激光技术基础第三讲.pptVIP

第1页，共24页，星期日，2025年，2月5日第二章开放式光腔与高斯光束光腔理论的一般问题共焦球面腔的稳定性问题开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法平行平面腔模的迭代解法方形镜共焦腔的自再现模方形共焦腔的行波场圆形共焦腔一般稳定球面腔的模式特征高斯光束的基本性质及特征参数高斯光束q参数的变换规律高斯光束的聚焦和准直高斯光束的自再现变换与稳定球面腔光束衍射倍率因子非稳腔的几何再现波形非稳腔的几何放大率及自再现波形的能量损耗第2页，共24页，星期日，2025年，2月5日2.1光腔理论的一般问题最简单的光学谐振腔：激活物质+反射镜片平行平面腔：法布里-珀罗干涉仪（F-P腔）共轴球面腔：具有公共轴线的球面镜组成i.开腔（开放式光学谐振腔）：在理论处理时，可以认为没有侧面边界（气体激光器）根据几何逸出损耗的高低，开腔分为：稳定腔、非稳腔和临界腔一、光腔的构成与分类第3页，共24页，星期日，2025年，2月5日ii.闭腔：如某些固体激光器，具有侧面反射边界（图a）半导体激光器iii.气体波导激光谐振腔：（图c）由两个以上反射镜构成的腔：折叠腔，环形腔n2n1，n2n3第4页，共24页，星期日，2025年，2月5日开腔内插入透镜一类光学元件——复合腔分布反馈式谐振腔：(DistributedFeedback,DFB)二、模的概念－腔与模的一般概念腔的模式：光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态一切被约束在一定空间内存在的电磁场，只能存在于一系列分立的本征态之中电磁场的本征态：一定的频率、一定的空间场分布腔的具体结构腔内可能存在的模式（电磁场本征态）麦克斯韦方程组腔的边界条件第5页，共24页，星期日，2025年，2月5日模与腔的一般联系：腔的参数唯一确定模的基本特征。模的基本特征：1、每一个模的电磁场分布，包括：横截面内的场分布（横模）和纵向场分布（纵模）；2、模的谐振频率3、每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗；3、每一个模对应的激光束发散角。第6页，共24页，星期日，2025年，2月5日E0-E0E1E2E3开腔中傍轴传播模式的谐振条件，以及激光纵模频率间隔的普遍表示式(F-P腔，平面波)傍轴光线(paraxialray)：光传播方向与腔轴线夹角?非常小，此时可认为sin??tan????第7页，共24页，星期日，2025年，2月5日腔内纵模需要满足的谐振条件：相长干涉条件：腔中某一点出发的波，经往返一周回到原来位置时，应与初始出发的波同相位。??:光波在腔内往返一次的相位滞后；?0—真空中的波长；L’—腔的光学长度?为腔内介质折射率谐振波长谐振频率第8页，共24页，星期日，2025年，2月5日纵模间隔多纵模情况下，不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布在F-P腔中均匀平面波纵模场分布特点：场沿腔的轴线方向形成驻波，驻波的波节数为q，波长为?q。纵模间隔与序数q无关，在频率尺度上等距排列（频梳）；纵模间隔大小与腔长成反比。?q-1?q+1?q??q第9页，共24页，星期日，2025年，2月5日三、光腔的损耗几何偏折损耗；衍射损耗；腔镜反射不完全引入损耗；材料吸收、散射，腔内插入物所引起的损耗等。选择损耗（有选模作用）非选择损耗（无选模作用）腔内损耗的描述——平均单程损耗因子?定义：无源腔内，初始光强I0往返一次后光腔衰减为I1，则第10页，共24页，星期日，2025年，2月5日损耗因子也可以用来定义：当损耗很小时，两种定义方式是一致的对于由多种因素引起的损耗，总的损耗因子可由各损耗因子相加得到1、损耗举例：反射镜反射不完全损耗：r1r2I0I1第11页，共24页，星期日，2025年，2月5日衍射损耗（均匀平面波夫琅和费（Fraunhofer）衍射）：2aL孔阑传输线第一衍射极小值：FP腔腔的菲涅耳数，从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的非涅耳半周期带的数目（对平面波阵面而言），表征衍射损耗大小，N?，衍射损耗?第12页，共24页，星期日，2025年，2月5日2、光子在腔内的平均寿命设，初始光强I0，在腔内往返m次后，光强为Im，则在t时刻时，往返次数则t时刻光强物理意义为腔内光子平均寿命第13页，共24页，星期日，2025年，2月5日3、无源谐振腔的Q值储存在腔内的总能量（E）单位时间内损耗的能量（P）谐振腔的损耗越小，Q值越高定义：谐振腔损耗越小，腔内光子寿