谐振腔结构与稳定性.ppt
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1、第2章 激光器的工作原理,回顾 产生激光的三个必要条件:1.工作物质 2.激励能源 3.光学谐振腔,前瞻 研究谐振腔的几何理论和衍射理论,2-1 光学谐振腔结构与稳定性,一.光腔的作用:,1.光学正反馈:建立和维持自激振荡。(提高间并度),决定因素:由两镜的反射率、几何形状及组合形式。,2.控制光束特性:包括纵模数目、横模、损耗、输出功 率等。,二.谐振腔结构 开放式共轴球面光学谐 振腔的构成,1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。,2.开放式:除二镜外其余部分开放,共轴:二镜共轴 球面腔:二镜都是球面反射镜(球面镜),二.谐振腔类型,1、双凹腔,4、凹凸腔,5、平凹腔,6、
2、平凸腔,3、双平腔(平行平面腔),2、双凸腔,三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:,光腔,(光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外),(伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的几何光学损耗),(几何光学损耗介乎上二者之间),共轴球面谐振腔的稳定性条件,一.谐振腔的几何参数:,1、R L参数,R1、R2:两镜面曲率半径,L:腔长,符号规则:凹面向着腔内时(凹镜)Ri0,凸面向着腔内时(凸镜)Ri0。,L-腔长(二反射镜之间的距离),L0;,2、g 参数定义:,成像公式为:,s物距s象距,f 透镜焦距,(2)据稳定条件的数学形式,稳定腔:非稳腔:或 临界腔:或 g1
3、g2=0,二.光腔的稳定条件:,(1)条件:使傍轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸 出腔外的条件,即近轴光线几何光学损耗为零,其 数学表达式为,2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类,一、常见的几类光腔的构成:,二、稳定性几何判别法,1、任一镜的两个特征点(顶点与曲率中心)之间,只包含另一镜的一个特征点时,为稳定;包含两个特征点或不含特征点时为非稳,2、两镜特征点有重合时,一对重合为非稳;两对重合为稳定,(一)稳定腔:,1.双凹稳定腔:,由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹腔。这种腔的稳定条件有两种情况。,即:0g11,同理 0g21,所以:0g1g21,其二为:R1L R2L 且 R
4、1+R2L,证明:R1L 即 g10,同理:g20,g1g20;又 LR1+R2,即 g1g21 0 g1g21,如果 R1=R2,则此双凹腔为对称双凹腔,上述的两种稳定条件可以合并成一个,即:R1=R2=RL/2,2.平凹稳定腔:,由一个凹面发射镜和一个平面发射镜组成的谐振腔称为平凹腔。其稳定条件为:RL,3.凹凸稳定腔:,由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成的共轴球面腔为凹凸腔.它的稳定条件是:R10,R2L,且 R1+R2L.,或者:R2L,可以证明:0g1 g21.(方法同上),(二).非稳腔:g1 g21 或 g1 g20,1.双凹非稳腔:,由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹非稳腔.
5、这种腔的稳定条件有两种情况.,其一为:R1L,此时,所以 g1 g20,其二为:R1+R2L可以证明:g1 g21(证明略),2.平凹非稳腔,稳定条件:R1L,R2=,证明:g2=1,g10 g1 g20,3.凹凸非稳腔,凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:,其一是:R20,0R1L可以证明:g1 g20,其二是:R20,R1+R2L可以证明:g1 g21,4.双凸非稳腔,由两个凸面反射镜组成的共轴球面腔称为双凸非稳腔.R10,R20 g1 g21,5.平凸非稳腔,由一个凸面反射镜与平面反射镜组成的共轴球面腔称为平凸腔。平凸腔都满足g1 g21。,(三)临界腔:g1 g2=0,g1 g2=1,临界
6、腔属于一种极限情况,其稳定性视不同的腔而不同.在谐振理论研究和实际应用中,临界腔具有非常重要的意义.,1.对称共焦腔腔中心是两镜公共焦 点且:R1=R2=R=L=2F F二镜焦距,g1=g2=0 g1 g2=0,可以证明,在对称共焦腔内,任意傍轴光线可往返多次而不横向逸出,而且经两次往返后即可自行闭合。这称为对称共焦腔中的简并光束。整个稳定球面腔的模式理论都可以建立在共焦腔振荡理论的基础上,因此,对称共焦腔是最重要和最具有代表性的一种稳定腔。,2.半共焦腔由共焦腔的任一个凹面反射镜与放在公共 焦点处的平面镜组成 R=2L g1=1,g2=1/2 故 g1 g2=1/21(稳定腔),3.平行平面
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- 谐振腔 结构 稳定性
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