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图533计算腔内外光场分布
§5.3 对称共焦腔内外场分布
一、共焦腔镜面上的场分布
1. 方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解
设方镜每边长为2a,共焦腔的腔长为L,光波波长为λ,并把x,y坐标的原点选在镜面中心而以(x,y)来表示镜面上的任意点,则在近轴情况下,积分方程有本征函数近似解析解:
(5.3.1)
一、共焦腔镜面上的场分布
1. 方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解
本征值近似解:
Hm(X)和Hn(Y)均为厄密多项式,其表示式为:
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
则有:
(5.3.4)
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
图5.3.1 画出了m = 0,1,2 和 n = 0,1时:
的变化曲线,同时还画出了相应的光振动的镜面光强分布。
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
激光模式的符号:TEMmnq,TEM00是基横模。
m、n的数值正好分别等于光强在x,y方向上的节线(光强为零的线)数目,而且m、n的数值越大,光场也越向外扩展。
基横模TEM00场分布为:
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
镜面上基模的“光斑有效截面半径”:
(5.3.5)
相位分布: 共焦腔反射镜面本身构成光场的一个等相位面。
单程衍射损耗:一般忽略不计,但是在讨论激光器单横模的选取时必须考虑单程衍射损耗。
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
单程相移与谐振频率
(5.3.6)
共焦腔的频率间隔
(5.3.7)
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
共焦腔谐振频率的简并性:只要保证(2q+m+n+1)不变,对应的谐振频率是可以相同的。图5.3.2画的是方形镜共焦腔的振荡频谱。
一、共焦腔镜面上的场分布
2.镜面上自再现模场的特征
对于圆形镜共焦腔,它的分析方法和方形镜共焦腔的分析方法完全一样,只是求解时要用球坐标处理,这里仅给出一个重要结果,即圆形镜共焦腔谐振频率:
腔内的光场: 可以通过基尔霍夫衍射公式计算由镜面M1上的场分布在腔内造成的行波求得,行波被反射镜M2反射产生传播方向相反的另一列行波,两列行波在腔内迭加成驻波;
腔外的光场: 就是腔内沿一个方向传播的行波透过镜面的部分。即行波函数乘以镜面的透射率t;
二、共焦腔共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布
求空间场分布的关键是:求出镜面场分布生成的行波在任意空间点的表达式。
二、共焦腔共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布
如图5.3.3所示,引入参量 ,将镜面场分布[式(5.3.4)]代入基尔霍夫衍射公式[式(5.2.1)],可得:
二、共焦腔共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布
(5.3.10)
(5.3.11)
(5.3.12)
二、共焦腔共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布
上述各式描述了共焦腔内场的空间分布,其中φmn描述了波阵面上的相位分布,为相位因子。
因为HmHn是厄米多项式,其中m=n=0的一项是由镜面场分布的基横模衍射生成的基横模行波场分布,通常也称为TEM00行波。
图5.3.3 计算腔内外光场分布
二、共焦腔共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布
基横模行波场是(5.3.10)式中最简单的一项,也是激光输出的最重要的一部分。基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯分布,通常称为高斯光束。
高斯光束体现出激光光束与普通光源发出的光束不同的基本特点,对于激光的应用有极其重要的意义。
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