二章节开放式光腔与高斯光束.ppt
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1、第二章第二章 开放式光腔与高斯光束开放式光腔与高斯光束讨论光腔模式问题;只讨论无源腔开放式光腔可以分为稳定腔、非稳腔和临界腔稳定腔模式理论是以对称共焦腔模的解析理论为基础的,推广到一般稳定球面腔采用稳定腔的激光器所发出的激光,将以高斯光束的形式在空间传播。研究高斯光束在空间的传播规律以及光学系统对高斯光束的变换规律稳定腔不适用于某些高功率激光器,非稳腔却能同时满足高输出功率和良好光束质量这两个要求概述光腔理论的一般问题共轴球面腔的稳定性条件开腔模式和衍射理论分析方法稳定球面腔中的模结构高斯光束的基本性质及特征参数高斯光束q参数变换规律高斯光束的聚焦和准直高斯光束的自再现变换与稳定球面腔光束衍射
2、倍率因子M2非稳腔主要内容:本章总结本章总结主要讨论了光腔模式问题。它是理解激光的相干性、方向性、单色性等一系列重要特性、进行激光器件的设计和装调的基础,也是研究和掌握激光基本技术和应用的基础。开放式光腔根据几何偏折损耗的高低,可以分为稳定腔、非稳腔和临界腔。稳定腔的几何偏折损耗很低,绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。其模式理论是腔模理论中比较成熟的部分。由于稳定腔应用广泛,其模式理论具有最广泛、最重要的实践意义。稳定腔模式理论是以共焦腔模的解析理论为基础的。对方形镜共焦腔,镜面上场的分布可用厄米特-高斯函数表示,对圆形镜共焦腔,镜面上场的分布可用拉盖尔-高斯函数描述,并且整个腔内(以及腔外
3、)空间中的场都可以表示为厄米特-高斯光束或拉盖尔-高斯光束的形式。共焦腔振荡模的一系列基本特征都可以解析地表示出来。在高斯光束传输规律的基础上,建立了一般(非共焦的)稳定球面腔与共焦腔之间的等价性,从而将共焦腔解析理论的结果推广到一般稳定球面腔,解决了应用最广的这一大类谐振腔的模式问题。采用稳定球面腔的激光器所发出的激光,以高斯光束的形式在空间传播。研究高斯光束在空间的传输规律,以及光学系统对高斯光束的变换规律,成为激光的理论和实际应用中的重要问题。讨论了最简单和最基本的情形,即高斯光束在自由空间中的传输和简单透镜(或球面反射镜)系统对高斯光束的变换,以及它的聚焦和准直问题。一、光腔理论的一般
4、问题一、光腔理论的一般问题光腔的作用: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;稳定腔、非稳腔和临界腔模式的概念 模式:通常将模式:通常将光学谐振腔内可能存在的电磁波的光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态本征态称为腔的模式。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。 本章内容提要模的基本特征:(1)电磁场空间分布(2)模的谐振频率;(3)在腔内往返一次经受的相对功率损耗;(4)与该模相对应的激光束的发散角 纵模:纵模:通常将由整数通常将由整数q所表征的腔内纵向光场的分所表征的腔内纵向光场的
5、分布称为腔的纵模布称为腔的纵模,不同的,不同的q相应于不同的纵模相应于不同的纵模;达到;达到谐振时,谐振时,腔的光学长度应为半波长的整数倍腔的光学长度应为半波长的整数倍,腔的腔的谐振频率是分立的谐振频率是分立的,纵模间隔与纵模间隔与q无关无关光腔的损耗 损耗类型:选择性损耗(?)与非选择损耗(?)损耗类型:选择性损耗(?)与非选择损耗(?) 损耗参数:平均单程损耗因子、光子在无源腔内的平均寿命、线宽、无源谐振腔的品质因数二、共轴球面腔的稳定性条件二、共轴球面腔的稳定性条件腔内光线往返传播的矩阵表示: 腔内任一傍轴光线在某一给定的横截面内都可以由两个坐标参数来表征:光线离轴线的距离r、光线与轴线
6、的夹角。 光线在自由空间行进距离L时所引起的坐标变换为TL 球面镜对傍轴光线的变换矩阵为TR共轴球面腔的稳定性条件:对于复杂开腔,稳定性条件为:对简单共轴球面腔,稳定性条件为:稳区图g1=g2=0三、稳定开腔中模式的衍射理论分析方法三、稳定开腔中模式的衍射理论分析方法开腔模的物理概念: 开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的为开腔的自再现模或横模自再现模或横模。自再现模一次往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗,所发生的相移称为往返相移,该相移等于2的整数倍。自再现模应满足的积分方程: 寻求开腔振荡模的问题归结为求解菲涅耳基尔霍夫衍射积分
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