现代激光应用技术概述.讲解

第三章激光谐振腔与模式3.3.1概述1.实现粒子数反转2.使原子被激发3.要实现光学正反馈激励能源工作物质全反射镜光学谐振腔—工作物质 激励能源——光学谐振腔激光输出部分反射镜人3.1概述光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一。与微波腔相比，光频腔的主要特点是：侧面敞开以抑制振荡模式，轴向尺寸远大于光波长和腔的横向尺寸。从理论上分析时，通常认为其侧面没有边界，因此，将其称为开放式光学谐振腔。本章主要针对这类开放式光腔进行讨论。光学谐振脸3.1概述■光学谐振腔理论研究的基本问题是：光频电磁场在腔内的传输规律从数学上讲是求解电磁场方程的本征函数和本征值。定边界条件下对经典电磁场理论中的波动方程严格求解。因此。常采用一些近似方法来处理光腔问题。3.1概述常用的近似研究方法包括：■在几何光学近似下，光的波动性不起主要作用，可将光看成光线用几何光学方法来处理。对于光学谐振腔来说，当光在其中往返传播时横向逸出腔外的几何损耗远大于由于腔镜的有限尺寸引起的衍射损耗。此时可用几何光学的方法来处理腔的模式问题。简便、直观，主要缺点在于不能得到腔的衍射损耗和腔模特性的深入分析。3.1概述矩阵光学使用矩阵代数的方法研究光学问题，将几何光线和激光束在光腔内的往返传播行为用一个变换矩阵来描写，从而推导出谐振腔的稳定性条件。此外，利用高斯光束的ABCD定律和模的自再现条件能够推导出用矩阵元形式表示的光腔本征方程的模参数公式，便于光腔的设计和计算。■这种方法的优点在于处理问题简明、规范，易于用计算机处3.1概述3.波动光学分析方法立一个描述光学谐振腔模式特性的本征积分方程。利用该方程原则上可以求得任意光腔的模式，从而得到场的振幅、相位分布，谐振频率以及衍射损耗等腔模特性。虽然数学上已严格证明了本征积分方程解的存在性，但只有在腔镜几何尺寸趋于无穷大的情况下，该积分方程的解析求解才是可能的。对于腔镜几何尺寸有限的情况，迄今只对对称共焦腔求出了解析解。多数情况下，需要使用近似方法求数值解。虽然衍射积分 与其他理论相比，仍可认为是一种比较普遍和严格的理论。最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。ApertureApertureOutputcoupler常用的基本概念：光轴：光学谐振腔中间与镜面垂直的轴线孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端面，但一些激光器中会另外 放置元件以限制光束为理想的形状。1、提供光学正反馈作用谐振腔的反馈作用取决于：一、组成腔的两个反射镜的反射率；二、反射镜的几何形状及其组合方式；2、产生对振荡光束的控制作用一、有效控制腔内实际振荡的模式数目，以获得单色性好、方向性强的相干光；二、控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角；三、控制激光束的输出功率；3.1.3光学谐振腔的种类腔反射镜固体激光棒腔反射镜固体激光棒腔反射镜如果固体激光材料长度远小于腔长，可视为开腔。◆腔内是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面驻波腔和行波腔两镜腔和多镜腔3.1.4典型开放式光学谐振腔前提：无源腔，即腔内无激活介质。平行平面腔：两块互相平行且垂直于激光器光轴的平面镜。激光技术发展历史上最早提出的光学谐振腔，这种装置在光学上称为法布里—珀罗干涉仪，简记为F—P腔。特点：是可以充分利用激活介质，使光束在整个激活介质体积内振荡。缺点是几何偏折损耗大，对准精度要求高。对于固体激光器，可直接在晶体端面镀膜，成为平面镜。对称共焦腔组成：两块相距为L,曲率半径分别为R,和R的凹面反射镜，且R₁=R²=L即两凹面镜，曲率半径相同且焦点在腔中心处重合。一般共焦腔：2L=R₁+R₂特点：这种结构的谐振腔在腔中心对光束有弱聚焦作用；对准灵敏度低，易于装调；衍射损耗低。介质利用率低。共心腔组成：两块相距为L,曲率半径分别为R和R,的凹面反射心在腔内重合。LLL222R₂R非对称若两反射镜曲率半径相等，则两凹面镜曲率中心在腔中心重合，为对称共心腔。特点：对准精度要求低，装调容易；衍