1、第二章 開(kāi)放式光腔與高斯光束,主要內(nèi)容 諧振腔的分類 諧振腔的穩(wěn)定性討論 穩(wěn)定腔的模式理論 高斯光束的特性 非穩(wěn)腔相關(guān)的理論,1,2.1 諧振腔與模式,2,泵浦源,激發(fā)態(tài)原子,基態(tài)原子,后反射鏡(100%反射),激光輸出,雜散光子,受激光子,輸出鏡(部分反射),激光諧振腔構(gòu)成原理,3,一、諧振腔的構(gòu)成與分類,(a) 閉腔 (典型:半導(dǎo)體激光器),固體激光棒,(b) 開(kāi)腔 (典型:氣體激光器),(c) 氣體波導(dǎo)腔 (典型:He-Ne波導(dǎo)激光器),(開(kāi)腔又可分為：穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔、臨界腔),波導(dǎo)管,4,特殊形狀的諧振腔： 折疊腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔、分布式反饋腔等等,(a) 折疊腔,(b) 環(huán)形腔,(c

2、) 復(fù)合腔,(d) 分布式反饋腔,5,處于有限范圍的電磁場(chǎng),分立的本征態(tài)(離散的矢量),處于諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)(激光場(chǎng)),激光模式,光學(xué)諧振腔理論即激光模式理論 (模式基本特征及其與腔結(jié)構(gòu)關(guān)系),二、腔和模的聯(lián)系,6,三、光腔分析的兩種理論方法,幾何光學(xué)+干涉儀理論:模式按傳輸方向和諧振頻率來(lái)區(qū)分,衍射理論: 模式按場(chǎng)分布,損耗,諧振頻率來(lái)區(qū)分,給出不同模式的精細(xì)描述, 適用衍射效應(yīng)明顯的場(chǎng)合,粗略但簡(jiǎn)單明了,7,四、模式表示方法及模式特征參數(shù),E1,E2,B1,B2,TEMmnqTransverse Electromagnetic wave 橫電磁波 m, n 橫模階次 ； q 縱模階次,模式

3、主要特征：場(chǎng)分布，諧振頻率，往返損耗，發(fā)散角,沿光軸方向的場(chǎng)分布 E(z) 縱模,場(chǎng)分布,垂直于光傳播方向(即橫向)場(chǎng)分布E(x,y) 橫模,8,TEM波：在傳播方向上沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，稱為橫電磁波。若激光在諧振腔中的傳播方向?yàn)閦方向，那么激光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)將沒(méi)有方向的分量！實(shí)際的激光模式是準(zhǔn)TEM模，即允許Ez、Hz分量的存在，但它們必須橫向分量，因?yàn)檩^大的Ez意味著波矢方向偏離光軸較大，容易溢出腔外，所以損耗大，難于形成振蕩。,在自由空間傳播的均勻平面電磁波（空間中沒(méi)有自由電荷，沒(méi)有傳導(dǎo)電流），電場(chǎng)和磁場(chǎng)都沒(méi)有和波傳播方向平行的分量，都和傳播方向垂直。此時(shí)，電矢量E，磁矢量H和傳播方向k兩

4、兩垂直。只是在這種情況下，才可以說(shuō)電磁波是橫波。沿一定途徑（比如說(shuō)波導(dǎo)）傳播的電磁波為導(dǎo)行電磁波。根據(jù)麥克斯韋方程，導(dǎo)行電磁波在傳播方向上一般是有E和H分量的。光的傳播形態(tài)分類：根據(jù)傳播方向上有無(wú)電場(chǎng)分量或磁場(chǎng)分量，可分為如下三類，任何光都可以這三種波的合成形式表示出來(lái)。,TE波(即是物光里的s波)：在傳播方向上有磁場(chǎng)分量但無(wú)電場(chǎng)分量，稱為橫電波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中，電磁場(chǎng)分量有Ey, Hx, Hz，傳播方向?yàn)榉较颉?TM波(即是物光里的p波)：在傳播方向上有電場(chǎng)分量而無(wú)磁場(chǎng)分量，稱為橫磁波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中，電磁場(chǎng)分量有Hy, Ex, Ez，傳播方向?yàn)榉较颉?9,五、縱

5、模具有相同的縱向場(chǎng)分布的模式(干涉儀理論),相長(zhǎng)干涉條件(穩(wěn)定駐波條件),縱模間隔,10,六、橫模具有相同的橫向場(chǎng)分布的模式(不同的光斑花樣),(1) x, y 軸對(duì)稱 TEMmnq (2) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 TEMmnq 軸對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布取決于腔的幾何形狀 基(橫)模 TEM00,11,(1) x, y 軸對(duì)稱 ：mX向暗區(qū)數(shù) nY向暗區(qū)數(shù) (2) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 ：m暗直徑數(shù) n暗環(huán)數(shù)(半徑方向),橫模光斑花樣：,12,七、光腔的損耗,損耗分類：,幾何偏折損耗,衍射損耗,腔鏡反射不完全造成的損耗,材料的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物引起的損耗,13,平均單程損耗因子 單程渡越時(shí)腔內(nèi)平均光強(qiáng)衰減的比值,多種損耗并存時(shí)：,損耗百分?jǐn)?shù)：,小損耗情形：,損耗的評(píng)價(jià)：,14,光子在腔內(nèi)的平均壽命,損耗的評(píng)價(jià)：,1、初始光強(qiáng) I0，往返m 次后的光強(qiáng)：,2、取0 時(shí)刻的光強(qiáng) I0，則到 t 時(shí)刻光子往返的次數(shù)：,3、 t 時(shí)刻的光強(qiáng)：,4、光子的平均壽命：,無(wú)源諧振腔的Q 值(品質(zhì)因數(shù)),15,損耗舉例：,L腔長(zhǎng) D腔口徑 傾斜角,腔鏡反射不完全引起的損耗：,腔鏡傾斜時(shí)的幾何損耗：,以平行平面腔為例：,D=1cm，