腔镜倾斜对其本征模式影响的研究,光学论文.docx

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1、腔镜倾斜对其本征模式影响的研究,光学论文谐振腔是激光器系统的一个最基本的元件，决定了光束的质量。激光器产生的光束的聚焦特性和传输特性与激光谐振腔的光场形式密切相关。因而，激光谐振腔光场形式的计算对激光器的设计有着重要的意义，而腔镜倾斜与面型误差是直接影响激光谐振腔系统性能的两个重要因素，文献计算了腔镜变形对平凹稳腔激光振荡形式的影响，张增宝等人研究了腔镜失调与面型误差对氧碘化学激光器折叠虚共焦非稳腔光场的影响。近年，高斯反射镜及其倾斜对谐振腔的影响也被广泛研究。但上述工作主要是针对驻波腔激光器进行的研究。环形激光器主要应用在高精度的角度测量中，高精度的应用决定了其对光束质量的高要求。袁杰等人利

2、用光学矩阵的方式方法研究了角度和轴向移动扰动引起的环形腔光线的位置和角度误差，但该方式方法利用的是几何光学理论，无法计算与物理光学有关的参量。因而，为提高光束质量和改良调腔方式方法，本文利用物理光学软件研究腔镜倾斜对平面环形腔振荡形式的影响。 迭代法 谐振腔的分析计算方式方法主要有传输线理论分析法、场理论分析法、迭代法、微扰法、时域有限差分法以及有限元法等。迭代法固然比拟繁琐，但却具有普遍的适用性，它能够用来模拟激光在谐振腔中的渡越经过，原则上能够计算任何几何形状的开腔中的自再现模。软件的建模思想就是应用迭代法。它使用复数的振幅来描绘叙述波前，并对光束的整个传输途径做衍射模型，能够处理光学系统

3、设计中无法忽略的衍射效应。 将菲涅耳基尔霍夫衍射积分公式应用于平面环形谐振腔，表示出式为 式中： ，为镜上的场分布；，为，经腔内一次渡越在镜上生成的场； 为镜面上点 ，到点 ，的距离； 为 与点 ，法线的夹角；为波数。 建立如此图所示坐标系，在第次循环中，镜片的光场为，由式可得镜片的光场，、镜片的光场，及镜片的光场，分别为 第次循环中，镜片的光场，为 用式进行屡次循环，当知足 时，光波在腔内实现自再现，分别为自再现模在镜，处的光场分布。以上各式中 为镜上点 ，到镜上点 ，的距离， 为 与镜上点 ，处法线的夹角， 为镜上点 ，到镜上点 ，的距离， 为 与镜上点 ，处法线的夹角， 为镜上点 ，到镜

4、上点 ，的距离， 为 与镜上点 ，处法线的夹角， 为镜上点 ，到镜上点 ，的距离， 为 与镜上点 ，处法线的夹角， 为复常数。 结果与分析 设置谐振腔参数：和为平面镜，和为球面镜，曲率半径为。各镜面半径均为，各边腔长，小孔光阑半径，波长。用软件对上述谐振腔进行建模，初始光场设置为平面波。对于顺时针光，理想情况下小孔光阑左外表的光强分布如此图所示。 软件是将偏差通过命令直接加在光束波振面上，所下面文所给偏差均指镜面偏差对光束波振面的影响偏差大小。一般来讲，镜面各点偏差是光束波振面对应点偏差的倍。 本文只考虑镜面偏差的影响，同时只考虑顺时针光束。对于逆时针光，在偏差不大的情况下，镜面偏差对其影响与

5、对顺时针光束影响基本一样。镜面倾斜分为绕轴倾斜和绕轴倾斜，正方向符合右手定则，倾斜大小由镜面偏离理想位置的角度大小定义。 图给出镜绕轴倾斜时，小孔光阑左外表的光场强度分布。倾斜为情况下的光场强度分布与倾斜为情况下的光场强度分布关于平面对称。与图比照能够看出镜绕轴倾斜时，光强峰值点在轴方向上向镜面边沿偏移，光场偏离理想高斯基模。图和图分别定量给出光强峰值点和谐振腔损耗随倾斜的变化。从图和图中能够看出随着镜绕轴倾斜增加，光强峰值点在轴方向上向镜面边沿偏移增加，腔损耗增大。 图给出镜绕轴倾斜时，小孔光阑左外表的光场强度分布。倾斜为情况下的光场强度分布与倾斜为情况下的光场强度分布关于平面对称。光强峰值

6、点和谐振腔损耗随倾斜大小的变化分别如此图和图所示。从图中能够看出随着镜绕轴倾斜增加，光强峰值点在轴方向上向镜面边沿偏移增加，腔损耗增大。 比照两组倾斜偏差仿真结果可知，在一样倾斜偏差下，镜绕轴倾斜偏差对光场的影响要比绕轴倾斜偏差对光场的影响大。由于在环形激光器中一圈的增益系数小于，因而倾斜大小要控制在之内，即镜面倾斜要在 以内。 结论 本文用软件对平面环形腔进行建模，仿真计算了镜面倾斜条件下的光场分布、光场峰值点偏移及谐振腔损耗。结果表示清楚：在一样倾斜偏差下，镜绕轴倾斜偏差对光场的影响要比绕轴倾斜偏差对光场的影响大；随着镜面倾斜的增加，光场峰值点向镜面边沿偏移增加，光束质量变差，腔损耗增大；

7、为了获得较理想的基模高斯光场，镜面倾斜要控制在 以内。 以下为参考文献： 库耕，程祖海，朱松林，等腔镜变形对平凹稳腔激光振荡形式影响的数值研究强激光与粒子束，： ， ， ， ，： 张增宝，金玉奇，桑凤亭，等腔镜失调与面型误差对光束质量影响的研究强激光与粒子束，： ， ， ， ，： 彭玉峰，李阔湖，陈靖，等高斯反射镜及其倾斜对平凹腔激光场分布的影响强激光与粒子束，： ， ， ， ，： 范泛，杨克成，张波，等高斯镜平凸非稳腔本征模场的有限元数值计算激光技术，： ， ， ， ，： ， ， ，： ， ， ， ，： 于得利，桑凤亭，金玉奇，等氧碘化学激光输出光斑漂移和变形研究强激光与粒子束，： ， ， ，： 许杰田，张猛，李杰，等基于矢量有限元法的微波谐振腔高频特性研究电子技术，： ， ， ， ， 李源，战可涛激光谐振腔光场及远场分布的数值模拟系统北京化工大学学报：自然科学版， ， ： ，： 周炳琨，高以智，陈倜嵘，等激光原理版北京：国防工业出版社，： ， ， ， ： ，： 汪之国，龙兴武，王飞，等激光陀螺本征模偏振态与磁敏感特性的理论研究物理学报，： ， ， ，：