第三章 光学谐振腔.ppt

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第三章 光学谐振腔 3.1 共焦腔中的光束特性 稳定光学谐振腔的激光器所发出的光,中心处是强度为高斯分布的平面波,在其他地方时强度为高斯分布的球面波。 小结 高斯光束在其轴线附近可看做是一种非均匀高斯球面波 在其传播过程中曲率中心不断改变 其振幅在横截面内为一高斯光束 强度集中在轴线及其附近 等相位面保持球面 3.2 共焦光学谐振腔中基模的分布 3.3 谐振腔中的高阶振荡模 3.4 高斯光束通过薄透镜时的变换及传输规律 3.5 介稳共焦腔结构与特性 3.6 非稳腔结构及特性 本章小结 二、几种典型谐振腔的谐振频率 利用谐振条件可确定各个高阶横模的谐振频率: 1.平行平面腔 纵模频率间隔比横模频率间隔大得多 2.共焦腔 3.共心腔 高斯光束经过薄透镜变换后仍为高斯光束,由于薄透镜厚度足够小,所以透镜两侧光束的分布应该一致,即在透镜像方光强分布仍为高斯分布,且光斑尺寸不变。 一、高斯光束通过薄透镜时的变换 发散 会聚 若已知原始高斯光束的束腰WO1、位置z1,以及透镜焦距f时,求出变换后的高斯光束束腰WO2和位置z2? 二、薄透镜对高斯光束q参数的变换 q参数在自由空间中的传输规律 q参数表征高斯光束的优点:将描述高斯光束的两个参数W(z)和R(z)统一在一个表达式中,便于研究高斯光束通过薄透镜的传输规律。 若已知原始高斯光束的束腰WO1、位置z1,以及透镜焦距f时,求出变换后的高斯光束束腰WO2和位置z2? 讨论 1.z1→∞时 说明,当入射高斯光束的束腰在无穷远时,出射高斯光束的束腰在薄透镜的像方焦面上。 2.z1满足 时, 与几何光学中的高斯公式一致,在求解高斯光束通过薄透镜的变换问题时,大大简化。 3.z1=f时 说明,当入射高斯光束的束腰在薄透镜物方焦平面上时,出射高斯光束的束腰在薄透镜的像方焦面上。 与几何光学不同 z2=f z2=f z1=f时 z2=f 三、高斯光束的聚焦 1.当f一定时,W02随z1变化的情况 当z1=0时,W02达到最小值 当0z1f时,W02随z1的增大而增大 当z1=f时,W02达到最大值 当z1f时,W02随z1的增大而减小 当z1→∞时,W02→0 2.当z1和W01一定时,W02随f变化的情况 短焦距透镜-聚焦 四、高斯光束的准直 1.单透镜对高斯光束发散角的影响 想用单透镜将高斯光束变成平面波是不可能的,只能利用单透镜来改善高斯光束的方向性,提高准直性。 长焦距透镜-准直 2.用望远镜将高斯光束准直 短焦距透镜-聚焦 长焦距透镜-准直 优点:对波形限制能力比稳定腔要强,有利于压缩输出光束发散角。 缺点:光腔调整精度要求高,光腔的损耗也大,因而对小增益器件不合适。 分类:平行平面腔(J1J2=1)、虚共心腔(凹凸腔J1J2=1,L=R1-R2) 、实共心腔(双凹腔J1J2=1,L=R1+R2) 、半共心腔(平凹腔J1J2=0,L=R)等。 一、平行平面腔自再现模形成 1、自再现模:当两个镜面完全相同时,经过多次腔内反射后,场分布将不再受衍射影响,形成一种稳定的场分布(虽然光强等比例衰减,各点相位发生同样大小滞后),即场分布经过一次往返后能够“再现”出来,这个稳定的横向场分布即自再现模或横模。 2、数值迭代解法(Fox-Li 方法):由于平行平面腔的方程至今未得到精确解析解,因此常用迭代法直接进行计算。 二、平行平面腔基模的基本特征 1、稳定场分布特点:镜面中心处振幅最大,中心到边缘振幅逐渐降落,整个镜面上的场分布具有偶对称性。 2、自再现模的获得:均匀平面波在经过300次左右传播后,场的振幅和位相分布逐渐趋向一个稳定而平滑的分布,这样归一化的振幅曲线和位相曲线实际上不再发生变化。 初始场:等振幅均匀平面波 U=1:振幅急剧起伏 U=2:振幅急剧起伏 U逐渐增大:振幅趋于稳定 U=300:振幅趋向一下稳定而平滑的分布 起伏的数目等于菲涅尔数N N越大,镜边缘处相对振幅越小 三、单程相移 达到稳定状态后,自再现模的单程总相移: 几何相移 与菲涅尔数有关的附加相移 同一横模,N越大,单程相移越小; N相同时,基模的单程相移最小,横模阶数越高,单程相移越大; 腔镜形状不同,单程相移不同。 四、谐振频率 若以自再现模达到了振荡阈值条件,则其振荡频率由下式决定: 五、单程损耗 计算表明:平行平面腔的单程功率损耗由菲涅尔数N决定,与腔的几何尺寸无关。 固体激光器一般N很大,因而衍射损耗极低,因此衍射损耗可以忽略。 平行平面腔的特点 优点: 光束方向性好,模体积大,容易获得单模振荡; 腔内激光辐射没有聚焦现象。 缺点: 谐振腔镜面调整难度高,衍射损耗和几何损耗都比较大,其稳定性介于稳定腔与非稳腔之间

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