求候息工紅字NanjingUniversityofInformationScienceeTechnology物理學(xué)專業(yè)方向選修課激光原理與技術(shù)LaserPrincipleTechnology3.1光學(xué)諧振腔的衍射理論物理與光電工程學(xué)院顧芳引言前兩章對(duì)激光產(chǎn)生的工作原理進(jìn)行了研究,對(duì)于光的受激輻射放大過程和條件進(jìn)行了詳細(xì)的討論。激光器作為光源與普通光源的主要區(qū)別之一是有諧振腔,諧振腔倍增了激光增益介質(zhì)的受激放大作用長度,從而形成光的高亮度,提高了光源發(fā)光的方向性。實(shí)際上激光的第三個(gè)重要特點(diǎn)高度的相干性也是由諧振腔決定的。由于激光器諧振腔中分立的振蕩模式的存在,大大提高了輸岀激光的單色性,改變了輸出激光的光束結(jié)構(gòu)及其傳輸特性。本章將研究激光輸出的高斯光束傳播特性(腔外的光束強(qiáng)度與相位的大小和分布),激光器的輸出功率以及激光器輸出的線寬極限。瀲活介質(zhì)42ep(G-a1)2L>1IDAK=r.rexp(G-a)2L=1輸出光強(qiáng)穩(wěn)定條件:Gz0m本章內(nèi)容31光學(xué)諧振腔的衍射理論32對(duì)稱共焦腔內(nèi)外的的光場(chǎng)分布3.3高斯光束的傳播特性3.4穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性35激光器的輸出功率3.6激光器的線寬極限(不作要求)37激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子(不作要求)3.1光學(xué)諧振腔的衍射理論311菲涅耳基爾霍夫衍射公式3.12光學(xué)諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程自再現(xiàn)模的概念2.自再現(xiàn)模積分方程3.積分方程解的物理意義3.13激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模1.諧振條件、駐波和激光縱模2.縱模頻率間隔在開腔中存在怎樣的電磁場(chǎng)本征態(tài)(即:不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布)?如何求場(chǎng)分布?穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布的形成可看成光在兩鏡面間往返傳播的結(jié)果!求解衍射8一個(gè)鏡面上的光場(chǎng)<另一個(gè)鏡面上的光場(chǎng)積分方程3.11菲涅爾基爾霍夫衍射公式惠更斯菲涅爾原理的基本內(nèi)容概括為:1)波傳到的任意點(diǎn)都是子波的波源2)波面上各點(diǎn)均是相干子波源,各子波在空間進(jìn)行相干疊加作用:惠-菲原理提供了用干涉解釋衍射的基礎(chǔ),菲涅耳發(fā)展了惠更斯原理,從而深入認(rèn)識(shí)了衍射現(xiàn)象?；鶢柣舴虻玫搅嘶?菲原理的數(shù)學(xué)形式菲涅爾基爾霍夫衍射公式是研究光行射現(xiàn)象的基礎(chǔ),也是開腔模式問題的理論基礎(chǔ)。二、惠更斯-菲涅耳原理的數(shù)學(xué)形式設(shè)波陣面∑上任一源點(diǎn)P的光場(chǎng)復(fù)振幅為u(P),則空間任一觀察點(diǎn)P的光場(chǎng)復(fù)振幅u(P由下列積分式計(jì)算:ikrru(P)e(3-1)4兀Σp原點(diǎn)P與觀察點(diǎn)P之間的距離0原點(diǎn)P處的法線九與PP的夾角2丌k光被矢,k=為光波波長d原點(diǎn)P處的面元功能:求出光波場(chǎng)在空間任意位置處的振幅和相位分布。312光學(xué)諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程開腔模的一般物理概念1、理想開腔模型00諧振腔只靠兩端反射鏡來實(shí)現(xiàn)光束在腔內(nèi)的往返傳播。2、決定腔模形成的損耗:主要是腔鏡邊緣的衍射損耗(決定衍射效應(yīng)的孔徑由鏡的邊緣決定),箕它的損耗只使橫截面上各點(diǎn)的場(chǎng)按照相同比例衰減,各點(diǎn)的相位發(fā)生同樣大小的滯后!二、自再現(xiàn)模概念1、模:光腔中可能存在的電磁場(chǎng)空間分布狀態(tài)