The Physics and Technology of Laser Resonators

Cover......Page 1
Half Title......Page 2
Title Page......Page 4
Copyright Page......Page 5
Table of Contents......Page 6
List of Contributors......Page 13
Preface......Page 14
  1.2 The Fabry-Perot Resonator......Page 16
   1.3.1 Ray Transfer Matrices......Page 20
   1.3.2 Stability Conditions for an Open Resonator......Page 22
   1.3.3 Examples of Stable Open Resonators......Page 23
   1.4.1 Gaussian Spherical Waves......Page 24
   1.4.2 Lowest-Order Mode Diameters in Stable......Page 25
   1.4.3 Fresnel Number and Diffraction Losses......Page 27
   1.4.4 Higher Order Transverse Modes and their Suppression......Page 28
   1.5.1 The Paraxial Wave Equation and the Complex Beam......Page 29
   1.5.2 Propagation of Gaussian Beams......Page 31
   1.5.4 Gaussian Beam Focussing......Page 33
  1.6 References......Page 35
  2.2 Advantages......Page 36
  2.3 Basic Concepts......Page 37
  2.4 Geometrical Mode Analysis......Page 38
  2.5 Practical Resonators......Page 41
  2.6 Near and Far-Field Pattern......Page 42
  2.7 Experimental Studies......Page 44
  2.8 Wave Analysis......Page 45
  2.9 Design Procedure......Page 48
  2.10 Mode Control in Short Galn-LIfe Lasers......Page 49
   2.11.1 Injection Locking......Page 51
   2.11.3 Variable Reflectivity Mirror Resonators......Page 52
  2.12 Conclusions......Page 53
  2.13 References......Page 54
  3.1 Introduction......Page 55
  3.2 Propagation in Hollow Dielectric Waveguides......Page 56
   3.2.1 Waveguide Mode Expressions......Page 57
  3.3 Waveguide Resonator Analysis......Page 59
   3.3.1 The Concept of Resonator Modes......Page 60
   3.3.2 Waveguide Modes......Page 62
   3.3.3 Mode Coupling, Coupling Losses and Mode Losses......Page 63
   3.3.4 Single-Mode, Few Mode, and Multimode Theory......Page 64
   3.4.1 Coupling Loss Theory of Single Mode Waveguide Resonators......Page 65
   3.4.2 Dual Case I Waveguide Lasers......Page 68
   3.4.3 Rigrod Analysis for Waveguide Lasers......Page 70
   3.5.1 Distant Mirrors......Page 71
   3.5.2 Tilted Mirrors and Folded Lasers......Page 72
   3.5.3 Tunability and Line Selection......Page 73
   3.5.4 Resonator Mode Degeneracies: Hopping and Hooting......Page 74
  3.7 References......Page 75
   4.2.1 Cavity Optics......Page 77
   4.2.2 Image Rotation in Nonplanar Rings......Page 79
   4.2.4 Unidirectional Oscillation......Page 80
   4.2.6 Passive Ring Resonators......Page 82
   4.3.1 Polarization Rotation......Page 83
   4.3.2 Nonplanar Ring and Frequency Modes......Page 84
   4.4.1 Ring Laser Gyroscope......Page 87
   4.4.2 Nonplanar Solid State Ring Oscillator......Page 90
   4.4.3 Other Applications......Page 91
  4.5 References......Page 93
  5.1 Introduction......Page 95
  5.2 Plane Mirror Folded Cavities......Page 97
  5.3 Resonator Support Structure......Page 98
  5.4 Mode-Mirror Interactions......Page 100
  5.5 Mode-Medium Interactions......Page 101
  5.6 Curved Mirror Folding of Cavities......Page 103
  5.7 Off-Axis Curved Mirror Folding......Page 104
  5.9 References......Page 108
  6.1 Introduction......Page 109
  6.2 Unstable Resonators with Gaussian Mirrors......Page 110
  6.3 Unstable Resonators with SuperGaussian Mirrors......Page 113
  6.4 Practical Variable Reflectivity Mirrors and  Couplers......Page 115
  6.5 References......Page 119
   7.2.1 Fox and Li Calculations......Page 121
   7.2.2 High-Order Modes......Page 125
   7.2.3 Modes in the Presence of Saturable Gain......Page 127
   7.2.4 Other Algorithms......Page 129
  7.3 Matrix Techniques......Page 130
  7.5 References......Page 131
  8.1 Introduction......Page 132
   8.2.1 Elementary Considerations......Page 133
   8.2.2 Intrinsic Fluctuations......Page 134
   8.3.1 Measurement Techniques......Page 135
   8.3.2 Definition of Frequency Stability......Page 136
   8.4.1 Passive Stabilisation......Page 138
   8.4.2 Active Frequency Stabilisation......Page 139
   8.5.1 He-Ne Lasers......Page 143
   8.5.3 Semiconductor Lasers......Page 144
  8.6 Conclusions......Page 145
  8.7 References......Page 146
  9.2 Higher-Order Beams......Page 147
  9.4 Experimental Measurements......Page 150
  9.5 Higher-Order Beams in Laser Applications......Page 155
  9.6 Summary and Conclusion......Page 156
  9.7 References......Page 157
  10.2 Presentation of an Optical System in the  Configuration Phase Space......Page 158
   10.2.2 Ray Ensembles......Page 159
   10.2.3 Liouville's Theorem......Page 160
  10.3 Paraxial Optics of Gaussian and Higher Order  Laser Beams......Page 161
   10.3.2 Twiss Parameters......Page 162
   10.3.3 Examples......Page 163
  10.4 Beam Quality......Page 164
   10.5.2 Laser Beams from Unstable Resonators......Page 165
  10.7 References......Page 168
  11.1 Introduction......Page 169
  11.2 Thermal Effects and the Rod Geometry......Page 170
   11.2.1 Thermal-Birefringence......Page 171
  11.3 The Basic Resonator......Page 173
  11.4 Compensated Resonators......Page 176
  11.6 References......Page 177
  12.2 Dye Laser Cavity with Transform-Limited Linewidth......Page 178
  12.3 Visible Optical Parametric Oscillators......Page 182
  12.4 References......Page 190
  13.2 The Requirements of the Cavity Design......Page 191
  13.3 Thermal Distortion......Page 193
  13.4 Thermal Lensing......Page 196
  13.5 Thermal Damage......Page 199
  13.6 Alignment Tolerance......Page 201
  13.7 Refraction Effects......Page 202
  13.8 Designing a Laser Cavity......Page 203
  13.10 References......Page 204
  14.2 Diode Laser Fundamentals......Page 205
  14.3 Diode Laser Structures......Page 206
  14.4 Basic Diode Laser Resonators......Page 207
  14.5 More Complicated Resonators......Page 208
  14.6 Resonators for Optical Integration......Page 210
  14.7 Conclusion......Page 211
  14.8 References......Page 212
  15.1 Introduction......Page 213
  15.2 The Monolithic Cavity......Page 214
  15.3 The Hybrid Cavity......Page 215
  15.4 Mode-Locked Cavities......Page 216
  15.5 Ring Lasers......Page 221
  15.6 References......Page 223
  16.2 Single-Mode Doped Fibre......Page 224
  16.3 Fibre Fabry-Perot Laser......Page 225
  16.4 Connectors and Splices......Page 227
  16.5 Direction Couplers......Page 228
  16.7 Alternative Resonator Designs......Page 230
  16.9 References......Page 233
  17.1 Introduction......Page 235
   17.2.1 Design of the Waveguide......Page 236
   17.2.2 Waveguide Resonator Design......Page 237
   17.3.1 Excitation Techniques......Page 239
   17.3.2 Waveguide Laser Construction......Page 240
  17.4 Folded C02 Waveguide Lasers......Page 242
  17.5 Resonators for Slab Waveguide Lasers......Page 245
  17.6 References......Page 246
   18.2.1 Extraction Efficiency......Page 247
   18.2.2 Cavity Build-up Time......Page 250
  18.3 Narrow-Line Operation......Page 252
   18.4.1 Unstable Resonators......Page 254
   18.4.2 Injection Seeding......Page 255
  18.5 Short Pulses......Page 257
  18.6 Practical Considerations......Page 258
   18.6.2 Mirrors......Page 259
  18.8 References......Page 260
Index......Page 262