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,
2、4、凹凸腔,5、平凹腔,6、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),2.1.1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
3、)据稳定条件的数学形式, 稳定腔: 非稳腔: 或 临界腔: 或 g1 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:
4、0g11 ,同理 0g21,所以:0g1g21,其二为: R1L R2L 且 R1+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)
5、,(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.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 g
6、1 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
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- 谐振腔 结构 稳定性
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