开放式光腔与高斯光束-12节

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,.1,概述光腔理论的一般问题,谐振腔的作用,无源谐振腔,理论依据,开放式光腔,开腔的分类,无源谐振腔的模式,光腔的损耗,第二章开放式光腔与高斯光束,一 谐振腔的作用,模式选择。,保证激光器单模（或少数轴向模）振荡，从而提高激光器的相干性； 控制腔内振荡光束的特性,（直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角等）,提供轴向光波模的反馈,二 无源谐振腔,不考虑腔内激活介质的影响,无源腔模式可以作为具有激活介质腔（有源腔）的激光模式的,良好近似,激活介质的作用主要是补充腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗，使之满足阈值条件；激活介质对场的空间分布和振荡频率的影响是次要的，,不会使模式发生本质的变化,三 采用的理论,几何光学理论,-推导腔的稳定性条件（不能得到腔的衍射损耗）,衍射光学理论,-深入了解模式特性,四 开放式光腔,激光器中使用的谐振腔通常是开放式的，即侧面没有光学边界（理想化的处理方法），称为,开式光学谐振腔,，简称,开腔,。,对固体激光器，如果棒的直径远大于激光波长，棒的长度远小于腔长，可认为是开腔。,半导体激光器采用介质波导腔，光纤激光器的光谐振腔也属介质波导腔。,五 开腔的分类,根据光束,几何逸出损耗,的高低，分为稳定腔、非稳腔和临界腔。,稳定腔,：旁轴（傍轴）光线在腔内多次往返而不逸出腔外，具有较低的几何损耗,非稳,腔,：傍轴光线在腔内经过少数几次往返就逸出腔外，具有较高的几何损耗,临界腔,：性质介于稳定腔和非稳腔之间，只有少数特定光线能在腔内往返传播,稳定腔、非稳腔、临界腔,球面腔与非球面腔,驻波腔与行波腔,两镜腔与多镜腔,简单腔与复合腔,端面反馈腔与分布反馈腔,本章仅讨论,由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔,谐振腔可以按不同的方法分类：,六 无源谐振腔的模式,模的概念,纵模和谐振频率,激光的横模,模的概念,腔与模的一般联系,在激光技术术语中，通常将,光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态,称为腔的模式。,腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。同一模式内的光子，具有完全相同的状态（如频率、偏振等）。,腔内电磁场的本征态由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。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,-,腔与模的一般联系。,目的：弄清楚激光模式的基本特征及其与腔的结构之间的具体依赖关系。,模的,基本特征,包括：,每一个模的电磁场分布，特别是在腔的横截面内的场分布；,模的谐振频率；,每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗；,与每一个模相对应的激光束的发散角,原则上，只要知道了腔的参数，就可以唯一地确定模的基本特征。,开腔中的振荡模式以,TEM,mnq,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，一个模式同时属于一个横模和一个纵模。,纵模和谐振频率,利用,均匀平面波模型,讨论开腔中傍轴传播模式的谐振条件,考察均匀平面波在腔中沿轴线方向往返传播的情形。当波在腔镜上反射时，入射波和反射波将会发生干涉，多次往复反射时就会发生多光束干涉。为了能在腔内形成稳定振荡，要求波能因干涉而得到加强。,发生相长干涉的条件是：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差是2,的整数倍）。,结论：,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。,此式又称为,驻波条件,。表明：达到谐振时，,腔的光学长度应为半波长的整数倍,。,满足此条件的平面驻波场称为腔的本征模式,特点：,腔内光强沿,z,轴的分布不是均匀的，而是强弱相间地分布着。光强最强的明亮区，称为,波腹,；最弱的黑暗区，称为,波节,。,通常将由整数,q,所表征的腔内纵向光场的分布称为腔的纵模,，不同的,q,相应于不同的纵模，或相应于驻波场波腹的个数。,纵模间隔与,q,无关，腔的纵模在频率尺度上是等间隔排列的。,损耗类型(,loss mechanisms,),1,、,几何偏折损耗,2,、,衍射损耗,(,diffraction losses,),3,、,腔镜反射不完全引起的损耗,(,loss resulting from,nonperfect,reflection),4,、,固有损耗,(,absorption and scattering in the laser medium),七 光腔的损耗,(,losses in optical resonators),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的不同而异，高阶横模损耗大于低阶横模损耗,是非稳腔的主要损耗,1,、几何偏折损耗,腔镜具有有限大小的孔径，光波在镜面上发生衍射时形成的损耗,与腔的菲涅尔数（ ）有关，,N,愈大，损耗愈小 （,a,:,腔镜半径）,与腔的几何参数有关,与横模阶次有关(,the higher the transverse mode indices m,n, the greater the loss),2,、衍射损耗,反射镜的吸收、散射和透射损耗,.,3,、腔镜反射不完全引起的损耗,材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起的损耗,.,4,、固有损耗：,后两种损耗称为,非选择损耗,，通常情况下它们对各个模式大体一样。,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。,损耗参数,(,loss per pass, photon lifetimes, and quality factor Q),1,、平均单程损耗因子,如果初始光强为,I,0,，,在无源腔内往返一周后光强衰减到,I,1,，,则,如果各种因素引起的单程损耗因子用,i,来表示，则总的单程损耗是,=,i,。,=?,另一种定义：,单程渡越时光强的平均衰减百分数,当损耗很小时,例：由腔镜反射不完全所引起的损耗,以,r,1,和,r,2,分别表示腔的两个镜面的反射率（功率反射系数），则初始光强为,I,0,的光在腔内往返一周经两个镜面反射后，其强度,I,1,应为,按,的定义，对,由腔镜反射不完全所引入的损耗,r,应有,当,2、光子在腔内的平均寿命,R,和线宽,c,取,t,=0,时刻的光强,I,0,为初始光强,，,到,t,时刻为止在腔内往返,m,次后,R,称为,腔的时间常数,。由于腔内存在损耗，光场不再为简谐振动，而是振幅随时间指数衰减的阻尼振荡，其强度按频率的分布有一宽度,C,=1/(2,R,) (full width at the half-power points),m=?,求证：腔的时间常数等于光子在腔内的平均 寿命,设,t,时刻腔内光子数密度为,N,(,t,)，,N,0,表示,t,=0,时刻光子数密度,3、无源谐振腔的品质因数,Q,：储存在腔内的总能量；,P,：,单位时间内损耗的能量,腔的品质因数表示光腔的储能与损耗的特征。,Q,值大，表示光腔的储能好，损耗小，腔内光子寿命长。,平均单程损耗因子,光子在腔内的平均寿命,R,和模式线宽,c,无源谐振腔的品质因数,Q,四者之间的关系：,损耗参数小结：,损耗举例,由镜反射不完全所引起的损耗,腔镜倾斜时的几何损耗,平行平面腔的调整精度要求极高,衍射损耗,N,愈大，损耗愈小,N,：,腔的菲涅尔数，即从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅尔半周期带的数目（对平面波阵面而言）,end,2.2,共轴球面腔的稳定性条件,光线传输矩阵,(optical ray matrices or ABCD matrices),腔内光线往返传播的矩阵表示,共轴球面腔的稳定性条件,常见的几种稳定腔、非稳腔、临界腔,稳区图,一 光线传输矩阵,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,、光线与轴线的夹角,。,规定：光线出射方向在腔轴线的上方时，,为正；反之，为负。,光线在自由空间行进距离,L,时所引起的坐标变换为,球面镜对傍轴光线的变换矩阵为（,R,为球面镜的曲率半径）,球面镜对傍轴光线的反射变换与焦距为,f=R/2,的薄透镜对同一光线的透射变换是等效的。,用一个,列矩阵,描述任一光线的坐标，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,。,二 腔内光线往返传播的矩阵表示,由曲率半径为,R,1,和,R,2,的两个球面镜,M,1,和,M,2,组成的共轴球面腔，腔长为,L,，开始时光线从,M,1,面上出发，向,M,2,方向行进,当凹面镜向着腔内时，,R,取正值；当凸面镜向着腔内时，,R,取负值,光线从,M,1,面上出发到达,M,2,面上时,当光线在曲率半径为,R,2,的镜,M,2,上反射时,当光线再从镜,M,2,行进到镜,M,1,面上时,然后又在,M,1,上发生反射,傍轴光线在腔内完成一次往返，总的,坐标变换,为,傍轴光线在腔内完成一次往返总的,变换矩阵,为,三 共轴球面腔的稳定性条件,(mode stability criteria),傍轴光线能在腔内往返任意多次而不横向逸出腔外，要求,n,次往返变换矩阵,T,n,的各个元素,A,n,、,B,n,、,C,n,、,D,n,对任意,n,值均保持有限,引入,g,参数,，可写成,简单共轴,球面腔,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。,随着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。,(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,。,稳定腔,非稳腔,临界腔,或,或,四 常见的几种稳定腔、非稳腔、临界腔,双凹稳定腔、非稳腔,凹凸稳定腔、非稳腔,平凹稳定腔、非稳腔（如果,L=R/2,，称为半共焦腔；如果,L=R,，称为半共心腔,）,双凸腔、平凸腔都是非稳腔,(a),、,(b),双凹稳定腔,(c),凹,-,凸稳定腔,(d),平,-,凹稳定腔,(e),半共焦腔,（,L=R/,2,）,对称共焦腔,(,confocal,),R,1,=R,2,=L,平行平面腔,(plane-parallel),R,1,=R,2,=,共心腔,R,1,+R,2,=L,实共心腔,R,1,、,R,2,均,为正值，当,R,1,=,R,2,=L/2,时，称为对称共心腔,(symmetric concentric),虚共心腔,R,1,、,R,2,异号,临界腔,(a),对称共焦腔,(b),平行平面腔,(c),实共心腔,(d),对称共心腔,(e),虚共心腔,五 稳区图,(stability diagram of optical resonator),任意一个球面腔唯一地对应于,g,1,-g,2,平面上的一个点。由,g,1,=0,、,g,2,=0,和,g,1,g,2,=1,双曲线的两支围成的区域属于腔的稳定工作区域，其余的区域属于非稳区。如果满足,g,1,=0,、,g,2,=0,或,g,1,g,2,=1,，则是临界腔。,任意一个具有确定（,R,1,、,R,2,、,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,g,1,=0,，,g,2,=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。,共轴球面腔的稳定性条件改写为：,小结：,(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,),及往返一次的顺序都元关。,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：,end,