《激光原理与技术》PPT课件

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1、激光原理第二章开放式光腔与高斯光束上海大学物理系电子信息科学与技术教研室光腔高斯光束模式构成；分类；损耗；ABCD矩阵及应用；稳定条件数学解法；模式特性（场分布、谐振频率、等相位面、衍射损耗等）高斯光束特性及在实际中的应用内容自由空间、透镜（球面反射镜）、平面介电界面、球面镜谐振腔§2.1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光腔的损耗一、概述谐振腔的作用提供轴向光波模的正反馈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无源谐振腔不考虑腔内激活介质的影响无源腔的模式可以作为具

2、有激活物质腔（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采用的理论衍射光学理论——衍射明显,模式的精细描述不同模式按场分布,损耗,谐振频率来区分几何光学理论——忽略反射镜边缘衍射效应，推导腔的稳定性条件不同模式按传输方向和谐振频率来区分，粗略、简单明了闭腔开腔气体波导腔波导管忽略侧面边界的影响波导管的孔径比较小，不能忽略侧面边界的影响光腔的构成与分类折叠腔环形腔光学谐振腔(OpticalCavity)光腔的分类

3、按腔的几何逸出损耗的高低分类:稳定腔,非稳定腔,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谐振腔可以按不同的方法分类：稳定腔、非稳定腔、临界腔球面腔与非球面腔高损腔与低损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讨论：由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔二、光腔理论与模式（概述）1.光腔理论(激光模式理论)－研究模式基本特征及其与腔结构关系有限范围的

4、电磁场分立的本征态腔内存在的场分布激光模式沿光轴方向（纵向）场分布E(z)－纵模场分布垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)－横模模式主要特征：*场分布，谐振频率，往返损耗，发散角以F-P(法布里-珀罗干涉仪)腔中的轴线方向传播电磁场的模式光往返一周发生相长干涉的相移q为整数L’为腔的光学长度，L为腔的几何长度。在整个腔内充满折射率为的均匀物质。则：F-P腔中沿轴向传播的平面波的谐振条件0q为腔的谐振波长，q为腔的谐振频率。谐振频率是分立的。q为物质中的谐振波长(2-1-1)式(2-1-1)又称为光腔的驻波条件谐振条件（干涉仪理论）

5、纵模L驻波场分布L波节纵模间隔满足q的平面驻波场是F-P平行腔的本征模式特点：腔的横截面内的场分布是均匀的；沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波。驻波的波节数由q决定。q所表征的腔内纵向场分布为腔的纵模。纵模q单值地决定腔的谐振频率。q与q无关。L减小，纵模间距增大腔的纵模在频率尺度上等距离排列，每一个纵模均以具有一定宽度c谱线表示。三、光腔的损耗（lossesinopticalCavity）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。其大小取决于腔的类型和几何尺寸。（与腔和腔内的模式有关）衍射损耗：腔的反射镜片通常有有

6、限大小的小孔，所以光在镜面发生衍射时，有一部分能量损失。腔镜反射不完全引起的损耗：包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗。通常镜至少有一个反射镜是部分透射的，另一个通常称“全反射”镜，其反射率不可能做到100%。固有损耗：激光材料的吸收、散射等引起的损耗。1和2为选择损耗：不同模式的几何损耗和衍射损耗各不相同。3和4为非选择损耗：对各个模式大体一样。光腔的损耗是评价谐振腔的一个重要标志。损耗的参数(lossperpass,photonlifetimes,andqualityfactorQ)1.平均单程损耗因子初始光强I0，在腔内往返一次后，光

7、强衰减为I1，则如果I代表每一个引起损耗缘由的损耗因子，则总损耗为总损耗因子，为腔中各个损耗因子的总和。－指数损耗因子例：由腔镜反射不完全引起的损耗r1I0r2腔内往返一周后，强度为r11，r21透过损耗(T)反射损耗透射损耗百分比损耗因子腔损耗很小时指数损耗因子与百分比损耗因子损耗的另一种定义用单程渡越时光强的平均衰减百分比定义单程损耗因子`2.与腔损耗有关的参数－光子寿命光子(平均)寿命tR－腔内光强衰减到初始值的1/e所需时间根据定义，如何计算光子平均寿命谐振腔光学长度=R称为腔的时间常数上式表明R的物理意义——经过R

8、时间后，腔内光腔衰减为初始值的1/e。而且，越大，R越小，则说明腔的损耗越大，腔内光腔衰减的越快。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