激光原理教案第二章2

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,激光原理与技术,第二章 开放式光腔与高斯光束,光腔理论概述:,主要讨论光腔的构成和分类，模的概念,开腔的稳定性条件，腔的损耗，开腔模式问题的数学表述及迭代解法等。,,稳定腔模式理论:,以共焦腔模的解析理论为基础得出，对方形镜共焦腔，镜面上的场分布可用厄米,__,高斯函数表示．而对圆形镜共焦腔，镜面上的场由拉盖尔,__,高斯函数描述。并且整个腔内(以及腔外)空间中的场都可以表示为厄米,__,高斯光束或拉盖尔－高斯光束的形式。,,高斯光束在空间的传输规律、光学系统对高斯光束的变换规律。,§,,光腔理论

2、的一般问题,一、光腔的构成和分类,谐振腔,：在激活物质的两端恰当地放置两个反射镜片,平行平面腔,，它由两块平行平面反射镜组成。这种装置在光学上称为法布里—珀罗干涉仪，简记为,F—p,腔。,共轴球面腔,:,由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔,,闭腔,：由于固体激光材料通常都具有比较高的拆射率(例如，红宝石的折射率为1．76)，在侧壁磨光的情况下，那些与轴线交角不太大的光线将在例壁上发生全内反射。因此，如果腔的反射镜紧贴着激光棒的两端，则将形成封闭腔。,,开放式光学谐振腔,：其侧面没有光学边界(这是一种理想化的处理方法)，简称开腔。根据光束几何偏折损耗的高低，开腔通常又可分为稳定腔、非稳腔和临

3、界腔。气体激光器是采用开腔的典型例子。,,气体波导谐振腔：,在一段空心介质波导管两端适当位置处放置两块适当曲率的反射镜片。这样，在空心介质波导管内，场服从波导管中的传输规律；而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。这种腔与开腔的差别在于：波导管的孔径往往较小(虽然通常仍远比波长为大)，以致不能忽略侧面边界的影响。,,腔的模式,:光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称。场的每一个本征态将具有一定的振荡频率和一定的空间分布。,谐振腔可以按不同的方法可分为：,,端面反馈腔与分布反馈腔，球面腔与非球面腔，高损耗腔与低损耗腔，驻波腔与行波腔，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔等．本章讨论两

4、镜腔,。,二、模的概念、腔与模的一般联系,,腔与模的关系,：,,腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。不同类型和结构的谐振腔的模式各不相同。,,,对闭腔，一般可以通过直接求解微分形式的麦克斯韦方程组来决定其模式,,寻求开腔模式的问题通常归结为求解一定类型的积分方程。,,模的基本特征：模在腔的横截面内的场分布，模的谐振频率，模在腔内往返的相对功率损耗；模的光束发散角。,,0,为光在真空中的波长，,L’,为腔的光学长度，,q,为整数,,纵模频率间隔,：利用均匀平面波模型在开腔中傍轴传播模式的谐振条件，可建立关于纵模频率间隔的普遍表示式。,,均匀平面波在,F—P,腔中沿轴线方向往

5、返传播, 发生相长干涉的条件是：,,0,q,,称为腔的谐振波长,,q,称为腔的谐振频率,当光腔内充满折射率为,,的均匀物质时,式中,,q,,为物质中的谐振波长,本征模式在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向(纵向)形成驻波，驻波的波节数由,q,决定，,q,单值地决定模的谐振频率。,,光频谐振腔的尺寸一般远远大于波长，因而总是工作在极高次的谐波上，即整数,q,通常很大，一般具有10,4,~10,6,数量级。 例如，对,L＝l 00cm,的氦氖激光器(,μ,m):,三、光腔的损耗,(1)几何偏折损耗,,光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损耗。,

6、,例如，稳定腔内傍轴光线的几何损耗应为零，而非稳腔则有较高的几何损耗。,不同几何尺寸的非稳腔其损耗大小亦各不相同,。 几何损耗的高低依模式的不同而异,高阶模几何损耗也比低阶横模为大。,,(2)衍射损耗,,,,由于腔的反射镜片通常具有有限大 小的孔径，因而当光在镜面上发生衍射时，必将造成一部分能量损失。衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数有关，与腔的几何参数有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。,(3)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,。,(4)材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物(如布儒斯特窗，调,Q,元件、调制器等)所引起的损耗，等等。,,1，2两种损耗常称为

7、,选择损耗,，不同模式的几何损耗与衍射损耗各不相同。3，4两种称为,非选择损耗,，通常情况下它们对各个模式大体一样。,,,平均单程损耗因子：如果初始光强为,I,0,，,在无源腔内往返一次后，光强衰减为,,I,1,，,则,单程损耗因子,‘,当损耗很小时,,,时间常数,,R,的物理意义,: 经过,,R,时间后，腔内光强衰减为初始值的1／,e,,腔内光子数将随时间依指数规律衰减，到,,R,时刻衰减为初始值1／,e。,,愈大，,,R,愈小，说明腔的损耗愈大，腔内光强衰减得愈快。,2．无源谐振腔的,Q,值,腔的损耗愈小,,Q,值愈高，表示腔的损耗或储能的情况。,3．损耗举例,(1)由镜反射

8、不完全所引起的损耗,,以,r,1,,r,2,表示腔的两个镜面的反射率，初始强度为,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,(2)腔镜倾斜时的几何损耗:设光在腔内往返,m,次后才逸出腔外,,上式表明，倾斜腔的损耗与,L，D，,,均有关。且随,L,的增大及,D,的减小而增加。以,D＝1cm,，,L＝1m,计算，为了保持,,必须有,,(3)衍射损耗,,由衍射引起的损耗随腔的类型、具体几何尺寸及振荡模式而不同，是一个很复杂的问题。这里只就均匀平面波在平面孔径上的夫琅和费衍射对腔的损耗作一粗略的估计。,N：,菲涅耳数，,N,愈大，损耗愈小。,§,2,.,2,共轴球面腔的稳

9、定性条件,,一、腔内光线往返传播的矩阵表示,,,规定：,,朝上为正、下为负,,,指向上方为正、下方为负,光线在均匀介质中传播距离,L,时有,,在球面镜上发生反射时,,界面折射（折射率分别为,,n,1,,n,2,）,,折射率,,、长为,L,的均匀介质,,薄透镜（焦距,f,）,,平面反射镜,,光线在腔内传播的情形,,,其坐标变换情况如下：,二、共轴球面腔的稳定性条件,,按稳定性条件将谐振腔如下分类：,例：对称共焦腔、平平腔、共心腔,,例：相同透镜波导（,,f1,＝,f2,）,,：,,,共轴球面腔的稳定图,利用稳定条件可将球面腔分类如下:,,双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，对应图中,l、2、3,和4

10、区,,平凹稳定腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中,AC、AD,段,凹凸稳定腔，由一个凹面镜和一个凸面镜组成，对应图中5区和6区。,共焦腔，,R,1,＝R,2,＝L，,因而，,g,1,=0，g,2,=0，,对应图中的坐标原点。,半共焦腔，由一个平面镜和一个,R=2L,的凹面镜组成的腔，对应图中,E,和,F,点。,(1),稳定腔,(2),临界腔,平行平面腔，对应图中的,A,点。只有与腔轴平行的光线才能在腔内往返。,共心腔， 满足条件,R,2,＋R,2,＝L，,对应图中第一象限的,g,1,g,2,＝1,的双曲线。,半共焦腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，对应图中,C,点和,D,点。,(3),

11、非稳腔,对应图中阴影部分的光学谐振腔都是非稳腔。,§,2,.,3,开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法,,,一、开腔模的一般物理概念,,,理想的开腔模型,：两块反射镜片,(,平面的或曲面的,),沉浸在均匀的、无限的、各向同性的介质中。这样就没有侧壁的不连续性，而决定衍射效应的孔径就由镜的边缘所构成,.,,开腔的自再现模或横模,：经过足够多次渡越以后形成的稳态场；分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够,“,再现,”,出发时的场分布。,,稳态场经一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场振幅按同祥的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。当两个镜面完全相同时,(,对称开腔,),，这种稳态场分

12、布应在腔内经单程渡越后即实现,“,再现,”,。,,自再现模一次往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗。在理想开腔中，等于前面所指出的衍射损耗。自再现横经一次往返所发生的相移称为往返相移，该相移等于,2,,的整数倍，这就是摸的,谐振条件,。,,二、孔阑传输线,,孔阑传输线,：,由一系列同轴的孔构成，这些孔径开在平行放置的无限大完全吸收屏上，相邻两个孔径间的距离等于腔长,L，,孔径大小等于镜的大小，对称开腔的所有孔径的大小和形状都应相同,。,,,三、菲涅耳,—,基尔霍夫衍射积分,,,惠更斯,—,菲涅耳原理,：从理论上分析衍射问题，是开腔模式问题的理论基础。该原理的严格数学表述是所谓菲涅耳,—,基尔

13、霍夫衍射积分，它可以从普遍的电磁场理论推导出来。该积分公式表明，,如果知道了光波场在其所达到的任意空间曲面上的振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间其它任意位置处的振幅和相位分布。,,,惠更斯,-,菲涅耳原理,,四、自再现模所应满足的积分方程式,,,上式就是模式再现概念的数学表述，,,应为一个与坐标无关的复常数,,以,v(x,y),表示开腔中自再现模，则有,,,K(x,y,x’,y’),称为积分方程的核。,,v(x,y),应为复函数，它的模描述镜面上场的振幅分布，而其辐角描述镜面上场的相位分布。,,(1,十,cos,,),／,,=2,／,L,,只要满足条件,,L,，,R,》,d,》,

14、,，,寻求开腔模的问题都可以归结为求解以上积分方程或积分方程组。,五、复常数,,的,意义,,,e,-,,:,量度每经单程渡越时自再现模的振幅衰减的大小，,,＝,0,自再现横在腔内能无损耗地传播。,,表示每经一次渡越模的相位滞后，,,愈大，相位滞后愈多。,,,,自再现横在腔内经单程渡越所经受的相对功率损失称为模的单程损耗,,自再现模在腔内经单程渡越的总相移,,定义为,,,,开腔自再现模的谐振条件,,,六、分离变量法,,,对矩形及圆形平面镜腔、共焦球面或抛物面腔和一般球形镜腔等几种常见的几何结构，可以进一步实现变量分离，将关于二元函数,V(x,y),的积分方程化成两个单元函数的积分方程

15、，从而更易于求解。,,例：对称矩形平面镜腔，镜的边长为2,a×2b,,腔长为,L,,满足关系,,,L》a,b》,,当满足条件,a,2,/L,<<(L/ a ),2,, b,2,/L,<<(L/b ),2,,，近似有,,对圆形平面镜腔，也可以进行类似的推导，并证明其模式积分方程是可分离变量的。,§,2.4,平行平面腔模的迭代解法,,,平行平面腔在激光发展史上最先被采用，第一台激光器（梅曼）红宝石激光器就是用平行平面腔做成的。目前，在中等以上功率的固体激光器和气体激光器中仍常常采用它。,平行平面腔的主要优点是光束方向性极好,(,发散角小,),、模体积较大、比较容易获得单横模振荡等,。其主要

16、缺点是调整精度要求极高，此外，与稳定腔比较，损耗也较大，因而对小增益器件不大适用。,,,平面腔模的迭代解法,:,,利用迭代公式直接进行数值计算，首先．假设在某一镜面上存在一个初始场分布，将它代入迭代式，计算在腔内经第一次渡越而在第二个镜面上生成的场、，然后再用所得到的场计算在腔内经第二次渡越而在第一个镜上生成的场。如此反复运算注意经过足够多次以后，在腔面上能否形成一种稳态场分布。如果直接数值计算得出了这种稳定的场分布，则可认为找到了腔的一个自再现模或横模。,,,例：对称条状腔镜的宽度为,2,a,，,腔长为,L,的对称条状腔,。,,,,我们可以取,,u,l,=1 ,,即认为整个镜面为等相位面且

17、镜面上各点波的振幅均为,1,,,条状腔中模的形成,,a,＝,25,,，,L,＝,100,,,N=6,．,25,,数值计算过程表明，为了形成稳态场分布，对,N,＝,6,．,25,的情形，,300,次左右的渡越是必要的。可以获得,自再现模建立时间,的概念：,对,L,＝,100,,，,2a,＝,50,．,,＝,1,m(N,＝,6,．,25),的平面腔，完成,300,次渡越所需要的时间为,,,t,＝,300,×,L/c,＝,10,—,10,s,,而对,L,＝,100cm,，,2a,＝,0,．,5cm,，,,＝,1,m,，,(N,＝,6. 25),的条状腔，模的建立时间为,,,t,＝

18、,300,×,L/c,＝,10,—,6,s,,为了形成自再现模所必需的渡越次数与波的菲涅耳数有关，,N,愈大，所需渡越次数愈多。,,,满足条件,R,l,＝,R,2,＝,L,的谐振腔称为,对称共焦腔,，这时腔的中心即为两个镜面的公共焦点。博伊德和戈登首先证明，方形镜共焦腔模式积分方程具有严格的解析函数解。当腔的菲涅耳数,N,足够大时，可将自再现模式积分方程的积分限开托至无穷大，从而获得共焦腔自再现模的近似解析解。,§,2,—,5,方形镜共焦腔的自再现模,,一、自再现模所满足的积分方程式及其精确解,,,方形孔径对称共焦腔,,,显然，寻求方形镜共焦腔自再现模的问题就等价于求解下述两个积分本征值问题,

19、,以上方程式的精确解已为博伊德和戈登所求得，在,c,为有限值时的本征函数为,,角向、径向长椭球函数均为实函数。可以计算出,c,取某些具体数值时的角向及径向长椭球函数表，研究它们在某些特殊情况下的近似表达式。,三、镜面上场的振幅和相位分布,,1．厄米—高斯近似,,在,x《a,y《a,的区域内，即在共焦反射镜面中心附近，角向长椭球函数可以表示为厄米多项式和高斯分布函数的乘积,,式中,C,m,、C,n,为常系数,,H,m,(x),为,m,阶厄米多项式其中[,m/2],表示,m/2,的整数部分。最初几阶厄米多项式，如图。,,最初几阶厄米多项式,,即为方程方形镜共焦腔模的本征函数，在,c,为有限值的情况

20、下，只要条件,c=2,,N>>1,成立，则以上函数仍是极好的近似。即使不能满足则在镜面中心附近，厄米—高斯函数仍能正确描述共焦腔模的振幅和相位分布。,当,c,,，,厄米—高斯函数,2．基模,m＝n＝0，TEM,00,为共焦腔基模的场分布函数,,基模在镜面上的分布是高斯型的，模的振幅从镜中心(,x＝y＝0),处场的振幅降落为中心处的1/,e,共焦腔基模在镜面上的,光斑尺寸或光斑半径,,共焦腔基模在镜面上的光斑大小与镜的横向几何尺寸无关，而只决定于腔长,L,或共焦腔反射镜的焦距,f＝L／2。,这是共焦腔的一个重要特征，与平行平面腔的情况是不同的。当然，这一结论只有在模的振幅分布可以用厄米·高

21、斯函数近似表述的情况下才是正确的,,光斑尺寸的数量概念,：,,共焦腔的二氧化碳激光器，,L＝1m,,,＝10．6,,m,则,,0,s=,1．84mm,,,共焦腔氦氖激光器，,L＝30cm，,,,＝0．6328,,m ，,镜面上的光斑尺寸为,,0,s,,＝0．25mm,,共焦腔的光斑半径通常很小的，比实际上使用的反射镜的横向尺寸小得多。因此，,共焦腔模的场主要集中在镜面中心附近。,,光斑尺寸的第二种定义,：在基摸强度最大值的1/2处(即半功率点处)的光斑尺寸,,0,s,’,高斯分布与光斑尺寸,,3.高阶横模,,TEM,mn,模在镜面上振幅分布的特点取决于厄米多项式与高斯分布函数的乘

22、积。厄米多项式的零点决定场的节线，厄米多项式的正负交替的变化与高斯函数随着,x,y,的增大而单调下降的特性决定着场分布的外形轮廓。由于,m,阶厄米多项式有,m,个零点(即方程,H,m,(x)＝0,有,m,个根)，因此,TEM,mn,模沿,x,方向有,m,条节线，沿,y,方向有,n,条节线。,方形镜共焦腔模的振幅分布和强度花样,高阶横模的光斑半径,4．相位分布,,镜面上场的相位分布由自再现模,V,mn,(x，y),的辐角决定。由于长椭球函数为实函数，,V,mn,(x，y),亦为实函数。这就表明，,镜面上各点场的相位相同，共焦腔反射镜本身构成场的一个等相位面，无论对基模或高阶横模，情况都是一样,。

23、共焦腔的这一性质也与平行平面腔不同。对平行平面腔来说，反射镜本身已不是严格意义下的等相位面。,,三、单程损耗,,对方形镜共焦腔，代入径向长椭球函数的具体数值．将损耗,,作为菲涅耳数的函数给于图2.5.5中。为了便于比较，图中还给出了平行平面腔衍射损耗的数值计算结果，和均匀平面波在线度为2,a,的镜面上的衍射损耗，,,从图中的曲线可以看出，均匀平面波的夫琅和费衍射损耗比平面腔自再现模的损耗大得多，而平面腔模的损耗又比共焦腔模的损耗大得多。,,理解,：在共焦腔中，除了衍射引起的光束发散作用以外，还有腔镜(凹面镜)对光束的会聚作用。对共焦腔和其它稳定球面腔而言，傍轴光线的几何偏折损耗为零，因而腔的

24、损耗具有“纯粹”衍射损耗的性质。而且，只要,N,不太小，共焦腔模就将集中在镜面中心附近，在镜边缘处振幅很小，因而衍射损耗极低。,,平面腔,的情况与此不同，所有与轴线成非零夹角的传播的光都将不可避免地出现几何损耗，而且平面腔模原则上展布在整个镜面上，在菲涅耳数相同的情况下，同一模式在镜边缘处的振幅远比共焦腔模的振幅大，所有这一切都决定了平面腔的损耗应比共焦腔高得多。,,共焦腔中各个模式的损耗与腔的具体几何尺寸无关，而单值地由菲涅耳数确定。所有模式的损耗都随着菲涅耳数的增加而迅速下降。,例：氦氖激光器采用共焦腔，胶长,L＝30cm，,放电管半径，振荡波长0.,6328,微米,,00,＝10,比具

25、有同一菲涅耳数的圆形平面镜腔基模的损耗2％要低得多,,采用共焦腔时，对通常尺寸的激光器基模的损耗往往小到可以忽略，只有当腔的菲涅耳数很小时，衍射损耗才起显著作用。在同一菲涅耳数下，不同横模的衍射损耗各不相同，损耗随着模的阶次的增高而迅速增大。这就表明，在共焦腔中可以利用衍射损耗的差别来选模。,,四、单程相移和谐振频率,,共焦腔,TEM,00,模在腔内一次渡越的总相移为,共焦腔模的谐振条件为,共焦腔的振荡频谱,,共焦腔模在频率上是高度简并的,，(2,q,十,m,十,n),相同的所有模式都具有相同的谐振频率。但频率上简并的模在损耗上并不是简并的,图,(3-6),方形镜共焦腔的振荡频谱,§,2,.6

26、,方形镜共焦腔的行波场,一、焦腔中的厄米—高斯光束,二、振幅分布和光斑尺寸,,0,s,为镜面上基模的光斑半径,腔中不同位置处的光斑大小各不相同,,0,称为高斯光束的基横腰斑半径,共焦腔基模高斯光束腰斑半径,,三、模体积,,定义：某一模式的模体积为,该模式在腔内所扩展的空间范围,。,,意义：模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子数就多，因而，也就可能获得大的输出功率；模体积小，则对振荡有贡献的激发态粒子数就少，输出功率也就小。一种模式能否振荡及能获得多大的输出功率、它与其它模式的竞争能力如何不仅取决于该模式损耗的高低，也与模体积的大小有密切的关系。,共焦腔基模的模体积,：,例如：腔长,L

27、＝1m，,放电管直径为2,a＝2cm,的共焦腔二氧化碳激光器(,,＝10．6,m,)，其激活介质的体积为,V＝314cm,3,，,而基模体积为,四、等相位面的分布,,共焦场的等相位面都是凹面向着腔的中心的球面。等相位面的曲率半径随坐标,z,0,而变化，当,z,0,=,土,f,时，共焦腔反射镜面本身与场的两个等相位面重合，当,z,0,＝0,时，即通过共焦腔中心的等相位面是与腔轴垂直的平面，距腔中心无限远处的等相位面也是平面。共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面。共焦场中等相位面的分布如图2.6.2,2.6.3所示。,,图2.6.2 共焦场等相位面,,如果在场的任意一个等相位面处放上

28、一块具有相应曲率的反射镜片，则入射在该镜片上的场将准确地沿着原入射方向返回，这样共焦场分布将不会受到扰动。,,五、远场发散角,,共焦腔的基模光束依双曲线规律从腔的中心向外扩展，远场发散角(全角)定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角,小结一下高斯光束的主要特征参量：,,§,2.7 圆形镜共焦腔,一、拉盖尔—高斯近似,,当腔的菲涅耳数,N,,时，圆形镜共焦腔的自再现模近似为拉盖尔—高斯函数,1．模的振幅和相位分布,,基模在镜面上的振幅分布是高斯型的，整个镜面上没有场的节线，在镜面中心,z=0,处、振幅最大，定义在基模振幅1,／e,处的光斑半径为,,其他各阶横模，镜面上出现节线。,TEM,mn,

29、模沿辐角(,,),方向的节线数目为,m，,沿径向(,r,方向)的节线圆数目为,n，,各节线圆沿,r,方向不是等距分布的。,图2.7.1 圆形镜共焦腔模的强度花样,图,3-3,横模光斑示意图,,2．单程相移和谐振频率,自再现横在腔内一次渡越的总相移为,圆形镜共焦腔模的谐振频率，是高度简并的,,,当,N,为有限(但不太小)时，拉盖尔—高斯近似虽然能随意地描述场分布及相移等特征，但却不能用来分析模的损耗。只有精确解才能给出共焦模的损耗与,N,及横模指标,m,和,n,的关系。,与方形镜共焦腔模的损耗比较，当菲涅耳数相同时，它的损耗比方形镜腔类似横模的损耗要大几倍。,,图2.7.2 圆形镜共焦腔模

30、的单程功率损耗,二、圆形镜共焦腔的行波场,,圆形镜共焦腔行波场特性的分析可按与方形镜同样的方法进行。两者的基模光束的振幅分布、光斑尺寸、等相位面的曲率半径及光束发散角都完全相同,§,2.8 一般稳定球面腔的模式特征,,共焦腔模式理论不仅能定量地说明共焦腔振荡模本身的特征，更重要的是．它能被推广到整个稳定球面腔系统，这一推广是谐振腔理论中的一个重大进展。,,,任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价。而任何一个稳定球面腔唯一地等价为一个共焦腔,。这里所说的“等价”，就是指它们具有相同的行波场。可以利用共焦腔模式理论的研究结果来解析地表述一般稳定球面腔模的特征,(1)任意一个共焦球面(抛物面)腔与

31、无穷多个稳定球面腔等价,,在共焦场的任意两个等相位面上放置两块具有相应曲率半径的球面反射镜，则共焦场将不会受到扰动。就作成了一个新的谐振腔，它的行彼场与原共焦腔的行彼场相同，由于任一共焦腔模有无穷多个等相位面，因而我们可以用这种方法构成无穷多个等价球面腔。并且，所有这些球面腔都是稳定腔。,(2)任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等价于一个共焦腔。,,如果一个球面满足稳定性条件，则我们必定可以找到一个而且也只能找到一个共焦腔，其行波场的两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜面相重合。,,图2.8.1 共焦腔与稳定球面腔的等价性,,稳定球面腔和它的等价共焦腔,一、镜面上的光斑尺寸,二、模体积,§,2

32、.9 高斯光束的基本性质及特征参数,一、基模高斯光束,,沿,z,轴方向传输的基模高斯光束，不管它是由何种结构的稳定腔所产生的，均可表示为如下的一般形式：,,,0,为基模高斯光束的腰斑半径，,f,称为高斯光束的共焦参数，,f,表示光斑半径增加到腰斑的 根号2 倍处的位置，焦距为,f,或曲率半径,R=2f,的对称共焦腔所产生的高斯光束的腰斑半径恰为,,0,,R(z),为与传播轴线相交于,z,点的高斯光束等相位面的曲率半径，,,(z),是与传播轴线相交于,z,点的高斯光束等相位面上的光斑半径。,,由一般稳定球面腔(,R,1,、R,2,、L),所产生的高斯光束，参数,,0,及,f,与,R,1

33、,、R,2,、L,的关系为,二、基模高斯光束在自由空间的传输规律,,(1),基模高斯光束在横截面内的场振幅分布,按高斯函数所描述的规律从中心向外平滑地降落。由振幅降落到中心值的1/,e,的点定义为光斑半径,(2),基模高斯光束的相移特性由相位因子,,描述高斯光束在点,(,x,y,z),处相对于原点(,0,0,0),kz,描述几何相移，,arctg(z/f),描述高斯光束在空间行进距离,z,时相对几何相移的附加相位超前；因子,kr,2,／2R,表示与横向坐标,(,x,y),有关的相位移动，它表明高斯光束的等相位面是以,R,为半径的球面：,,当,z＝0,时，,R(z),,,当,z＝,土,,时

34、，,R(z),,,离束腰无限远处的等相位面亦为平面，且曲率中心就在束腰处,,,当,z=,f,时，,R(z)=2f,为极小值,；,,当,o＜z＜f,时，,R(z)＞2f，,表明等相位面的曲率中心在[-,f~,一,,],区间上；,,,当,z＞f,时，,z＜R(z)＜z+f,,表明等相位面的曲率中心在[一,f，0],区间上。,(3)定义在基模高斯光束强度的1/,e,2,点的远场发散角,,高斯光束在其传输轴线附近可近似看作是一种非均匀球面波。其曲率中心随着传输过程而不断改变，但其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性，且其等相位面始终保持为球面。,三、高斯光束的特征参数,(1)用参数,,0

35、,(或,f,),及束腰位置表征高斯光束。,(2)用参数,,,(z),和,R(z),表征高斯光束。,,如果知道了某给定位置(设其坐标为,z),处的光斑半径,,,(z),及等相位面曲率半径,R(z)，,则可决定高斯光束腰斑的大小和位置,(3)高斯光束的,q（z),参数,,参数,q,描述高斯光束基本特征的两个参数,,,(z),和,R(z),统一在一个表达式中，它是表征高斯光束的又一个重要参数。,,上述三组参数都可以确定基模高斯光束的具体结构。可以根据实际灵活地选择最合适的参数来表征高斯光束。当然，这些特征参数是互相联系的。用,,,(z),和,R(z),来描述高斯光束比较直观，但用,q,参数来

36、研究高斯光束的传输规律，特别是高斯光束通过光学系统的传输将比应用其它参数更为方便。,,四、高阶高斯光束,,1．厄米—高斯光束,,在方形孔径共焦腔或方形孔径稳定球面腔中，除了存在基模高斯光束以外，还存在各高阶高斯光束．其横截面内的场分布可由高斯函数与厄米多项式的乘积来描述。,,厄米—高斯光束与基模高斯光束的区别,：厄米—高斯光束的横向场分布由高斯函数与厄米多项式的乘积决定。,,厄米—高斯光束沿,x,方向有,m,条节线，沿,y,方向有,n,条节线，沿传输轴线相对于几何相移的附加相位超前,,2．拉盖尔—高斯光束,,在柱对称稳定腔(包括圆形孔径共焦腔)中，高阶横模由缔合拉盖尔多项式与高斯分布函数的乘积

37、来描述,沿半径,r,方向有,n,个节线圆，沿幅角,,方向有,m,根节线，而拉盖尔—高斯光束的附加相移为,,§,2—10高斯光束,q,参数的变换规律,一、普通球面波的传播规,普通球面波在自由空间的传播,,当傍轴球面波通过焦距为,f,的簿透镜时其波前曲率半径满足关系式,,球面波的传播规律式可以统一地写成,,二、高斯光束,q,参数的变换规律——,ABCD,公式,,高斯球面波:非均匀的、曲率中心不断改变的球面波也具有类似于普通球面波的参量曲率半径,R,，其传播规律与普通球面波完全类似。,,高斯光束的,q,参数在自由空间〔均匀各向同性介质)中的传输规律,。,,薄透镜对高斯光束的变换,,高斯光束经过薄透

38、镜变换后仍为高斯光束,,高斯光束的,q,参数起着于普通球面波的曲率半径,R,一样的作用，又称为高斯束的复曲率半径。,三、用,q,参数分析高斯光束的传输问题,高斯光束的传输,已知：入射高斯束腰斑半径为,,0,，束腰与透镜,L,的距离为,l，,透镜的焦距为,F.,,求：通过透镜,L,后在与透镜相距,l,c,处的高斯束参数,,c,和,R,c,。,将,C,点取在像方束腰处，此时应有,可解得,当物高斯光束束腰与透镜相距足够远时：,,正是几何光学中的成象公式。同样，可求得薄透镜对高斯光束的腰斑放大率：,如果条件不满足，则与几何光学有甚大的差异。这时高斯光束的行为与通常几何光学中傍轴光线的行为不同。例如

39、，当,,,l＝F,时，,l’=F,,即当物高斯光束束腰处在透镜物方焦面上时，象高斯光束束腰亦将处在透镜象方焦面上,§,2.11 高斯光束的聚焦、匹配、准直,,,,现在讨论透镜变换的一种重要应用，即如何用适当的光学系统将高斯光束聚焦。高斯光束能聚焦成极小的光斑，其极限可以小到波长的量级，因此功率密度是极高的，可用于打孔、切割和焊接等多种加工。由于聚焦光斑小，空间分辨率高，可用来实现高密度信息存储。,聚焦,一、,F,一定时，,,0,’,随,l,变化的情况,,1．当,l＜F,时，,,0,‘2,随,l,的减小而减小，,l=0,时,0,’,达到最小值。,,不论透镜的焦距,F,为多大，它总有一定的会

40、聚作用，且像方腰斑位置在透镜前焦点以内 . 若进一步满足,F《f ,,即使用短焦距透时，像方腰斑近似位于透镜后焦面上，且透镜焦距越短，聚焦效果越好,。,,2．当,l＞F,时，,,0,‘,随,l,的增大而减小，,l,时,,实际上，由于透镜孔径的衍射作用，光斑不可能无限小，它的极限值由夫琅和费衍射决定。当物高斯光束的腰斑离透镜甚远,(,l》F),的情况下,,当物高斯光束的腰斑离透镜甚远,(,l》F),的情况下，,l,越大，,F,越小，聚焦效果越好。,3．当,l＝F,时，,,0,‘,达到极大值,,高斯光束的聚焦,,(,a)F,一定时 (,b)l＝0，l’=F,〔,c)l>>F,l’=

41、F,二、,l,一定时，,,0,‘,随,F,变化的情况,图 2.11.2,l,一定时，,,0,‘,随,F,而变化的曲线,,从图中可以看出，对一定的,l,值，只有当其焦距,F＜R/2,时，透镜才能对高斯光束起聚焦作用，且,F,越小，聚焦效果越好。,,综上所述，为使高斯光束获得良好聚焦作用，通常采用的方法是：作短焦距透镜，使高斯光束腰斑远离透镜焦点.,匹配,：当一个谐振腔产生的单模高斯光束入射到另一个光学系统，例如干涉仪、多程反射室等，由于该光学系统都有自己的本征模式，而且一般来说．与入射光束的模式是不匹配的，这样第一个腔发出的单模光束将与第二个腔中的各个不同模式相耦合，从而发生模的交叉激发作

42、用而使损耗增加，激发起系统的多模，在很多情况下这是需要避免的。,而在模式匹配的情况下，一个入射的单模高斯光束只会激发起系统一个相对应的单模。,图2.11.3 高斯模的匹配,,图中如果在适当位置上插入一个适当焦距,f,的薄透镜，使由1腔发出的光束与腔2发出的光束为物像共轭,，,则该透镜称为,二腔的模匹配透镜,。,,(1)当,,0,和,,0,‘,给定时，模匹配公式仍包含三个未知量,z,z’,和,F，,因而其中有一个量可以独立选择。,F,必须满足以下不等式。,,(2)若,,0,和,,0,‘,,，,和二腔相对位置,z+z’,给定时，数学上可确定匹配所需要的系统参数，但必须检查求出的结果在物

43、理上是否合理。,,准直,： 用光学仪器来改善光束的方向性，即要压缩光束的发散角，通常称为光束的准直问题,。,,高斯光束从束腰向前传输，在距离束腰较小范围内，它的光班大小几乎不变；在远离束腰的地方，光斑随着传输距离的增加线性地扩大。,,对于准直应用，需要一条细而直的光束，即在相当长的范围内使光斑直径保持尽可能小。然而在光斑大小与准直长度之间存在着相反的综合调整关系。就是说要保持光斑小就不得不牺牲准直长度。,一条被准直的光束，是一个特别长的高斯光束的束腰。,图2.11.4 腰斑与光束发角,,,1．单透镜准直,,结论,：要想用单透镜将高斯光束变换成平面波是不可能的。在,l=F,时，,,。’,达到

44、极大值时，,‘,将达到极小值。且,F,越大，,‘越小。,图2.11.5 单透镜准直,,,聚焦光斑的焦深：,焦深就是纵向聚焦范围（二倍的瑞利距离或共焦参数），又称准直长度。考虑到有效通光孔径,D，,可表示成：,一块通光孔径为10厘米的透镜，对可见光而言，光束的准直长度约为6公里，而光班直径保持在5厘米左右。打孔深度一般不能超过焦深。,2．望远镜准直,图2.11.6 高斯光束通过望远镜的准直,,,讨论,（1）,一个给定望远镜对高斯光束的准直倍率,M’,不仅与望远镜本身的结构参数有关，还与高斯光束的,f,及腰斑与副镜的距离,l,有关.,l=0,时，,M’＝M＝F2/F1.,,（2）望远镜对高斯

45、光束的准直倍率总是比它对普通近轴光线的几何压缩比高。,,（3）透镜只将光束近似聚焦在它的焦点附近，所以两透镜之间的距离不再严格是,f,1,+f,2,,,而是有所偏离。这应在调节时加以考虑。,,（4）实际的望远镜可做成透射式、反射式或折反式，原理都相似。,,（5）光斑等于或大于透镜的孔径时，要考虑衍射效应，最小发散角由透镜的孔径决定,§,2.12 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔,,如果一个高斯光束通过透镜后其结构不发生变化，即参数,,0,或,f,不变，则称这种变换为自再现变换。,一、利用透镜实现自再现变换,可见，当,透镜的焦距等于高斯束入射在透镜表面上的波面曲率半径的一半,时，透镜对该高斯束

46、作自再现变换。,二、球面反射镜对高斯光束的自再现变换,,在高斯束被球面镜反射的情况下，当入射在球面镜上的高斯束波前曲率半径正好等于球面镜的曲率半径时，在反射时高斯光束的参数不会发生变化，即象高斯束与初高斯束完全重合。这种情况称为反射镜与高斯束的波前相匹配。,图2.12.1 薄透镜与球面镜的等价性,,,,高斯光束的自再现变换,,三、高斯束的自再现变换与稳定球面腔,,高斯光束的等相位面近似为球面，且任意两个等相位面的曲率半径及其间距之间满足稳定性条件,。因此，如果将某高斯光束的两个等相位面用相应曲率半径的球面反射镜来代替，则将构成一个稳定腔，而且由于该高斯束放腔的两个反射镜作自再现变换，因而它将

47、成为该谐振腔中的自再现模。反之，对任意稳定腔而言，只要适当选择高斯束的束腰位置及腰斑大小，就可以使它成为该稳定腔的本征模．,,上式意义,,1）知道了参考平面上的,R,及,,值，就可以求出任意平面上的,R,及,,值，特别是，可以求出腰斑的大小及位置。,,,2）一旦给定了稳定腔的具体几何结构，其高斯模的特征就可完全确定。,,3）可以导出腔的稳定性条件。光学开腔中不存在傍轴光线的几何逸出损耗与腔内存在着高斯光束型的本征模是等价的。,§,2.13 非稳腔的几何自再现波型,,高功率激光器件设计中的主要问题是，如何获得尽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，从而既能从激活物质中高效

48、率地提取能量，又能保持高的光束质量。稳定腔不能满足这些要求，而非稳腔却是合适的。,,由于非稳腔中傍轴光线几何损耗往往很高，每一单程可达百分之几十；又由于高功率激光器件的激活物质的横向尺寸往往较大，菲涅耳数远大于1，衍射损耗往往不起重要作用。因此可用几何光学的分析方法对非稳腔进行分析,。,非稳定腔的一般特点和种类,,(一)非稳定腔的特点,,1．,大的可控模体积,，在非稳定腔中，基模在反射镜上的振幅分布是均匀的，它不仅充满反射镜，而且不可避免地要向外扩展。例如把反射镜尺寸增大一倍时，模的横向尺寸也增大一倍，即使在腔长很短时也可得到足够大的模体积，故特别适于选用高功率激光器的腔型。,,,3．,容易鉴

49、别和控制横模,。对于非稳定腔系统，在几何光学近似下，腔内只存在一组球面波型或球面,-,平面波型．故可在腔的一端获得单一球面波型或单一的平面波型(即基模)，从而可提高输出光束的定向性和亮度。,2．,可控的衍射耦合输出,一般稳定球面镜腔是用部分透射镜作为输出,耦合,镜使用的。但对不稳定腔来说，以反射镜边缘射出去的部分可作为有用损耗，即从腔中提取有用衍射,耦合,输出,4．,易于得到单端输出和准直的平行光束,：通常非稳定腔的两个反射镜都做成全反射的．只要把其中一个反射镜做得比另个大得多心满足单端输出条件，就可以实现单端输出。,非稳定腔的主要缺点,：输出光束截面呈环状，(即在近场中心处有暗斑)，在远场(

50、当用透镜在其焦平面上形成的光强分布)，暗斑将消失；光束强度分布是不均匀的，而显示出某种衍射环。,,非稳腔中存在着唯一的一对轴上共轭象点及相应的一对几何自再现波型，它就是非稳腔基模的近似描写。,,二、非稳腔的构成和分类,,1. 双凸腔,,所有的双凸腔都是非稳腔,R1<0，R2<0,g,1,>1,g,2,>1,g,1,g,2,>1,,,R1=R2，,且腔的两个反射镜片的几何形状和横向尺寸都相同，则称它为,对称双凸腔,。,,2．平—凸腔,,平—凸腔也都是非稳腔。,R1<0,R2,,,g1＞1，g2＝1，g1g2＞1,,根据平面镜成像的道理，一个平—凸腔等价于一个腔长为其二倍的对称双凸腔。,,3

51、．平—凹非稳腔,,,R1>0, R2,,,当,,R1＜L,即当凹面镜的曲率半径小于腔长时，平凹腔才是非稳腔。,,4．双凹非稳腔,,,R1+R2=L,,非对称实共焦腔,R1/2+R2/2=L,2g1g2=g1+g2,这时，两个凹面镜将在腔内有一个公共实焦点，构成一个望远镜系统,5．凹—凸非稳腔，,R1L,,虚共焦型非稳腔,，,R1/2 –2/2=L,2g1g2=g1+g2,,凹面镜的实焦点与凸面镜的虚焦点相重合，公共焦点处在腔外，构成一个虚共焦望远镜系统,图2.13.1 非稳腔的构成,,,a),双凸,b),平凸,c),平凹,d ,e),双凹,f ),非对称实共焦,g)

52、,凹凸,h),虚共焦,,三、非稳腔的共轭像点及几何自再现波型,,对非稳腔成象性质的深入分析表明，任何非稳腔的轴线上都存在一对共轭象点,p1,和,p2,，这一对象点发出的球面波满足在腔内往返一次成象的自再现条件。从点,p1,发出的球面波经谐振腔的镜面,M’,反射后将成像于点,p1，,这时反射光就好象是从点,P1,发出的球面波一样。这一球面波再经过镜,M,反射时必成像在最初的,P2,上．,§,2.14 非稳腔的几何放大率及自再现波型的能量损耗,,谐振腔理论的一个重要课题是估计振荡模能量损耗的大小。非稳腔的几何理论认为，这种损耗是由于非稳腔对几何自再现波型的固有发散作用造成的。当从共轭象点发出的自

53、再现球面波在腔内往复反射时，其波面横向尺寸将不断扩展，最后，会超出反射镜的范围，使波的一部分能量将直接通出腔外。,一、非稳腔的几何放大率,图2.14.1 双凸非稳腔对几何自再现波型的放大率,,设相当于从共扼象点,P,2,发出的腔内球面波到达镜,M,1,时，其波面恰能完全覆盖镜,M,1,，,即波面线度为,a,1,，,当此球面波独经镜,M,1,反射到达,M,2,，其波面尺寸将扩展为,a,1,’,对望远镜腔,图2.14.2 望远镜型非稳胶的几何放大率,,(,a),虚共焦腔 (,b),实共焦腔,二、非稳腔的能量损耗率,,点,p1,发出并恰能全部覆盖住镜,M1,的球面波到达镜,M2,后，其波面尺寸已超出了,M2,的范围,其中只有一部分(即在镜,M2,范围以内的那一部分)被镜,M2,截住并反射回来，超出镜,M2,范围的那一部分波面将逸出腔外，造成能量损耗。,,非稳腔的这种侧向能量逸出损耗，往往在实际上被利用来作为非稳腔的有用输出。在这种情况下，腔的两个反射镜通常都做成全反射镜，而利用从一个(或两个)反射镜边缘逸出的能量来取得所需要的耦合输出。这祥，通过调节腔的几何参数就可直接控制输出能量的份额。,图2.14.4 腔内放有带孔的倾斜耦合镜的虚共焦腔,,