§2.1 谐振腔与模式

第二章开放式光腔与高斯光束主要内容

谐振腔的分类谐振腔的稳定性讨论稳定腔的模式理论高斯光束的特性非稳腔相关的理论整理课件§2.1谐振腔与模式整理课件泵浦源激发态原子基态原子后反射镜(100%反射)激光输出杂散光子受激光子输出镜(局部反射)激光谐振腔构成原理整理课件一、谐振腔的构成与分类(a)闭腔(典型:半导体激光器)固体激光棒(b)开腔(典型:气体激光器)(c)气体波导腔(典型:He-Ne波导激光器)(开腔又可分为：稳定腔、非稳腔、临界腔)波导管整理课件特殊形状的谐振腔：折叠腔、环形腔、复合腔、分布式反响腔等等(a)折叠腔(b)环形腔(c)复合腔(d)分布式反响腔整理课件处于有限范围的电磁场分立的本征态(离散的矢量)

处于谐振腔内的电磁场(激光场)激光模式光学谐振腔理论即激光模式理论(模式根本特征及其与腔结构关系)二、腔和模的联系ΔzΔyΔx电磁场的解谐振腔电磁场的解整理课件三、光腔分析的两种理论方法几何光学+干预仪理论:模式按传输方向和谐振频率来区分

衍射理论:模式按场分布,损耗,谐振频率来区分,0级0级1级1级-1级-1级腔镜给出不同模式的精细描述,适用衍射效应明显的场合腔镜(r0,z0)(r2,z2)(r3,z3)(r1,z1)

粗略但简单明了整理课件四、模式表示方法及模式特征参数ZE1E2B1B2

TEMmnq－TransverseElectromagneticwave－横电磁波

m,n－横模阶次；q－纵模阶次模式主要特征：场分布，谐振频率，往返损耗，发散角沿光轴方向的场分布E(z)纵模场分布垂直于光传播方向(即横向)场分布E(x,y)横模整理课件TEM波：在传播方向上没有电场和磁场分量，称为横电磁波。假设激光在谐振腔中的传播方向为z方向，那么激光的电场和磁场将没有ｚ方向的分量！实际的激光模式是准TEM模，即允许Ez、Hz分量的存在，但它们必须<<横向分量，因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大，容易溢出腔外，所以损耗大，难于形成振荡。在自由空间传播的均匀平面电磁波〔空间中没有自由电荷，没有传导电流〕，电场和磁场都没有和波传播方向平行的分量，都和传播方向垂直。此时，电矢量E，磁矢量H和传播方向k两两垂直。只是在这种情况下，才可以说电磁波是横波。沿一定途径〔比方说波导〕传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程，导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。光的传播形态分类：根据传播方向上有无电场分量或磁场分量，可分为如下三类，任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。TE波(即是物光里的s波)：在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Ey,Hx,Hz，传播方向为ｚ方向。TM波(即是物光里的p波)：在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Hy,Ex,Ez，传播方向为ｚ方向。整理课件五、纵模－具有相同的纵向场分布的模式(干预仪理论)相长干预条件(稳定驻波条件)模谱Dnn

纵模间隔

LP整理课件六、横模－具有相同的横向场分布的模式(不同的光斑把戏)(1)x,y轴对称TEMmnq(2)旋转对称TEMmnq

轴对称和旋转对称分布取决于腔的几何形状基(横)模TEM00圆形谐振腔方形谐振腔整理课件(b)旋转对称TEM10TEM20TEM30TEM00TEM01TEM02(a)x、y轴对称TEM03TEM11TEM31TEM00TEM10TEM20(1)x,y

轴对称：m－X向暗区数n－Y向暗区数(2)旋转对称：m－暗直径数n－暗环数(半径方向)横模光斑把戏：整理课件七、光腔的损耗损耗分类：几何偏折损耗衍射损耗腔镜反射不完全造成的损耗材料的非激活吸收、散射、腔内插入物引起的损耗腔镜腔镜腔镜腔镜整理课件平均单程损耗因子δ——单程渡越时腔内平均光强衰减的比值多种损耗并存时：损耗百分数：小损耗情形：损耗的评价：整理课件光子在腔内的平均寿命损耗的评价：1、初始光强I0，往返m次后的光强：2、取0时刻的光强I0，那么到t时刻光子往返的次数：3、t时刻的光强：4、光子的平均寿命：无源谐振腔的Q值(品质因数)整理课件

损耗举例：L——腔长D——腔口径

——倾斜角腔镜反射不完全引起的损耗：腔镜倾斜时的几何损耗：以平行平面腔为例：

6

8

4

2

D=1cm，L=1m：假设要求<0.1，那么β≤