开放式光腔与高斯光束

格式：ppt
大小：1.97 MB
文档页数：44

下载文档原格式

开放式光腔与高斯光束

平均单程指数损耗因子：初始光强为I 0 ,在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1，则I1 I 0e
2
1 I0 ln ； 2 I1
1 I 0 I1 有时，定义单程损耗因子 (光强衰减百分数）。 2 I0 1 I 0 I1 1 I 0 I 0e 2 可以证明，在小损耗情况下， 2 I0 2 I0
稳定腔：任何旁轴光线可以在腔内往返无限多次不会逸出腔外几何偏折损耗小(低损耗腔)。非稳腔：旁轴光线有限次反射后便逸出腔外几何偏折损耗大(高损耗腔)。
两种不同的腔的理论处理方法、设计方法不同。
本节讨论用几何光学中光线矩阵方法来分析腔中的几何偏折损耗。
一、腔内光线往返传播的矩阵表示
1、描述光线的参数
1、光子在腔内的平均寿命 R
根据平均单程指数损耗因子的定义，我们可求得，初始光强为I 0的光束经过m次往返后，光强会变为 Im I0 e
2

m
I 0e2 m
设t 0时刻光强为I 0，则到t时刻光在腔内往返的次数m应为 m t 0 tc 2 L 2L c
根据Maxwell方程和边界条件，我们可以求出电磁场的具体解的形式。我们会发现，这些解是分立的。每一个分立的解就是场的一个本征态，即电磁场的模式。
不管是闭腔或是开腔，只要给定了腔的具体结构，则其中振荡模的特征也就随之确定下来，此即腔与模的一般联系。
模的基本特征包括：电磁场分布(横向与纵向)；谐振频率；往返损耗；发散角。
r1,1 r4 ,4 r5 ,5
r2 ,2 r3,3
r1 开始时： 1
r5 r1 T r1T LT r2T L T 1 5

§2.7+高斯光束及其传输规律

§2.7 高斯光束及其传输规律
第二章开放式光腔与高斯光束／§2.7 高斯光束及其传输规律
r2 r2 −1 z −ik z+ −tan − 2 2R( z) f w ( z)
c 自由空间的基 Ψ x, y, z) = e 模高斯光束 00 ( w( z)
• 情况1：已知w0, w'0, 确定透镜焦距(F)及透镜的距离 l, l'
( l − F ) F2 l′ = F + 2 l − F) + f 2 (
′ w =
2 0
w0 l −F =± F2 − f02 ′ w0 ′ w0 l′ − F = ± F2 − f02 ′ w0
( F −l )
w2 F2 0
1 1 λ = −i 2 定义q 参数 q z R z 高斯光束的复曲率半径) ( ) ( ) πw ( z) (高斯光束的复曲率半径
若已知高斯光束在某一位置的q参数若已知高斯光束在某一位置的参数 → w(z), R(z), θ
1 1 = Re , R( z ) q ( z )
3. 光学系统(元件)
r2 A B r 1 球面波 = θ2 C Dθ1
r2 = Ar + Bθ1 1
r2 ≈ R2θ2
r ≈ Rθ1 1 1
θ2 = Cr + D 1 θ 1
R2 =
θ2
r2
=
AR + B 1 CR + D 1
参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同高斯光束 q参数通过光学系统的变换与球面波的变换相同参数通过光学系统的变换与球面波
两式相减

第二章开放式光腔与高斯光束-part2

q 4 4
1 2c 4 L L 2
阶数越低，对应的波长越长，频率越低
激光纵模分布示意图
•
腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的
腔长越小，纵模间隔越大
频率梳
激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图由于波长很小，腔长相对很大，整数q值很大，即腔内本征模式数很多，达数万到数十万个。
L 30cm
q 1.5 109 Hz 一种频率（单纵模）
q 0.5 109 Hz 三种频率（多纵模）
F
q 1
q 2 q 1
q
q
q 1 q 2
q 1
结论：只有落在荧光谱宽内且满足阈值条件的那些激光才能产生；
② 纵模的决定因素
第一极小值：孔阑传输线，第一衍射极小值：（2）衍射损耗 1.22 0.61 第一极小值： 2a a
1.22 0.61 1.22 2a 0.61a 2a a L
L

2a
L
红色是暗环
W1 S1 2 L 0.61 1 1 d L 2L FP腔 a2 W1 W0 S1 S0 a a2 N W1 S1 2 L 0.61 1 L 1 d 2 2L 2 2 a逸出部分面积 W1 W0 S1 S0 a a a N d N 衍射损耗率：菲涅耳数腔镜面积 L +逸出部分面积 2
谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍)
q q 1 q 纵模的频率间隔：
c 2L
激光谐振腔内低阶纵模分布示意图
q 1 1
c 2 L
1 2 L
q 2 2

第二章开放式光腔与高斯光束

T T4T3T2T1
1 L
T1 T3 0 1
R1
①
② R2
1 0
T2

2 R2
1
1 0
T4

1、往返一周
T

2 L
2g2 1 (g1 g2 2g1g2 )
2Lg2
4g1
g
2

2
g
2

1
R1、R2:两反射镜面曲率半径 L:谐振腔长度
证
①
②
R1
R2
④
③
L
r22 T1r11 r33 T2 r22 T2T1r11 r44 T3r33 T3T2T1r11 r55 T4 r44 T4T3T2T1r11
2、实例
(1)单程传播L距离
证
1 r1
2 r2
L
r2=r1+L1 2= 1
T

1 0
L 1

T

1 0
L 1

(2)球面反射镜
1 0
T

2 R
1
R:球面镜曲率半径(凹为+,凸为-)
证
=i+2 2-=-1
2
ii
2o 1
全反射镜
部分反射镜
光学谐振腔的发展与分类
最早提出的是平行平面腔随后广泛采用了共轴球面腔
理论上分析这类腔的时候，认为其侧面对光无约束，因此也称为开放式光学谐振腔，简称开腔。
开腔——侧面对光没有约束
稳定腔非稳定腔临界腔

激光原理教案第二章

激光原理与技术
1，2两种损耗常称为选择损耗，不同模式的几何损耗与衍射损耗各不相同。3，4两种称为非选择损耗，通常情况下它们对各个模式大体一样。
平均单程损耗因子：如果初始光强为 I0 ，在无源腔内往返一次后，光强衰减为 I1 ，则
I1 I0e2
1 ln I1 ,
2 I0
为腔中各损耗因子的和
1.22
2a
W1 W1 W0
S1 S1 S0
a L 2 a2 a L 2
激光原理与技术
2L
a
2L
0.61
a2
1.22 a2
1 a2
1 N
L L
D
D
'
1 N
N：菲涅耳数，N愈大，损耗愈小。
激光原理与技术
§2.2共轴球面腔的稳定性条件一、腔内光线往返传播的矩阵表示
激光原理与技术
0q 称为腔的谐振波长
q
q
c 2L,
q称为腔的谐振频率
当光腔内充满折射率为的均匀物质时
L, L
q
q
c
2 L,
L q q
2
式中 q 为物质中的谐振波长
本征模式在腔的横截面
内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向(纵向)形成驻波，驻波的波节数由q决定，q单值地决定模的谐振频率。
激光原理与技术
激光原理与技术
腔与模的关系：腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。不同类型和结构的谐振腔的模式各不相同。
对闭腔，一般可以通过直接求解微分形式的麦克斯韦方程组来决定其模式
寻求开腔模式的问题通常归结为求解一定类型的积分方程。
模的基本特征：模在腔的横截面内的场分布，模的谐振频率，模在腔内往返的相对功率损耗；模的光束发散角。

第二章开放式光腔和高斯光束

r: 光线离轴线的距离； ζ :光线与轴线的夹角，规定
光线出射方向, 在腔轴线的上方时，θ为正，反之θ为负。
傍轴光线、自由空间的光线矩阵 2.2 共轴球面腔的稳定性条件光线传输路径：
M 1 r1 ,1 M 2 r2 , 2
由几何关系： r2 r1 L sin 1 r1 L1 2 1
1 1 t dN t N0 0 N0

N0 t e R

t
R
dt R
这就证明了腔内光子的平均寿命为τR，腔的损耗愈小，τR就愈大，腔内光子的平均寿命就愈长。
2.无源谐振腔的Q值
谐振腔Q值的普遍定义为：
δ ——储存在腔内的总能量；P——单位时间内损耗的能量， v—— 腔内电感场的振荡频率；W=2л v——场的角频率。
E0 ET
E3

E1=E0e-j
当||1的情况下（往返传播次数无限多），当 = q2时，ET幅度可以达到
E4 E3=E2e-j
E2=E1e-j
——腔内纵模需要满足的谐振条件
相长干涉条件：腔中某一点出发的波，经往返一周回到原来位置时，应与初始出发的波同相位。
开放式光腔

稳定腔——共焦腔模式理论
（损耗小，模体积小）
非稳腔（高损，大功率激光器）

方形镜共焦腔圆形镜共焦腔一般稳定球面腔与共焦腔的等价性产生激光光束的传输问题 ——高斯光束
2.1光腔理论的一般问题
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一.光学谐振腔的构成和分类
平行平面腔：最早的光腔法布里－珀罗干涉仪，F-P腔。
共轴球面腔：两块具有公共轴线球面镜构成的谐振腔。

周版激光原理课件第二章

数为：
P
nVd
8 2
c3
Vd
由此关系知，只能压缩V，但是不现实。从而提出开式腔
（无侧壁的封闭腔）。从发散角来看，封闭时为2 ，而
开式时为
a
2
L
压缩倍数为
2
/
a L
2
• 但是，我们知道开式腔是无侧壁的封闭腔，那么内部会不会有稳定的电磁波存在？如何求出该电磁波？
§ 2.1光腔理论的一般问题
(t
z
)
A2
A0
cos 2
(t
z
)
总波为二者叠加：
A
A1
A2
2 A0
cos
2
z
cost
稳定波存在必须满足驻波条件：
一维： L q
2
与谐振条件等价
从波动理论知：驻波是稳定存在的波。满足驻波条件的那些光波称之为光腔的纵模，q为波节数，一般很大。一般把由整数q所表征的腔内的纵向场分布称为腔的纵模。其特点是：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向形成驻波，驻波的波节数由q来决定。
共轴
球面 R1
共轴 R2
2. 开放式: 除二镜外其余部分开放共轴: 二镜共轴球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)
三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:
稳定腔 (光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外) 光腔临界腔 (几何光学损耗介乎上二者之间)
非稳腔 (伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的
a
在这种条件下，可认为均匀平面波是F-P谐振腔内的最低损耗模，从而为F-P谐振腔的模式提供一种粗略的，也是有用的形象。
所以考虑均匀平面波在F-P谐振腔内沿轴线方向往返传播的情形

第二章开放式光腔与高斯光束1

腔的菲涅耳数为 N a L
2
所以:
1 1 d 2 a N L
' d
几何光学分析方法和衍射理论分析方法
几何光学分析方法：
用矩阵方法处理光腔中光线的传播、腔的稳定性、谐振腔的分类等。
衍射理论分析方法：在菲涅耳－－基尔霍夫衍射积分以及模式重现概念的基础上，讨论谐振腔模式的形式、解的存在、模式花样、衍射损耗等。
共焦谐振腔示意图
长半径球面腔
长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点如下： 1）中等的衍射损耗；2）较易安装调整； 3）模体积很大； 4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；
长半径球面谐振腔适于连续工作的激光器
长半径球面腔示意图
半球型谐振腔半球型谐振腔的特点：易于安装调整、衍射损耗低、成本低半球型谐振腔主要应用于低功率氦氖激光器
（3）腔镜不完全反射引起的损耗包括反射镜的吸收、散射以及镜的透射损耗。镜的透射损耗与输出镜的透射率T有关。（4）材料中非激活吸收、散射，腔内插入物引起的损耗。激光通过腔内光学元件和反射镜发生非激活吸收、散射引起的损耗平均单程损耗因子
I I 0e
2
1 I0 ln 2 I
I1 I 0 r1r2 I 0e 2 r 1 r ln(r1r2 ) 2 r1 1, r2 1 时有
当
1 r [(1 r1 ) (1 r2 )] 2 （2）腔镜倾斜时的几何损耗
设倾角为，往返m次后才逸出腔外，D为腔的横向尺寸。
L 2 L 6 L(2m 1)2 D
§2.1 光腔理论的一般问题
一、光学谐振腔的构成、分类和作用光学谐振腔的构成最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。

第二章开放式光腔和高斯光束2.3

q1
表示入射高斯光束在透镜处的q参数，
1 q1

1 R1

i

2 1
q2 表示出射高斯光束在透镜处的q参数
1 q2

1 R2

i

2 2
1 11 由上面的四个式子可以得到：
q2 q1 F
比较两式： R2 (z) R1z z2 z1 R1z L
qz2 qz1 z2 z1 qz1 L
高斯光束通过薄透镜的变换
w/
当傍轴波面通过焦距为F的透镜时，其
波前曲率半径满足关系式
：
1
R2 z

1
R1z

1 F
出射光束在透镜处的光斑尺寸满足： 1 2
当傍轴波面通过焦距为F的透镜时，其
波前曲率半径满足关系式
：
1
R2 z

1
R1z

1 F
出射光束在透镜处的光斑尺寸满足： 1 2
与轴线相交于z点的高斯光束等
相位面的曲率半径radius of
curvature
高斯光束的共焦参数
二、基模高斯光束在自由空间的传输规律
1.在横截面内的场振幅分布按高斯函数规律从中心向外平滑降落。
exp[

r
2
2
(
z
)
]
所描述的
光斑半径随z的变化规律为：
z 0
1 0
2
Rz

z 1

2 0
z
2

0

z1

第二章开放式光腔与高斯光束2

谐振腔模式理论的基础
模式自再现概念
菲涅耳－基尔霍夫衍射积分
基本步骤：
光的衍射理论
自再现模所满足的积分方程
求解积分方程
在决定开腔中激光振荡能量的空间分布方面，衍射起主要作用。理想的开腔模型：两块反射镜片沉浸在均匀的、无限的、各向同性的介质中。无侧壁的不连续性，决定衍射效应的孔径由镜的边缘所构成。
可以得到：
xx yy i vmn x, y mn exp ikL vmn x, yexp ik dxdy L L a a
a a
方形镜对称共焦腔自再现模积分方程
按照博伊德和戈登的方法进行无量纲变换:
a2 C C a 2k X x, Y y, C 2 2N a a L L
4、自再现模的形成过程将伴随着光的受激放大。结果光谱不断变窄，空间相干性不断增强，光强不断增大，最终形成高强度的激光输出。
三、菲涅耳－基尔霍夫衍射积分
1、惠更斯－菲涅耳原理
惠更斯：球面子波
菲涅耳：子波相干叠加
2、衍射积分公式
基尔霍夫：用数学公式描述出惠更斯－菲涅耳原理如果知道光波场在其所达到的任意空间曲面上的振幅和相位分布，可求出该光波场在空间其他任意位置处的振幅和相位分布。

自再现模在开腔中的单程总相移一般不等于由腔长L所决定的几何相移kL。通常有这么一个关系：
kL
表示腔内单程渡越时相对于几何相移的单程附加相移
2 L q c
mn
qc c mn 2 L 2L
也就是说，本征值决定了不同横模的谐振频率
根据分离变量： vmn ( x, y) Fm X Gn Y 令 mn m n 则积分方程转化为：

ch2开放式光腔与高斯光束

4．相位分布
实函数镜面上各点场的相位相同，共焦腔反射镜本身构成场的一个等相位面。共焦腔的这一性质也与平行平面腔不同。
三、单程损耗

2-5方形镜共焦腔的自再现模

2-5方形镜共焦腔的自再现模

1
mn
(1) (1) 4 N exp{ i{kL (m n 1) ]}Rom (c,1) Ron (c,1) 2
选择损耗：不同模式的损耗各不相同的损耗非选择损耗：不同模式的损耗都相同的损耗
2-1光腔理论的—般问题 (1)几何偏折损耗 (2)衍射损耗非选择损耗选择损耗
(3)腔镜反射不完全引起的损耗
(4)材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物(如布儒斯特窗．调Q元件、调制器等)所引起的损耗，等等。平均单程损耗因子δ
2-2共轴球面腔的稳定性条件三、共轴球面腔的分类 1. 稳定腔
满足条件的共轴球面腔都是稳定腔。其特点是任意近轴光线在腔内能往返无限多次而不横向逃逸出腔外。换句话说，这种腔的几何损耗为零。腔内的光束可分为两种：称简并光束；经有限次往返后可形成闭合非简并光束:虽可往返多次，但始终不能自行闭合。
I1 I 0e
2
用单程渡越时光强的平均衰减百分数来定义单程损耗因子
2-1光腔理论的—般问题 δ′与指数损耗因子 δ 是一致的
1．光子在腔内的平均寿命
2-1光腔理论的—般问题
2．无源谐振腔的 Q 值无论是 LC 振荡回路、微彼谐振腔、还是光频谐振腔，都采用品值因数Q标志腔的特性。谐振腔Q值的普遍定义为:
2-2共轴球面腔的稳定性条件球面镜反射
球面镜的反射矩阵
球面镜对近轴光线的反射变换与焦距相同的薄透镜对同一傍轴光线的透射变换是等效的，只是光线传播方向不折转。在此基础上，可以将球面镜腔等效为周期透镜波导。

第二章开放式光腔与高斯光束kp

腔的时间常数
腔内光子平均寿命
•谐振腔损耗越小，腔内光子寿命越长 •腔内有增益介质，使谐振腔净损耗减小，光子寿命变长
17
2.1 光腔理论的一般问题 5.光子寿命与无源谐振腔的Q值的联系
谐振腔品质因子的定义：
储存在腔内的总能量（E）单位时间内损耗的能量（P）
Q的普遍定义
可以证明：
因此有：
谐振腔的损耗越小，Q值越高
18
2.2 共轴球面腔的稳定条件 2.2 共轴球面腔的稳定条件
一、几何光学中的光线传输矩阵（ABCD矩阵）
r z
正,负号规定:
2. 自由空间区的光线矩阵
B A
L
自由空间光线矩阵
19
2.2 共轴球面腔的稳定条件
4. 薄透镜传输矩阵
f
20
2.1 光腔理论的一般问题
‹#›
2.2 共轴球面腔的稳定条件薄透镜与球面反射镜等效
—开腔的自再现模或横模幅度、相位
的衍化空间相干性
孔阑传输线
2.3 开腔理论的物理概念和衍射理论分析方法三、几点理解
1.只有不受衍射影响的场分布才能形成稳定的场分布，成为自再现模。 2.衍射起“筛子”作用，将腔中允许存在的自再现模从各种自发辐射模中筛选出来。
3.自再现模是多次衍射的结果，与初始波形无关，但不同的初始波形最终形成的场分布不同，而自发辐射可提供不同的初始波形,因此决定了自再现模的多样性。
1
第二章开放式光谐振腔与高斯光束
2.1 光腔理论的一般问题 2.2 共轴球面腔的稳定性条件 2.3 开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法 2.4 平行平面腔模的迭代解法 2.5 方形镜共焦腔的自再现模 2.6 方形镜共焦腔的行波场 2.7 圆形镜共焦腔 2.8 一般稳定球面腔的模式特征 2.9 高斯光束的基本性质及q参数 2.10 高斯光束q参数的变换规律 2.11 高斯光束的聚焦与准直 2.12 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 2.13 光束衍射倍率因子

ch2-开放式光腔与高斯光束概述

平面反射镜
2019/3/14
1 0
1 0 1 1 f
0 n1 n2
L 1 0 1
1 0
0 1
29
2019/3/14
30
2019/3/14
31
2019/3/14
32
光线在腔内传播的情形,其坐标变换情况如下：
(1) 稳定腔双凹稳定腔，由两个凹面镜组成平凹稳定腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成
。凹凸稳定腔，由一个凹面镜和一个凸面镜组成
共焦腔，R1＝R2＝L，因而，g1=0，g2=0，
半共焦腔，由一个平面镜和一个R=2L的凹面镜组成
2019/3/14
2 r
1 r1 1, r2 1时， r＝ 1－r1 ＋1－r2 2
2019/3/14 19
2019/3/14
20
(2)腔镜倾斜时的几何损耗:设光在腔内往返m次后才逸出腔外
L 2 L 6 ... L 2m 1 2 D
L q
,
0 q
2
0q
称为腔的谐振波长
c q q , 2L
q称为腔的谐振频率
当光腔内充满折射率为的均匀物质时
L L
,
L q
2019/3/14
q
2
c q q , 2 L
式中 q 为物质中的谐振波长。
11
本征模式在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向(纵向)形成驻波，驻波的波节数由q决定，q单值地决定模的谐振频率。
2019/3/14 4
气体波导谐振腔：在一段空心介质波导管两端适当位置处放置两块适当曲率的反射镜片。这样，在空心介质波导管内，场服从波导管中的传输规律；而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。这种腔与开腔的差别在于：波导管的孔径往往较小(虽然通常仍远比波长为大)，以致不能忽略侧面边界的影响。

第二章--开放式光腔与高斯光束

四、稳定球面腔中的模结构
• 方形镜共焦腔与圆形镜共焦腔的自再现模
镜面上场的振幅和相位分布
共焦腔基模在镜面上的分布高阶横模（强度花样）相位分布单程损耗单程相移和谐振频率
共焦腔行波场（共焦场）的特征
振幅分布和光斑尺寸模体积等相位面的分布远场发散角
• 一般稳定球面腔的模式特征
共焦腔模式理论可以推广到一般两镜稳定球面腔。基于：任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等价于某一共焦腔。 “等价”指具有相同的行波场
22 CO2 激光器输出光 =10.6μm 0 =3mm，用F=2cm的
凸透镜聚焦，求欲得到 0' =20μm及 2.5μm
透镜应放在什么位置。
解:
F 2.0102 m
入射高斯光束的共焦参数
f 02 2.67m
0 20μm

0
0 F
(l F )2 f 2
一、光腔理论的一般问题
光腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈
构成、分类：
开放式光腔和波导腔；
模式的概念
稳定腔、非稳腔和临界腔
模式：通常将光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态称为腔的模式
腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。
一旦给定了腔的具体结构，则其中振荡模的特征也就随之确定下来了。
模的基本特征：
l 1.39m
即将透镜放在距束腰1.39m处；
0 2.5μm
得 l F 02F 2 f 2
l 23.87m
02
即将透镜放在距束腰23.87m处。
23．如图2.2光学系统，入射光 =10.6μ，m 求0" 及 l3 。

第二章光腔与高斯光束

镜面的横向尺寸时，光不逸出，即为稳定。我们讨论φ的取值情况： 1)φ为实数
a. Tn为有限值的条件为Sinφ不为0
φ不等于Kπ
即
1 ＝arc cos （A＋D） K 2 1 1 < （A＋D）< 1 稳定条件 2
§2.2 共轴球面腔的稳定性条件
1 2L 2L 2L2 A D 1 2 R1 R2 R1R2
§2.2 共轴球面腔的稳定性条件
(2)平行平面腔此时有R1=R2＝∝，
g1＝g2＝1
g1g2＝1
1.腔中沿轴线方向行进的光线能往返无限多次而不致逸出腔外，且一次往返即实现简并(形成闭合光路 )． 2.沿非轴向行进的光线在经有限次往返后，必然从侧面逸出腔外，这又与非稳腔相像。
§2.2 共轴球面腔的稳定性条件
Finesse
gm
1 gm
1 P cav Pmax 1 (2F )2 sin 2 ( )
§2.1 光腔理论的一般问题
三光腔的损耗 1 分类
光学开腔的损耗包括： • 几何偏折损耗 • 衍射损耗 • 腔镜反射不完全所引起的损耗 • 材料中的非激活吸收、散射、腔内插入的光学元件或其它物体所引起的损耗
I1 I 0r1r2 I 0e
2 r
1 1 r ln( r1r2 ) (ln r1 ln r2 ) 2 2
1 r [(1 r1 ) (1 r2 )] 2
当r1≈1，r2≈1时，
§2.1 光腔理论的一般问题
损耗举例2：（腔镜倾斜时的几何损耗）
m
§2.1 光腔理论的一般问题
二 F-P腔TEMmnq模之纵模

驻波条件: 波从某一点出发,经腔内往返一周再回到原来位置时,应与初始出发波同相

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

1、几何偏折损耗
• 光线在腔内往返传播时，从腔的侧面偏折逸出的损耗。
• 取决于腔的类型和几何尺寸 • 几何损耗的高低依模式的不同而异，高阶
横模损耗大于低阶横模损耗 • 是非稳腔的主要损耗
2、衍射损耗
• 腔镜具有有限大小的孔径，光波在镜面上
发生衍射时形成的损耗
• 与腔的菲涅尔数（
N a2 L
）有关，N愈大，
2 2L q2 q
q
q c 2L
L q q 2
q
c 2L
结论：L'一定的谐振腔只对一定频率的光波才能提供正反馈，使之谐振； F-P腔的谐振频率是分立的。
• 此式又称为驻波条件。表明：达到谐振时，腔的光学长度应为半波长的整数倍。
• 满足此条件的平面驻波场称为腔的本征模式
• 特点：腔内光强沿z轴的分布不是均匀的，而是强弱相间地分布着。光强最强的明亮区，称为波腹；最弱的黑暗区，称为波节。
• 利用均匀平面波模型讨论开腔中傍轴传播模式的谐振条件
• 考察均匀平面波在腔中沿轴线方向往返传播的情形。当波在腔镜上反射时，入射波和反射波将会发生干涉，多次往复反射时就会发生多光束干涉。为了能在腔内形成稳定振荡，要求波能因干涉而得到加强。
• 发生相长干涉的条件是：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差是2的整数倍）。
损耗愈小
（a:腔镜半径）
• 与腔的几何参数有关
• 与横模阶次有关(the higher the transverse
mode indices m,n, the greater the loss)
3、腔镜反射不完全引起的损耗 • 反射镜的吸收、散射和透射损耗.
4、固有损耗： • 材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所
第二章开放式光腔与高斯光束
§2.1 概述－光腔理论的一般问题
谐振腔的作用无源谐振腔理论依据开放式光腔开腔的分类无源谐振腔的模式光腔的损耗
一谐振腔的作用
• 模式选择。保证激光器单模（或少数轴向模）振荡，从而提高激光器的相干性；控制腔内振荡光束的特性
（直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角等）
• 模的基本特征包括：
每一个模的电磁场分布，特别是在腔的横截面内的场分布；
模的谐振频率；
每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗；
与每一个模相对应的激光束的发散角
• 原则上，只要知道了腔的参数，就可以唯一地确定模的基本特征。
• 开腔中的振荡模式以TEMmnq表征。TEM表示
纵向电场为零的横电磁波，m、n、q为正整数，其中q为纵模指数， m、n为横模指数。
模的纵向电磁场分布由纵模指数表征，横向电磁场分布与横模指数有关。
• m与n为零的模称作基模，m>=1或n>=1的模称作高阶模。
• 一个完整的模式不但有确定的横向分布，而且沿纵向形成驻波（驻波型谐振腔）。横模与纵模体现了电磁场模式的两个方面，一个模式同时属于一个横模和一个纵模。
纵模和谐振频率
提供轴向光波模的反馈
二无源谐振腔
• 不考虑腔内激活介质的影响 • 无源腔模式可以作为具有激活介质腔（有
源腔）的激光模式的良好近似 • 激活介质的作用主要是补充腔内电磁场在
振荡过程中的能量损耗，使之满足阈值条件；激活介质对场的空间分布和振荡频率的影响是次要的，不会使模式发生本质的变化
三采用的理论
• 腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。同一模式内的光子，具有完全相同的状态（如频率、偏振等）。
• 腔内电磁场的本征态由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。一旦给定了腔的具体结构，则其中振荡模的特征也就随之确定下来-----腔与模的一般联系。
• 目的：弄清楚激光模式的基本特征及其与腔的结构之间的具体依赖关系。
谐振腔可以按不同的方法分类：
• 稳定腔、非稳腔、临界腔 • 球面腔与非球面腔 • 驻波腔与行波腔 • 两镜腔与多镜腔 • 简单腔与复合腔 • 端面反馈腔与分布反馈腔
本章仅讨论由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔
六无源谐振腔的模式
模的概念纵模和谐振频率激光的横模
模的概念——腔与模的一般联系
• 在激光技术术语中，通常将光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态称为腔的模式。
• 几何光学理论--推导腔的稳定性条件（不能得到腔的衍射损耗）
• 衍射光学理论--深入了解模式特性
四开放式光腔
• 激光器中使用的谐振腔通常是开放式的，即侧面没有光学边界（理想化的处理方法），称为开式光学谐振腔，简称开腔。
• 对固体激光器，如果棒的直径远大于激光波长，棒的长度远小于腔长，可认为是开腔。
• 半导体激光器采用介质波导腔，光纤激光器的光谐振腔也属介质波导腔。
五开腔的分类
• 根据光束几何逸出损耗的高低，分为稳定腔、非稳腔和临界腔。
• 稳定腔：旁轴（傍轴）光线在腔内多次往返而不逸出腔外，具有较低的几何损耗
• 非稳腔：傍轴光线在腔内经过少数几次往返就逸出腔外，具有较高的几何损耗
• 临界腔：性质介于稳定腔和非稳腔之间，只有少数特定光线能在腔内往返传播
引起的损耗.
• 后两种损耗称为非选择损耗，通常情况下它们对各个模式大体一样。
• 几何偏折损耗和衍射损耗称为选择损耗，不同模式的几何偏折损耗和衍射损耗各不相同。
损耗参数 (loss per pass, photon lifetimes, and quality factor Q)
1、平均单程损耗因子
• 通常将由整数q所表征的腔内纵向光场的分布称为腔的纵模，不同的q相应于不同的纵模，或相应于驻波场波腹的个数。
•
七光腔的损耗(losses in optical resonators)
损耗类型(loss mechanisms ) 1、几何偏折损耗 2、衍射损耗(diffraction losses) 3、腔镜反射不完全引起的损耗(loss resulting from nonperfect reflection) 4、固有损耗(absorption and scattering in the laser medium)

开放式光腔与高斯光束

合集下载