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第2章光学谐振器理论
第二章 光学谐振腔理论;§2.1 激光振荡条件
了解光波模式的基本概念,掌握激光振荡的增益条件和光学正反馈条件。
§2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性
掌握稳定性判别原理和方法。
§2.3 光学谐振腔的损耗
掌握光学谐振腔几种损耗术语与概念。
§2.4 开放谐振腔模式衍射理论
了解衍射积分理论,掌握基模参数的计算公式,熟悉高阶模的特点。
§2.5 一般球面稳定腔模式
§2.6 非稳腔
掌握共轭像点的计算方法,了解损耗的计算方法。;激光产生的三个前提条件(激光器的基本结构);光学谐振腔的结构:
在增益介质的两端各加一块反射镜M1、M2。其中一块为全反射镜;另一块为部分反射镜(反射率接近于1)。
放大的条件:光在腔内往返一次时放大的量大于损耗的量
光学谐振腔的作用:延长增益介质作用长度; 控制光束传播方向; 选频(激光技术部分会讲);2.1 光学谐振腔概论;;;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。;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;腔光学长度为半波长的整数倍 (驻波条件) ;2.1 光学谐振腔概论;激活介质的增益系数G :光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率,也代表介质对光波放大能力的大小
考虑损耗:
;2.1 光学谐振腔概论;;;不需要初始从腔外输入微弱场以触发自激振荡。
腔内初始一个光子的微弱自发辐射即可以使激光器振荡。 ;2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性;2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性;用一个二阶方阵描述入射光线和出射光线的坐标变换。该矩阵称为光学系统对光线的变换矩阵T。
;;近轴光线在球面镜上反射的变换矩阵;近轴光线通过焦距为f的薄透镜的变换矩阵;2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性;;;2)光线在谐振腔中往返一周变换矩阵 ;2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性;傍轴光线在腔内完成一次往返,总的坐标变换为;;光线在腔内往返传输n次时 ;3)共轴球面腔的稳定性条件;如果光线在腔内的初始出发位置及往返一次的行进次序的不同,矩阵T各元素的具体表达式也将各不相同。
可以证明,(A+D)/2对于一定几何结构的球面腔是一个不变量,与光线的初始坐标、出发位置及往返一次的顺序都无关。
共轴球面腔的往返矩阵以及n次往返矩阵均与光线的初始坐标无关,可以描述任意傍轴光线在腔内往返传播的行为。
;共轴球面腔的分类:
稳定腔
在腔内往返n次后,仍然会回到原来的状态,谐振腔具有能够自再现的光线状态 ,旁轴光线在腔内往返无限多次而不会横向逸处腔外
非稳腔
临界腔;2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性;平-凹稳定腔;对称共焦腔R1=R2=L;对称共心腔R1=R2=L/2;双凹非稳腔;凹凸非稳腔;稳区图:;任意一个具有确定(R1、R2、L)值的球面腔唯一地对应于图中一个点,但反过来,图中每个点并不单值地代表某一具体尺寸的球面腔。
对称共焦腔(本属于临界腔g1=0,g2=0),其中任意傍轴光线均可在腔内往返多次而不横向逸出,而且经两次往返即自行闭合。在这种意义上,共焦腔属于稳定腔之列。;可以证明,(A+D)/2对于一定几何结构的球面腔是一个不变量,与光线的初始坐标、出发位置(如在腔面上或在腔内任何其他点)及往返一次的顺序无关。;一般中小功率的气体激光器常用稳定腔,它的优点是容易产生激光;
非稳定腔不宜用于中小功率的激光器,但对于增益系数大的固体激光器常用非稳定腔产生激光,光的准直性均匀性较好,它的优点是可以连续改变输出光的功率
对称共焦腔是建立模式理论的基础,是一种最重要的稳定腔;4)多元件谐振腔的稳定性判别;平凹腔内插入薄透镜 ;;损耗类型:
输出损耗
衍射损耗
几何偏折损耗
吸收、散射损耗
插入损耗 ;2.3 光学谐振腔的损耗;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
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;吸收、散射损耗:
由于工作物质成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷(如固体激光器)而使光产生折射、散射,使部分光波偏离原来的传播方向,以及其它对光能的吸收,造成光能量损耗
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