现代光学基础激光原理3章节(4958KB).ppt

定性分析: 衍射效应引起每次反射传播时空间横场能量重新分布，且镜边缘由于衍射扩展到镜外的光能量损失，结果边缘远轴场振幅比近轴小得多。 随着往返传播次数增多，衍射的影响越来越弱。经过足够多次的往返传播后，光场分布不再受衍射的影响，形成一种稳定的场分布模式——自再现模。 惠更斯：球面子波 菲涅耳：子波相干叠加 基尔霍夫：用数学公式表达 定量分析理论基础： 激光模式：基模（高斯光束）、高阶模 m——x方向节线数 n——y方向节线数 TEM00---基横模 开放式方形对称共焦腔横模: 光强分布出现节线或节圆 m—角向节线数(沿圆周2m零值) n—径向节圆数 镜面上光斑半径随m、n而增大； 开放式圆形对称共焦腔横模: 方形镜对称共焦腔行波场（腔内或腔外）： 场分布特点：厄米特－高斯分布 随行波场传播，振幅大小随Z变化 横向振幅分布因子，反映出各模式在不同z坐标处的横截面内的振幅分布 相位因子 圆形镜共焦腔模式：拉盖尔—高斯函数近似 对称对称共焦腔（稳定腔）基横模的特征 高斯函数 横模振幅分布： 横截面内：高斯分布 振幅下降1/e处 光斑/束半径 ： 0 基模行波场ω(z)--z曲线图 束腰: 光束最细/光斑半径最小处, 坐标Z=0。 激光束：马鞍形，光线双曲线。 双曲线 与腔的轴线在z点相交的等相位面曲率半径为: 等相位面：近似球面 O Z 镜面处等相位面与镜面重合 基模远场发散角： 双曲线的两条渐近线之间的夹角 注意： 高阶模发散角随模阶次的增大而增大，故其方向性变差，不如单基模。 f = R/2 §2.6 一般稳定球面腔的 模式 共焦腔模式理论 1. 定量说明共焦腔振荡摸的特征 2. 推广应用到一般稳定球面腔系统 一、一般稳定球面腔与共焦腔的等价性 任何一个对称共焦腔 等价 无穷多个稳定球面腔 等价 唯一对称共焦球面腔 任何一个稳定球面腔 等价——具有相同的行波场 共焦腔等相位面的曲率半径： 光斑半径 远场发散角 谐振频率 2.等价共焦腔 实际稳定腔 的模式特征 分析步骤： 1.先求其等价共焦腔； 二、一般稳定球面腔的模式 Z1, Z2, f （等价共焦腔位置、参数） R共焦，ω0 f 求等价共焦腔的公式 例1、已知一二氧化碳激光谐振腔由两个凹面镜构成，两凹面镜曲率半径R1＝2m，R2＝4m，腔长L＝1m。（1）证明该谐振腔为稳定腔（2）如何选择高斯光束腰斑的大小和位置才能使它成为该谐振腔中的自再现光束？( 输出波长为10.6μm ) 解：（1）∵ ∴该谐振腔为稳定腔。 使束腰距离第二面反射腔镜0.25m处，束腰大小为1.8mm即可。 §3.9非稳定谐振腔 激活物质横向尺寸较大，腔的菲涅尔数N1，可采用几何光学分析方法。 高功率激光器件设计的主要问题：如何获得近可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转。稳定腔不能满足这些要求，而非稳腔却是最合适的。 非稳定条件： 或 非稳腔： 一、非稳腔的构成 1、双凸腔 两凸面镜按任意间距组成 所有双凸腔都是非稳腔 2、平凸腔 一个平面镜和一个凸面镜按任意间距组成 平凸腔 腔长为其二倍的对称双凸腔 3. 平凹非稳腔 一个平面镜和一个凹面镜组成 若 4. 双凹非稳腔 两个曲率半径不同的凹面镜组成 负支望远镜型非稳腔 （实共焦型非稳腔） 5 双凹(实)非对称共焦腔☆ 正支望远镜型非稳腔 （虚共焦型非稳腔） 6. 凹凸非稳腔 一个凹面镜和一个凸面镜既可以构成稳定腔，也可以构成非稳腔 7.凹凸/虚共焦型非稳腔： 二、非稳腔的共轭像点及几何自再现波型 非稳腔基模的近似描述 非稳腔内存在：唯一一对轴上共轭像点 及相应的一对几何自再现波型 共轭像点：P1和P2互为源和像 自再现：从这对共轭像点中任何一点发出的球面波 在腔内往返一次后其波面形状保持不变 按严格的波动光学分析，存在不同的模式，各模式空间分布图样不同。共轭像点及几何自再现波型，只是对非稳腔基横模的近似粗略描述，但在实践中具有广泛应用。 注： 非稳腔几何自再现波型的概念 几何自再现波型 ——非稳腔的共振模 非稳腔利用从边缘逸出的能量作为激光输出。 三、非稳腔的输出耦合方式 C: 虚共焦腔内插入带孔的倾斜反射镜获取侧向耦合输出的例子。 能量损耗率＝输出耦合率 （侧面逸出能量为有用输出） 输出光束是超出线度较小的凸面镜边缘部分的光。 输出光束的形状与稳定腔中基模光束相似，但是其中心处有一圆孔（暗斑），呈环形，强度分布不均匀。 例：连续输出高功率CO2激光器的凹凸型非稳腔及其输出光束 四、非稳腔主要特点: 侧向损耗大（也称