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光学谐振腔--3.1 共焦腔中的光束特性

文章出处:辉腾激光 人气:-发表时间:2018-02-23 14:56
现在介绍的内容是:光学谐振腔----共焦腔中光束特性

什么是光学谐振腔?

光学谐振腔的理论自1960年以来发展比较快,各种类型光学谐振腔有效地应用于激光器中,提高了光束的光学质量。本章内容根据光学谐振腔的设计原理及对谐振腔的质量评价要求,主要介绍谐振腔对波形限制能力的大小和各种类型腔的设计参数等。

   在第一章中我们介绍了稳定腔的条件,在此基础上,从激光工程技术应用角度考虑,对三种腔的特点归纳为:

1、稳定腔。这类腔的几何偏折损耗的很低,调整精度要求较低,其模式理论具有最广泛、最重要的实践意义。绝大多数中小功率激光器件都采用稳定腔。但稳定腔的波型限制能力比较弱,输出光束发射角较大。

2、介稳腔。这类腔的波型限制能力比较强,光束方向性极好,即光束发散角小,模体积又比较大,比较容易获得单横模振荡的。但腔调整精度要求高,几何偏折损耗较大,因而对小增益激光器件不太适用。

3、非稳腔。这类腔的波型限制能力也比较强,输出光束发散角小和有良好光束质量。但单程损耗很高,可达百分之几十,因此主要适用于高增益大口径激光器的系统。

什么是“共焦腔中的光束特性”

稳定光学谐振腔的激光器所发出的光,将以高斯光束的形式自爱空间传输。本节以共焦腔为例介绍高斯光束在空间传输规律,以及光学系统对高斯光束的变化规律。

     共焦腔中产生的光束有特殊的结构,它不同于点光源所发出的球面波和平行光束的平面波,是一种特殊的高斯光束。它在共焦腔中心处是强度为高斯分布的平面波,在其他地方是强度为高斯分布的球面波。

一、均匀平面光波

由欧拉公式得知,波动的式复数表示法及余弦表示法是一样的。这种光束的特点是,振幅Ao与x,y无关,即垂直于光束传播方向的z轴平面上光强时均匀的;等相面是垂直于轴的平面,该面上各点的振幅相等,相位相同。

二、均匀球面光波

特点:一、波阵面是以点光源(0,0,0)为球心球面,球面上的各点的相位相同,等相面同是一个球面; 二、在每个球面上的各点,振幅都是Ao/R,即同一球面上各点的光场振幅相等。

三、高斯光束

利用波动光学理论分析焦腔,得到一种特殊形态的光波,在广场分布规律呈高斯曲线形式,在波阵面上振幅的分布是不均匀的。称这种在谐振腔中形成的特殊形态的激光束为高光束或高斯球面波。

    高斯光束在共焦腔中的中心处(坐标系原点)是强度为高斯分布的平面波,在其他处为高斯分布的球面波。

在空间传播的高斯光束使一种高斯球面波,波阵面的曲率半径为R(z),光斑半径为W(z),光束横截面上的光斑尺寸W(z)也随z变化,呈特定的函数关系。

四、等价共焦腔

共焦腔场的任意两个等相位面放置两块具有相应曲率半径的反射镜M1和M2,则这两个球面镜在共焦场分布将不会受到扰动,这样就构成了一个新的谐振腔,它的振荡模与原共焦腔的振膜相同。例子:b和b*构成对称共焦面腔,a*,b*,c*及k各代表与等相位面一致镜面,在这其中,c和c*也可组成对称的球面镜腔,c和a*组成不对称的球面镜腔,k和c*组成平--凹面镜腔等。但它们均对应于同一高斯光束,称b和b*及c和a*的等价共焦腔。这些例子说明,组成新的谐振腔的行波场与原共焦腔的行波场相同,它们是等价的。但这些做成新的谐振腔都是稳定的,器谐振腔的结构参数R1、R2、L必须满足稳定条件0<(1-L除以R1)(1- L除以R2)<1  这表示,如果一个球面腔满足稳定条件,则必定可以找到而且只能找到一个焦腔,其腔所对应的行波场的两个等相位面与给定球的两个反射镜面重合。


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