医学课件第二部分光学谐振腔与高斯光束.ppt
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1、第二章 光学谐振腔与高斯光束,讨论光腔模式问题开放式光腔可以分为稳定腔和非稳腔稳定腔模式理论是以共焦腔模的解析理论为基础的,推广到一般稳定球面腔采用稳定腔的激光器所发出的激光,将以高斯光束的形式在空间传播。研究高斯光束在空间的传播规律以及光学系统对高斯光束的变换规律稳定腔不适用于某些高功率激光器,非稳腔却能同时满足高输出功率和良好光束质量这两个要求,丙孔圃抱涣瑰堪之蜘太沥帅贬封阂哺诡巾辽畜泼神凳愉狙完辟正痪鹏究戌第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,2.1 概述,谐振腔的作用无源谐振腔理论依据开放式光腔开腔的分类无源谐振腔的模式光腔的损耗,渊娃懈携圃吹松粕迸祖效蒋饼刹渡作辩
2、第憎沁惋假丰跳肌空焙礼拓阮熔赚第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,Laser cavities differ in several significant ways from the closed microwave cavities that are commonly treated in electromagnetic theory textbooks.Optical resonators first of all usually have open sides,and hence always have diffraction losses because of e
3、nergy leaking out the sides of the resonator to infinity.Optical resonators are also usually described in scalar or quasi plane-wave terms,with emphasis on the diffraction effects at apertures and mirrors edged,rather than in vector terms with emphasis on matching boundary conditions.The distinction
4、 between“longitudinal”and“transverse”modes in the resonator is also much sharper in optical than in microwave resonators.,蜕妻痒苛晒却柑九饮吸而异屠栋黑忻净仪绢栏炸绚紧惨咏奉嘶岔歧韵味尝第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,一 谐振腔的作用,提供轴向光波模的反馈控制腔内振荡光束的特性(直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角等),洋喇逐葛嫡澡烩泻扬桥卉殆误钩密颁颂颖辗象焉末辙刚疥赐王壮翁咯娶轿第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振
5、腔与高斯光束,二 无源谐振腔,不考虑腔内激活介质的影响无源腔模式可以作为具有激活介质腔(有源腔)的激光模式的良好近似激活介质的作用主要是补充腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗,使之满足阈值条件;激活介质对场的空间分布和振荡频率的影响是次要的,不会使模式发生本质的变化,懦愁休截变膨矗转蔬忆脑祖眠捞毅猴常奇婆歪烈痢精存禄砾盾筑附疆贵涂第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,三 采用的理论,几何光学理论-推导腔的稳定性条件(不能得到腔的衍射损耗)衍射光学理论-深入了解模式特性,骡熄赂呕员弧待滥凄子豢怂仓藕操抡犀七剑捍苇褒钧佣愈钦影碍袄磅坦箍第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振
6、腔与高斯光束,四 开放式光腔,激光器中使用的谐振腔通常是开放式的,即侧面没有光学边界(理想化的处理方法),称为开式光学谐振腔,简称开腔。气体激光器是采用开腔的典型例子。对固体激光器,棒的直径远大于激光波长,棒的长度远小于腔长,可认为是开腔。半导体激光器是使用介质腔的典型例子。,啼庚犁庇狸邪烩唱司开滨受橙绳澳孟鱼狠析挟预氮今芽滚盖迎豁弊誉处扭第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,五 开腔的分类,根据光束几何逸出损耗的高低,分为稳定腔、非稳腔和临界腔。稳定腔:旁轴(傍轴)光线在腔内多次往返而不逸出腔外,具有较低的几何损耗非稳腔:傍轴光线在腔内经过少数几次往返就逸出腔外,具有较高
7、的几何损耗临界腔:性质介于稳定腔和非稳腔之间,只有少数特定光线能在腔内往返传播,豢贺了鹃姆服沃环强潍定辱浪潜办别墨校欠与扑攒战餐惠狸蝗哟诵俘冶豌第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,Optical resonators can usually be divided into either“geometrically stable”or“geometrically unstable”categories(where these terms refer to ray stability within the resonators,and have nothing to do w
8、ith whether or not the laser is or is not stable against laser oscillation),赂样曲埃埔暴愁埋很机笼施弗掩增勉纂迁杯狰化罕过玩沪弓窄峭晴陀辞摧第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,六 无源谐振腔的模式,模的概念纵模和谐振频率激光的横模,稽谜携艘活僻李召贤芥霞馆伊默喻亩企前挚拥写贸斌翘岿臭拽筑惋送芍陕第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,模的概念 腔与模的一般联系,通常将光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态称为腔的模式。腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。同一模式内的光子,具有完全
9、相同的状态(如频率、偏振等)。腔内电磁场的本征态由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。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。这就是腔与模的一般联系。,妨密喂事咙陪俘勋楷夷抗譬官建馋漳顺霖猩踏爪纠冶便栓儒济践掀腊兆灰第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,目的:弄清楚激光模式的基本特征及其与腔的结构之间的具体依赖关系。模的基本特征:每一个模的电磁场分布,特别是在腔的横截面内的场分布;模的谐振频率;每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗;与每一个模相对应的激光束的发散角。只要知道了腔的参数,就可以唯一地确定模的基本特征。,龟赃秦册氏褪动丰渤超汞港放宜腹另答根
10、屈街讫娱伺温甘伎袱定腔鲁疼们第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,纵模和谐振频率,利用均匀平面波模型讨论开腔中傍轴传播模式的谐振条件考察均匀平面波在腔中沿轴线方向往返传播的情形。当波在腔镜上反射时,入射波和反射波将会发生干涉,多次往复反射时就会发生多光束干涉。为了能在腔内形成稳定振荡,要求波能因干涉而得到加强。,飘儿机墨芯饼顽至汇盈采臻交涌肩箔也保蔫陕霉弯股待群捧皖超钙取膊效第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,发生相长干涉的条件是:波从某一点出发,经腔内往返一周再回到原来位置时,应与初始出发波同相(即相差是2的整数倍)。,F-P腔的谐振频率是分立的。,
11、北褒哦机里坷缘甫期奎怀怖酉猩坝辞晤烩顶端限纪作敝妨强房癸脆偿硫阵第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,腔的光学长度应为半波长的整数倍-驻波条件腔内光强沿z轴的分布不是均匀的,而是强弱相间地分布着。光强最强的明亮区,称为波腹;最弱的黑暗区,称为波节。通常将由整数q所表征的腔内纵向光场的分布称为腔的纵模,不同的q相应于不同的纵模,或相应于驻波场波腹的个数。纵模间隔与q无关,腔的纵模在频率尺度上是等间隔排列的。,妄迁昭右龙份淤诀露亨贞股翘窍肢傍蜕威岿赊搂叶底招急浅雀怔彤猛云评第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,The oscillation frequenc
12、y is determined by the requirement that phase delay per round trip be some integer,say q,of 2.The integer q corresponds to the number of maxima of the standing wave interference pattern between the two reflectors.,皇阵殿莆旧签烬姥桶柜踢痹优羊梢码组悲荒殖拴怠仗薯是森浇榆琅卒走扬第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,光腔的损耗(losses in optical r
13、esonators),An understanding of the mechanisms by which electromagnetic energy is dissipated in optical resonators and the ability to control them are of major importance in understanding and operating a variety of optical devices.For historical reasons as well as for reasons of convenience,these los
14、ses are often characterized by a number of different parameters.This book uses the concepts of loss per pass,photon lifetimes,and quality factor Q to describe losses in resonators.,祭囊归赏偏载希叁桅往眼雇载阔缮歉骗鱼茎港价剪睹蜂贯酥砚裴触绒接挟第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,损耗类型(loss mechanisms)几何偏折损耗衍射损耗(Diffraction losses)腔镜反射不完全
15、引起的损耗(loss resulting from nonperfect reflection)固有损耗(absorption and scattering in the laser medium),蛛承止姑袱囤模热蹋阜涌菱掌王砍羹菇悲景移坊跃倒茨现丙泌州狡普目住第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,几何偏折损耗光线在腔内往返传播时,从腔的侧面偏折逸出的损耗。取决于腔的类型和几何尺寸几何损耗的高低依模式的不同而异,高阶横模损耗大于低阶横模损耗是非稳腔的主要损耗,雁箱绕抡恼荷炎狼甘甫愧浩畏陕滩疤赂播屉睁龄问江氟韭吃离匡疗彰为丫第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高
16、斯光束,衍射损耗腔镜具有有限大小的孔径,光波在镜面上发生衍射时形成的损耗与腔的菲涅尔数()有关,N愈大,损耗愈小与腔的几何参数有关与横模阶次有关(the higher the transverse mode indices m,n,the greater the loss),祈重琶巳木柔猴陛贬琢此侧业染颜悼邮佑敦痢蔬报垛瀑窘姬刺珐渭徒湍弃第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,腔镜反射不完全引起的损耗:反射镜的吸收、散射和透射损耗。(Reflection loss is unavoidable,since without some transmission no power
17、output is possible.In addition,no mirror is ideal;and even mirrors are made to yield the highest possible reflectivities,some residual absorption and scattering reduce the reflectivity to somewhat less than 100 percent),都许招锰糊趟傈陌散钟龚盖闺向椰杭敞泽予曙羊协午岁现叔溃台撑漂腾犬第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,固有损耗:材料中的非激活吸收、散射、腔
18、内插入物所引起的损耗。(Transitions from some of the atomic levels,which are populated in the process of pumping,to higher lying levels constitute a loss mechanism in optical resonators when they are used as laser oscillators.Scattering from inhomogeneities and imperfections is especially serious in solid-state
19、 laser media.),驯镜兹苍鹅藏拉凄幻错斗密脚悬羌羽祸名郁坷南镶泼勾氧寒赴邑随于扫煮第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,这后两种损耗称为非选择损耗,通常情况下它们对各个模式大体一样。几何偏折损耗和衍射损耗称为选择损耗,不同模式的几何偏折损耗和衍射损耗各不相同。,源晃韶锨族歼领颤蒂滇辩涩蝉化伴淌坯狭茶聘瘩妒页刁术拢蘸寻票羚架赖第二部分光学谐振腔与高斯光束第二部分光学谐振腔与高斯光束,损耗参数(loss per pass,photon lifetimes,and quality factor Q),1平均单程损耗因子如果初始光强为I0,在无源腔内往返一周后光强衰减到
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