3[1].1光学谐振腔的衍射理论(新)

第3章激光器的输出特性回顾——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——从研究谐振腔的衍射理论开始,研究激光输出的高斯光束传播特性,激光器的输出功率,以及激光器输出的线宽极限.••在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征态之中，场的每种本征态将具有一定的振荡频率和空间分布。••光学谐振腔的模式:谐振腔内可能存在的电磁场本征态。••模式与腔的结构之间具有依赖关系•光学谐振腔的模式分为：纵模和横模在开腔中存在怎样的电磁场本征态（即：不随时间变化的稳态场分布）?如何求场分布?稳态场分布的形成:可看成光在两镜面间往返传播的结果!方法一个镜面上的场另一个镜面上的场求解衍射积分方程!3.1.1惠更斯-基尔霍夫衍射公式一.惠更斯-菲涅尔提出子波及子波干涉的概念1)波传到的任意点都是子波的波源2)各子波在空间各点进行相干叠加概括为：波面上各点均是相干子波源惠－菲原理提供了用干涉解释衍射的基础菲涅耳发展了惠更斯原理从而深入认识了衍射现象它是研究光衍射现象的基础，也是开腔模式问题的理论基础二.惠更斯－菲涅耳原理图3-1惠更斯-菲涅耳原理设波阵面上任一源点的光场复振幅为，则空间任一观察点P的光场复振幅由下列积分式计算：'P)'('Pu)(Pu')cos1()('4)(dsePuikPuik'PP'PnPP''P——原点与观察点之间的距离——原点处的法线与的夹角k——光波矢，为光波波长ds’——原点处的面元2k功能：如果知道了光波场在其所达到的任意空间曲面上的振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间其他任意位置处的振幅和相位分布。3.1.2光学谐振腔的自再现模积分方程一、开腔模的一般物理概念1、理想开腔模型两块反射镜面放在无限大的均匀的各向同性介质中。2、决定腔模形成的损耗：主要是腔镜边缘的衍射损耗，其他的损耗只使横截面上各点的场按照相同比例衰减！可忽略腔侧壁的不连续性，决定衍射效应的孔径由镜的边缘决定！二、自再现模概念1.模:光腔中可能存在的电磁场空间分布状态散角每一个模的激光束的发的相对功率损耗模在腔内往返一次经受纵模）模的简谐频率）面内的场的分布，横模模的电磁场理论（横截模的基本特征(2、稳态场的形成——模的“自再现”镜1上的场分布，到达镜2时，由于衍射，要经历一次能量的损耗和场分布的变化，中间能量损失小，镜边缘损失大，每单程渡越一次，都会发生类似的能量损耗和场分布变化，多次往返后，从而逐渐形成中间强、边缘弱的基本不受衍射影响的稳态场分布，该稳态场分布一个往返后可“自再现”出发时的场分布，唯一变化是镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点相位发生同样大小的滞后。(1)自再现模：往返一次能再现自身的稳态场分布。(2)（在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布）(2)往返损耗：自再现模往返一次的损耗。(3)往返相移：自再现模往返一次的相位变化，等于2π的整数倍。三、自再现物理过程的形象化描述和定性解释——孔阑传输横向场振幅分布和相位分布都均匀的平面波入射，经过多次孔阑的衍射影响后，二者都变得不再均匀，成为相对场振幅和相对相位分布都不受衍射影响的稳态场分布。三、自再现物理过程的形象化描述和定性解释——孔阑传输1、只有不受衍射影响的场分布才能形成稳定的场分布，成为自再现模。四、几点理解2、衍射起“筛子”作用，将腔中允许存在的自再现模从各种自发辐射模中筛选出来。3、自再现模是多次衍射的结果，与初始波形无关，但不同的初始波形最终形成的场分布不同，而自发辐射可提供不同的初始波形,因此决定了自再现模的多样性。4、每经过一次衍射，光束横截面上各点的相位关联度变增加一次，则由于经过足够多次衍射的作用后，光束横截面上各点的相位关联越来越紧密，从而使光的空间相干性变强。条状腔经过1次和300次传播后镜面上的振幅的分布和相位分布五.自再现模积分方程图3-2镜面上场分布的计算示意图图(3-2)所示为一个圆形镜的平行平面腔，镜面和上分别建立了坐标轴两两相互平行的坐标和。利用上式由镜面上的光场分布可以计算出镜上的场分布函数，即任意一个观察点的光场强度。M'Myx''yx'M假设为经过q次渡越后在某一镜面上所形成的场分布，表示光波经过q+1次渡越后，到达另一镜面所形成的光场分布，则与之间应满足如下的迭代关系：)','(yxuq1ququ),(1yxuq')cos1()','(4),('1dseyxuikyxuMikqq(3-2)考虑对称开腔的情况，按照自再现模的概念，除了一个表示振幅衰减和相位移动的常数因子以外，应能够将再现出来，两者之间应有关系：1ququqquu1(3-3)σ——与坐标(x,y)及(x’,y’)无关的复常数综合上两式可得：')cos1()','(4),('dseyxuikyxuikMqq去掉q，得自再现模积分方程L——腔长R——反射镜曲率半径a——反射镜的线度①∵θ很小∴cosθ=1，1+cosθ=2②ρ≈L（不同的腔面做不同的近似）将以上近似代入(3-5)，得到自再现模所满足的积分方程（不受衍射影响的稳态场分布函数）因为所以作两点近似处理：aRL,(3-4)')cos1()','(4),('dseyxuikyxuikM(3-5)和的下标表示该方程存在一系列的不连续的本征函数解与本征值解，这说明在某一给定开腔中，可以存在许多不同的自再现模。mnumn')','()',',,(),(dsyxuyxyxKyxuqmnmn(3-6))',',,()',',,(2)',',,(yxyxikyxyxikeLieLikyxyxK称为积分方程的核。其中(3-7)（3-6）的解包括两个方面:①本征函数是复函数,其模代表镜面上光场振幅分布,幅角代表镜面上光场的相位分布;②本征值σ也是个复数,其模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的功率损耗.幅角代表单程渡越后模的相位滞后。),(yxu六.积分方程解的物理意义(1)本征函数和激光横模mnu本征函数的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分布，幅角则代表镜面上光场的相位分布。它表示的是在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模，通常叫做“横模”，m、n称为横模序数。图3-3为各种横模光斑。mnu图3-3横模光斑示意图(3)本征值和单程衍射损耗、单程相移mn本征值的模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的功率损耗。mn(2).(横模)标记:m,n——横模序数TEMmn(4)本征值和单程衍射损耗、单程相移mn损耗包括衍射损耗和几何损耗，但主要是衍射损耗，称为单程衍射损耗，用表示。定义为2122121mnmnqqqqquuuuu本征值幅角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关。qqqquuuuargargarg11自再现模在对称开腔中单程渡越所产生的总相移定义为argargarg1qquu自再现模在对称开腔中的单程总相移一般并不等于由腔长L所决定的几何相移，它们的关系为mnmnkLkLargarg附加相移问题Ne原子的0.6328m谱线的频率宽度为1.3109Hz)(0I)(0I2)(0I0Hzcv1468105106328.01036149103105103.1Δ而为什么He—Ne激光器输出激光的会小到10-15呢？Δ3.1.3光学谐振腔谐振频率和激光纵模一.谐振条件和驻波条件在腔内要形成稳定的振荡，要求光波要因干涉而得到加强。相长干涉条件（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）(1)光波在腔内往返一周的总相移应等于2的整数倍，即只有某些特定频率的光才能满足谐振条件1,2,3,22qq(2).腔内产生驻波的条件*(光学腔长等于半波长的整数倍)20'qqLLqqcv0——谐振频率其它波长（频率）都被相消干涉所淘汰，只有（）才能产生振荡，可通过改变L来选择（）故称为选频。0q0qqv0qv0从能量重新分布的角度来考虑，的能量被加强了，其他频率的被减弱了。qv0二、纵模(纵向的稳定场分布)（1）激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布整数q称为纵模的序数(2).纵模序数：整数q称为纵模的序数（驻波系统在腔的轴线上零场强度的数目）每个q值对应一个驻波LqcLcLqcνcνkqkLmnmnq222222Lqcνmnq2(3-16)谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍）L2Cqqq阶纵模频率可以表达为：基纵模的频率可以表达为：L2C1Lqcνmnq2(3-16)三.纵模频率间隔(1)腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔mnmnqLcLqcν22Lcνννqqq21（1）频率梳——纵模等距排列*(在频率空间)(2).数值例(1).气体激光器n=1,L=10cm,△vq=1.5×109HzL=100cm,△vq=150×106Hz(2).红宝石激光器n=1.76,L=10cm,△vq=850×106Hz(3).氦氖激光器(λ=0.6328μm),L=100cmq≈3.16×106q通常是一个很大的数字,一般具有104～106的数量级四.选纵模1.确定可起振纵模数目q的因素∵*(只有)满足的纵模才能起振001212FqFq(1)荧光线宽*(自发发射线宽):大则q大F图(3-4)腔中允许的纵模数(2)腔长:L越大则q越大∵*(,L大则小,内可容更多个纵模)qL1qF例：L=30cm，△vq=5×108Hz，其中只有三个频率在原子0.6328μm线宽范围内,所以激光器输出三个频率,称三纵模.(多纵模激光器)F例:L=10cm的He—Ne激光器中满足（3-16）的频率很多，但形成激光的只有其中之一,称为单模2.数值例:(1)CO2激光器:λ=10.6μm△vF≈108s-1L=1m△vq=1.5×108s-1激光器输出单模(2)氩离子激光器:λ=0.5145μm△vF≈6×108s-1L=1m△vq=1.5×108s-1激光器多模输出NoImage形成激光振荡的条件：1.满足谐振条件2.满足阈值条件3.落在工作物质原子荧光线宽范围内的频率成分L2Cqq五.工作物质饱和效应的影响1.均匀增宽工作物质(a)腔中的频率梳(b)均匀展宽谱线v0附近达到振荡阈值(c)随着振荡加强,发生增益饱和现象,整个增益曲线下降(d)单纵模形式运转2.非均匀增宽介质(a)腔中的频率梳(b)非均匀展宽谱线(c)满足及阈值条件的纵模在增益曲线上“烧孔”(d)频率振荡qqcnL2例:有一个谐振腔，腔长L=1m，求在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数。解：谐振腔相邻两个本征纵模之间的频率间隔为LCvq2设折射率μ=1，则HzLCvq88105.1121032在范围内所包含的纵模个数：qv10105.110150086qFvvm谐振腔可能包含的纵模个数为11