开放式光腔和高斯光束.ppt

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1、开放式光腔和高斯光开放式光腔和高斯光束束现在学习的是第1页，共22页概述光腔理论的一般问题共轴球面腔的稳定性条件开腔模式和衍射理论分析方法稳定球面腔中的模结构高斯光束的基本性质及特征参数高斯光束q参数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M2非稳腔主要内容：现在学习的是第2页，共22页本章总结本章总结主要讨论了光腔模式问题。它是理解激光的相干性、方向性、单色性等一系列重要特性、进行激光器件的设计和装调的基础，也是研究和掌握激光基本技术和应用的基础。开放式光腔根据几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔和临界腔。稳定腔的几何偏折损耗很低，绝大多数中、小功率

2、器件都采用稳定腔。其模式理论是腔模理论中比较成熟的部分。由于稳定腔应用广泛，其模式理论具有最广泛、最重要的实践意义。现在学习的是第3页，共22页稳定腔模式理论是以共焦腔模的解析理论为基础的。对方形镜共焦腔，镜面上场的分布可用厄米特-高斯函数表示，对圆形镜共焦腔，镜面上场的分布可用拉盖尔-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特-高斯光束或拉盖尔-高斯光束的形式。共焦腔振荡模的一系列基本特征都可以解析地表示出来。在高斯光束传输规律的基础上，建立了一般（非共焦的）稳定球面腔与共焦腔之间的等价性，从而将共焦腔解析理论的结果推广到一般稳定球面腔，解决了应用最广的这一大类谐振腔

3、的模式问题。现在学习的是第4页，共22页采用稳定球面腔的激光器所发出的激光，以高斯光束的形式在空间传播。研究高斯光束在空间的传输规律，以及光学系统对高斯光束的变换规律，成为激光的理论和实际应用中的重要问题。讨论了最简单和最基本的情形，即高斯光束在自由空间中的传输和简单透镜（或球面反射镜）系统对高斯光束的变换，以及它的聚焦和准直问题。现在学习的是第5页，共22页一、光腔理论的一般问题一、光腔理论的一般问题光腔的作用：光腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈 构成、分类：开放式光腔和波导腔；稳定腔、非稳腔和临界腔模式的概念 模式：通常将模式：通常将光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征光学谐振腔内可

4、能存在的电磁波的本征态态称为腔的模式。称为腔的模式。腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。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了。本章内容提要现在学习的是第6页，共22页模的基本特征：（1）电磁场空间分布（2）模的谐振频率；（3）在腔内往返一次经受的相对功率损耗；（4）与该模相对应的激光束的发散角 纵模：纵模：通常将由整数通常将由整数q所表征的腔内纵向光场的分布称所表征的腔内纵向光场的分布称为腔的纵模为腔的纵模，不同的，不同的q相应于不同的纵模；达到谐振时，相应于不同的纵模；达到谐振时，腔的光学长度应为半波长的整数倍，腔的光学长度应为半波长的整数倍，腔的谐振频率是分立腔的

5、谐振频率是分立的，的，纵模间隔与纵模间隔与q无关无关光腔的损耗 损耗类型：选择性损耗（？）与非选择损耗（？）损耗类型：选择性损耗（？）与非选择损耗（？）损耗参数：平均单程损耗因子、光子在无源腔内的平均寿命、线宽、无源谐振腔的品质因数现在学习的是第7页，共22页二、共轴球面腔的稳定性条件二、共轴球面腔的稳定性条件腔内光线往返传播的矩阵表示：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。光线在自由空间行进距离L时所引起的坐标变换为TL 球面镜对傍轴光线的变换矩阵为TR共轴球面腔的稳定性条件：对于复杂开腔，稳定性条件为：对简单共轴球面腔，稳定性

6、条件为：稳区图g1=g2=0现在学习的是第8页，共22页三、稳定开腔中模式的衍射理论分析方法三、稳定开腔中模式的衍射理论分析方法开腔模的物理概念：开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模自再现模或横模。自再现模一次往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗，所发生的相移称为往返相移，该相移等于2的整数倍。自再现模应满足的积分方程：寻求开腔振荡模的问题归结为求解菲涅耳基尔霍夫衍射积分方程这样一个数学问题（积分本征值问题）通过解析解或数值解可求出积分方程的本征值通过解析解或数值解可求出积分方程的本征值(m、n)与本与本征函数征

7、函数(vm(x)、vn(y)，从；从而得到开腔自再现模的全部特征（包括场分布及传输特性）现在学习的是第9页，共22页一般地，vmn(x,y)应为复函数，它的模vmn(x,y)描述镜面上场的振幅分布，而其辐角arg vmn(x,y)描述镜面上场的相位分布。复常数mn的模量度自再现模的单程损耗（对称开腔），它的辐角量度自再现模的单程相移，从而也决定模的谐振频率。对称开腔：现在学习的是第10页，共22页四、稳定球面腔中的模结构四、稳定球面腔中的模结构方形镜共焦腔与圆形镜共焦腔的自再现模自再现模镜面上场的振幅和相位分布 共焦腔基模在镜面上的分布共焦腔基模在镜面上的分布 高阶横模（强度花样）高阶横模（强

8、度花样）相位分布单程损耗单程相移和谐振频率共焦腔行波场（共焦场）的特征振幅分布和光斑尺寸振幅分布和光斑尺寸模体积等相位面的分布远场发散角远场发散角一般稳定球面腔的模式特征现在学习的是第11页，共22页共焦腔模式理论可以推广到一般两镜稳定球面腔。基于：任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等价于某一共焦腔。“等价”指具有相同的行波场一般稳定球面腔的两个镜面与其等价共焦腔高斯光束过轴线上z1、z2两点的等相位面重合（坐标原点在共焦腔中心）。如果已知稳定球面腔镜面曲率半径R1、R2和腔长L，则这一关系可描述为可求出其等价共焦腔可求出其等价共焦腔的共焦参数的共焦参数f

9、及其和一及其和一般稳定球面镜腔的相般稳定球面镜腔的相对位置对位置现在学习的是第12页，共22页五、高斯光束的基本性质及特征参数五、高斯光束的基本性质及特征参数基模高斯光束基模高斯光束在自由空间的传输规律 基模高斯光束的光斑半径 基模高斯光束的相移特性 基模高斯光束的远场发散角 高斯光束在其传输轴线附近可近似看作是一高斯光束在其传输轴线附近可近似看作是一种种非均匀球面波非均匀球面波，其曲率中心随着传输过程，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而不断改变，但其振幅和强度在横截面内始终保持终保持高斯分布特性高斯分布特性，且其，且其等相位面始终保等相位面始终保持为球面持为球面。

10、现在学习的是第13页，共22页l基模高斯光束的特征参数 用参数0（或f）及束腰位置表征高斯光束 用参数(z)和R(z)表征高斯光束 高斯光束的高斯光束的q参数参数高阶高斯光束（厄米特高斯光束和拉盖尔高斯光束，存在于什么腔型中？）现在学习的是第14页，共22页六、高斯光束六、高斯光束q参数变换规律参数变换规律高斯光束的q参数与点光源发出光波的等相位面半径R在光学系统中的变换规律相同。当高斯光束经过一个变换矩阵为 的光学系统时，若入射及出射的q参数分别为q1和q2，则遵循以下变换规律现在学习的是第15页，共22页七、高斯光束的聚焦和准直七、高斯光束的聚焦和准直高斯光束的聚焦若出射高斯光束的腰斑半径

11、小于入射高斯光束的腰斑半径，则称之为聚焦。采用焦距为F的单透镜对高斯光束进行聚焦时，(1)若F一定，当lF时，0随l的增大而减小；当l时，00，l F；当l=F时，0达到极大值，0(F/0)。现在学习的是第16页，共22页(2)若l一定，当Ff、lF；取；取l=0，并使，并使fF。高斯光束的准直单透镜对高斯光束发散角的影响l=F时，0达到极大值，0达到极小值，0/0=f/F；用单个透镜将高斯光束转换成平面波，从原则上说是不可能的。利用倒装望远镜将高斯光束准直现在学习的是第17页，共22页八、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔八、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔利用透镜实现自再现变换利用透镜实现自

12、再现变换 当透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波面曲率半径的一半时，透镜对该高斯光束作自再现变换。球面反射镜对高斯光束的自再现变换球面反射镜对高斯光束的自再现变换 当球面镜的曲率半径与高斯光束入射在球面镜表面上的波前曲率半径相等时，球面镜对该高斯光束作自再现变换。高斯光束的自再现变换与稳定球面腔现在学习的是第18页，共22页九、九、光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子M2M2定义为实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积与基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积之比M2值可以表征实际光束偏离衍射极限的程度，称为衍射倍率因子M2因子也是表征激光束空间相干性好坏的本质参量K=1/M2称作光束传输因子

13、光束传输因子，国际上公认的一个描述光束空域传输特性的量。十、非稳腔十、非稳腔（非稳腔的构成）现在学习的是第19页，共22页第二章作业（一）书本9798页：1、2、3（指对称共焦腔）、4（求双凹、凹凸腔情况）第5题：在稳区图中，标出以下特殊腔型：对称共焦腔、半共焦腔、对称共心腔、半共心腔、平行平面腔。现在学习的是第20页，共22页附加题：第6题：书本98页5题第7题：如图所示谐振腔，给出该腔的稳定性条件。（提示：先求出光线通过镜面反射的变换矩阵，然后选定一个起始平面，求出光线在腔内往返一周的变换矩阵）R1=R2=Fd1d2现在学习的是第21页，共22页第二章作业（二）基本题：书本98100页10、15、17、23、27附加题：26、24（主镜口径改为10cm）end现在学习的是第22页，共22页