не очень большой детали – резонаторе, который занимается гашением звуковых колебаний после выхода газов из камеры сгорания.

Принцип работы резонатора

Как мы только что отметили, основной задачей резонатора является гашение колебаний звука, возникающих в результате выхода громких выхлопных газов из камеры сгорания. На громкость работы того или иного двигателя, прямым образом влияют габариты устройства (размер, форма) и конечно же, сама конструкция резонатора. В случае выхода детали из строя, нарушается работа всей системы выхлопа: транспортное средство становиться очень шумным, а в салон проникает запах выхлопных газов.

Их образование, происходит в камере сгорания мотора, а наружу они выводятся при помощи выпускного клапана цилиндра. Покинув цилиндр, выхлопные газы, с большой скоростью начинают передвигаться по впускному коллектору и приемной трубе, при чем, температура газовой смеси доходит до 650оС, а значит, все детали выхлопной системы испытывают серьезную тепловую нагрузку.

Устройство резонатора представлено в виде многослойной конструкции, где каждый уровень выполняет свою, конкретную задачу. Когда потоки воздуха попадают на отражатели (важные составляющие элементы резонатора воздушного фильтра), то их гашение происходит за счет трения о них газовых частиц, которые в полостях резонатора выпуска, проходят двумя потоками. Резонаторы впуска и выпуска выполняют одинаковую работу – проводят газ через всю систему выхлопа.

Слаженная и стабильная работа всех составляющих частей резонатора автомобиля, непосредственно влияет на долговечность службы двигателя, а учитывая, что любой элемент выхлопной системы постоянно подвергается влиянию отрицательных факторов окружающей среды и высоких температур (касается не только резонатора, но и других деталей), то вполне логичным будет предположить наличие периодических рабочих сбоев. Что бы не доводить до крайностей, необходимо регулярно проводить диагностику состояния резонатора.

Выполняя данное действие, помните: эффективность и предельная работоспособность резонатора выхлопной системы зависит от трех основных факторов: состояния катализатора (элемент системы, снижающий количество вредных веществ в выхлопе ), диаметра труб и чистоты глушителя. Принцип работы резонатора базируется на использовании замкнутых полостей, размещенных возле трубопровода и соединенных с ним при помощи большого количества отверстий. Как правило, в корпусе находится два не равных объема, которые разделены сплошной перегородкой.

Каждое из отверстий, включая и замкнутую полость, выполняет роль резонатора, возбуждающего колебания собственной частоты. Условия распределения резонансной частоты, резко меняются, и как следствие, она гасится за счет трения газовых частиц в отверстии. Такой тип глушителя качественно гасит низкие частоты, даже не создавая для газов существенного сопротивления (сечение не уменьшается). Чаще всего, резонатор применяется в качестве среднего глушителя.

Из чего состоит резонатор

Резонатор, как важный конструктивный элемент выхлопной системы, внешне напоминает маленький глушитель, из-за чего его часто называют «вспомогательным глушителем», однако, многие специалисты утверждают, что это не так. Конечно, резонатор существенно снижает рабочую громкость системы выхлопа, но это не является его основной функцией, а выступает только как побочный эффект от реализации задачи обеспечения ровности потока выхлопных газов во всей системе выхлопа автомобиля.

При работе силового агрегата (на любых оборотах), в выходном коллекторе можно заметить прерывистые значения давления отработанных газов, частота которых основывается на оборотах коленчатого вала двигателя и количества его цилиндров. Для более качественной работы всей системы, нужно добиться равномерности этого давления, ведь только в таком случае, выхлопная система будет обладать минимальным сопротивлением отработанных газов и не станет отбирать лошадиные силы двигателя.

Несмотря на мнение некоторых специалистов, многие автолюбители продолжают называть резонатор «средним глушителем» (так как он располагается в средней части системы выхлопа) и нельзя сказать, что они полностью неправы. Данная деталь не только внешне похожа на уменьшенный глушитель, но еще и имеет схожее с ним внутреннее строение. Здесь все просто: что бы выровнять поток выхлопных газов, используются практически те же приемы, что и в глушителях. Давайте рассмотрим их более детально. Во-первых, расширением и сужением потока отработанных газов, занимаются несколько камер резонатора, где происходит эффективное выравнивание больших низкочастотных пульсаций (не прямоточное устройство).

Во-вторых, при изменении направления потока выхлопных газов, камеры, вместе с соединяющими их трубопроводами, располагаются с некоторым смещением, что помогает гасить средние и высокочастотные пульсации.

В-третьих, наличие перфорационных отверстий в трубопроводах и разница в объемах, окружающих трубу, способствуют гашению широкого частотного диапазона потока отработанных газов. Такой способ, наиболее популярен в прямоточных резонаторах (в основном используется на спортивных автомобилях). Еще одним сходством резонатора и глушителя есть то, что сквозь перфорационные отверстия трубопроводов, отработанные газы камеры средней частоты (большего объема) и камеры высокой частоты пульсации (меньшего объема), подаются в закрытые камеры, где скапливаются при высоком давлении выхлопных газов и стравливаются в ходе снижения давления в выхлопной системе.

С конструктивной точки зрения, резонатор – это многоуровневое устройство, в котором каждый уровень имеет свои обязанности и отвечает за выполнение определенных функций. Так, к примеру, резонатор воздушного фильтра, имеет в своем составе отражатели, которые выполняют гашение попадающих на них потоков газообразной среды путем трения соответствующих частиц, проходящих внутри резонатора двумя потоками. Устройства впуска и выпуска, выполняют одинаковую роль и продвигают через систему потоки отработанного газа.

Виды резонаторов

Все существующие резонаторы разделяют на виды, в зависимости от типов двигателей к которым они подходят. Поэтому, различают всего два видовых варианта таких устройств: для двухтактных моторов и для четырехтактных.

В ходе многолетней эксплуатации обоих видов, был установлено: работая в паре с четырехтактным двигателем, резонатор является скорее помехой, нежели помощником и в данном случае, его демонтаж ведет к увеличению мощностных характеристик мотора примерно на 15%. Если же забрать резонатор у двухтактного двигателя, то это вызовет совсем противоположный эффект: его отсутствие поспособствует не только газовому удалению, но еще и ликвидирует несгоревшее полностью топливо. В результате таких действий расход топлива существенно увеличится, а скорость, наоборот, снизится.

Кроме того, условно резонаторы можно разделить и с точки зрения длины (или формы) кузова автомобиля. К примеру, к автомобилю ВАЗ 2110, можно подобрать один из трех возможных видов резонатора: короткий (21103), средний (21102) и длинный ( 2110).

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний. Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов. Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

Разновидности

По типу корпуса:

• Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
• Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

• Металлические.
• Стеклянные.
• Пластиковые.

По форме корпуса:

• Круглые.
• Прямоугольные.
• Цилиндрические.
• Плоские.

По количеству резонансных систем:

• Одинарные.
• Двойные.

По защите корпуса:

• Герметичные.
• Негерметизированные.
• Вакуумные.

По назначению:

• Фильтровые.
• Генераторные.

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O₂. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится. При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора). Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:

• R – Сопротивление.
• С1 – Емкость.
• L – Индуктивность.
• С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур LС. При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 мегагерц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Сфера применения

Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях:

• Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
• Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
• Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах, так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Похожие темы:

Резонатор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Резона́тор — колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой. Обычно резонаторы обладают дискретным набором резонансных частот.

В технике обычно встречаются резонаторы с колебанием электромагнитных или механических величин. Конструкция резонатора сильно зависит от его резонансных частот.

Механические резонаторы можно разделить на две условные группы:

• Резонатор накопительного действия.
• Резонатор мгновенного действия.

Резонатор накопительного действия[править | править код]

Отличительной чертой такого резонатора является накопление энергии внешнего воздействия за счет уменьшения частоты собственных колебаний. С математической точки зрения любой резонатор, частота колебаний которого строго больше частоты колебаний возмущающей силы, является накопительным. Классическим примером являются качели. Усиление выходной мощности происходит за счет сложения мощностей нескольких колебаний возмущающей силы.

Резонатор мгновенного действия[править | править код]

Под «мгновенным действием» подразумевается совершение одного периода колебания резонатора за время, не большее периода колебания возмущающей силы. Примером такого резонатора может служить резонатор Гельмгольца. Усиление в таких резонаторах может происходить за счет:

• смещения по времени мощности резонансной частоты на входе, то есть, плавно меняясь на входе резонатора, мощность может увеличиться на выходе за счет уменьшения длительности сигнала;
• поглощения энергии других (не резонансных) частот. Этот эффект используется певцами при практике резонансного пения;
• поглощения теплового движения окружающего пространства.

Резонаторы мгновенного действия могут иметь коэффициент усиления до 45 дБ (10 000 раз).

В генераторах СВЧ^[1]-излучений (клистрон, магнетрон) резонаторы представляют собой металлическую конструкцию, используемую для генерации волн определённой длины.

• Калинин В. А., Лобов Г. Д., Штыков В. В. Радиофизика для инженеров / Под ред. С.И.Баскакова. — М.: Изд-во МЭИ, 1994. — 130 с. — 500 экз.

Устройство резонатора

Резонатор, устройство выхлопной системы автомобиля. Какую именно функцию выполняет и на что именно влияет работа резонатора?

Как устроен резонатор, для чего нужен

Резонатор является частью системы глушителя автомобиля, поэтому есть мнение, что его основная функция – снижение уровня шума работы двигателя. Да, резонатор влияет и на это, но есть другие, не менее важные задачи. Резонатор отвечает за уменьшение сопротивления выхлопных газов при движении по выхлопной системе. Происходит это благодаря внутренней структуре устройства резонатора, при забивке которой автомобиль начинает работать в аварийном режиме.

В результате отмечается снижение мощности работы двигателя, повышается расход топлива, усиливается вибрация кузова, и, конечно же, повышается шум рабочего двигателя. Принятие решения о самостоятельном удалении резонатора и замене его просто частью трубы только усугубляет проблему. Полая труба не сможет справиться со сглаживанием колебаний, образующихся при сгорании топлива, не понизит температуру выбрасываемого газа, все это повлечет скорейший износ более дорогих деталей автомобиля.

Иногда резонатор удаляют и вместо него как раз монтируют трубу, но делать это должен профессиональный мастер после проведения определенных расчетов для каждого автомобиля индивидуально. Ведь кроме повышения шума, нарушается и состав выбрасываемого в атмосферу газа, это может стать причиной отказа при прохождении ТО.

Устройство резонатора и принципы работы

Резонатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого размешается система перегородок с нанесенной перфорацией. Работа устройства заключается в следующем:

Резонатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого размешается система перегородок с нанесенной перфорацией.

• Изменение колебания потока выбрасываемых газов. Амплитуда колебаний увеличивается, соответственно их частота уменьшается, это достигается созданием камер разного размера, нанесением перфорации на стенки, образующие препятствия для прохождения выхлопных газов по устройству. Это гасит интенсивность звуковых волн.
• Камеры, расположенные внутри корпуса резонатора расширяют и сужают поток газов во время прохождения через устройство.
• Трубки и преграды, расположенные внутри корпуса резонатора гасят пульсации высоких и средних частот, образующиеся в результате сгорания топлива. Достигается это опять же при помощи сложной внутренней структуры устройства.
• Проникая через отверстия перфорации в трубках, расположенных внутри резонатора, выхлопные газы скапливаются, и в какой-то момент стравливаются.

Некоторые виды резонаторов делятся на внутренние камеры, каждая выполняет свою функцию. Например, последняя камера изготавливается из материала, который обладает звукоизоляционными свойствами, для гашения интенсивности звуковых волн работы системы ДВС.

Внешний корпус устройства чаще всего изготавливается из нержавейки, или, более дешевый вариант – стали с нанесением слоя алюминия, защищающего резонатор от коррозии. Резонаторы, выполненные из нержавеющей стали более устойчивы к коррозии, но из-за высокой стоимости устанавливаются не на все современные автомобили.

Устройство прямоточного резонатора

Прямоточный резонатор является разновидностью резонатора, еще его называют спортивным. Этот вид устройства имеет другую внутреннюю структуру – камеры внутри корпуса резонатора отсутствуют, сопротивления при движении не возникает. Это приводи к тому, что выхлопные газы, проходя через резонатор, не меняют направления, пульсации выхлопа не сглаживаются, звук работы систем автомобиля не гасится.

Прямоточный резонатор не монтируется заводом-изготовителем авто. Как правило, им заменяют «родной» резонатор при тюнинге системы глушителя. Учитывая все аспекты работы резонатора и работу всех устройств, на которые он оказывает влияние, такую замену необходимо производить очень осторожно и только у профессионалов. Некачественная замена, подбор резонатора, не отвечающего требованиям автомобиля, может повлечь за собой ремонт других систем, негативно сказаться на комфорте автомобиля.