В данной статье кратко представлен оптический аналог «шепчущей галереи» на основе лазерного излучения.

И вновь доказано: новое – это хорошо забытое старое. Многие наверняка слышали об эффекте «Шепчущей галереи». Около ста лет тому назад британский ученый Релей задался интересным вопросом: как слышат друг друга два человека, находящиеся на противоположных концах галереи в Соборе Св.Павла в Лондоне, разговаривая при этом шепотом? Он обнаружил, что звук распространяется вдоль стен практически без потерь, таким образом, достигая человека даже на самом дальнем расстоянии от своего «собеседника». Быть может, кому-нибудь из читателей посчастливилось «наблюдать» этот эффект своими собственными ушами. Говорят, это можно сделать в Соборе Св.Павла в Лондоне, Соборе Св.Петра В Риме или Лекционном зале полукруглого корпуса Одесской национальной академии связи имени Попова…

Оптическим аналогом «шепчущей галереи» можно считать лазерное излучение, «привязанное» к периметру миниатюрного диска путем многократных его отражений от стенок (см. рисунок 1).

Рис. 1. Вверху: cхематическая иллюстрация эллиптического резонатора с выемкой. Внизу: распространение лучей в таком резонаторе. (Copyright © 2010, The Harvard Crimson, Inc).

Если поверхность, от которой происходит отражение, достаточно гладкая, излучение распространяется с минимальными потерями. Такую систему можно использовать в качестве резонатора для создания лазеров с малым порогом возбуждения (генерации). При выключенном источнике возбуждения волна распространяется с затуханием амплитуды по экспоненциальному закону. В общем случае такие «шепчущие» волны описываются функциями Бесселя. Чем то распространение «шепчущей волны» похоже на явление полного внуреннего отражения, однако в виду того, что поверхность боковых стенок резонатора не ровная, а имеет некий радиус кривизны, распространения с полным отражением не бывает. Часть волны просачивается наружу. Однак чем больше радиус кривзны, тем больше излучения остается внутри. Длина волны видимого диапазона, как известно, менее 1 мкм. Это означает, что в «шепчущем резонаторе», радиус кривизны основания которого около 10 мкм, может существовать «шепчущая волна». Моды «шепчущего резонатора» обладают большой добротностью, так что даже небольшое отклонение частоты резонасного возбуждающего поля от собственной частоты моды, ведет к уменьшению ее амплитуды и затуханию. Поэтому «шепчущие моды» являются одним из наилучших кандидатов для решения задачи стабилизации частоты инжекционных лазеров.

Рис. 2. Вверху: изображение эллиптического резонатора с выемкой, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Малая ось эллипса 2Х= 80 мкм, большая ось эллипса 2Y = 96 мкм. Размеры выемки: ширина o = 3 мкм, глубина d = 2 мкм. Внизу: устройство поближе. (Copyright © 2010, The Harvard Crimson, Inc). [image]

Одной из проблем, которая возникает при использовании резонаторов такого типа, является ненаправленность выходного излучения. Ввиду того, что резонатор симметричен, излучение с равной степенью вероятности может выходить из него под разными углами. Это существенный недостаток. Необходимо добиться более или менее направленного выхода излучения из такой структуры. Для этого предлагается сделать небольшой выступ на внутренней грани резонатора (см.рисунок 2). Ряд экспериментальных данных показывает, что стенки эллиптического резонатора с такой зазубриной успешно отражают «шепчущие моды» под такими углами, что так или иначе, из него выходит практически параллельный пучок. На рисунке 3 показано распределение интенсивности излучения в зависимости от угла, под которым это излучение выходит из резонатора. Малая мощность лазера, его миниатюрный размер, и что немаловажно, работа в ближнем ИК диапазоне, делают его идеальным элементом для будущих оптических цепей.

Рис. 3. Вверху слева: cхема устройства. Вверху справа: распределение интенсивности излучения при токе накачки ~720 mA. Внизу: Экспериментальное распределение профиля интенсивности излучения (синий цвет) и результаты его моделирования (красный цвет). (Copyright © 2010, The Harvard Crimson, Inc).