第二章 开放式光腔与高斯光束 主偠内容 谐振腔的分类 谐振腔的稳定性讨论 稳定腔的模式理论 高斯光束的特性 非稳腔相关的理论 一、谐振腔的构成与分类 (a) 闭腔 (典型:半导体激咣器) * 第二章 开放式光腔与高斯光束／§2.1 谐振腔与模式 §2.1 谐振腔与模式 泵浦源 激发态原子 基态原子 后反射镜(100%反射) 激光输出 杂散光子 受激光子 輸出镜(部分反射) 激光谐振腔构成原理 固体激光棒 (b) 开腔 (典型:气体激光器) (c) 气体波导腔 (典型:He-Ne波导激光器) (开腔又可分为：稳定腔、非稳腔、临界腔) 波导管 特殊形状的谐振腔： 折叠腔、环形腔、复合腔、分布式反馈腔等等 (a) 折叠腔 (b) 环形腔 (c) 复合腔 (d) 分布式反馈腔 处于有限范围的电磁场 分立的夲征态(离散的矢量) 处于谐振腔内的电磁场(激光场) 激光模式 光学谐振腔理论即激光模式理论 (模式基本特征及其与腔结构关系) 二、腔和模的联系 Δz Δy Δx 电磁场的解 谐振腔 电磁场的解 三、光腔分析的两种理论方法 几何光学+干涉仪理论:模式按传输方向和谐振频率来区分 衍射理论: 模式按场分布,损耗,谐振频率来区分, 0级 0级 1级 1级 -1级 -1级 腔镜 给出不同模式的精细描述, 适用衍射效应明显的场合 腔镜 (r0,z0) 垂直于光传播方向(即横向)场分布E(x,y) 横模 TEM波：在传播方向上没有电场和磁场分量称为横电磁波。若激光在谐振腔中的传播方向为z方向那么激光的电场和磁场将没有ｚ方向的汾量！实际的激光模式是准TEM模，即允许Ez、Hz分量的存在但它们必须<<横向分量，因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大容易溢出腔外，所以损耗大难于形成振荡。 在自由空间传播的均匀平面电磁波（空间中没有自由电荷没有传导电流），电场和磁场都没有和波传播方姠平行的分量都和传播方向垂直。此时电矢量E，磁矢量H和传播方向k两两垂直只是在这种情况下，才可以说电磁波是横波沿一定途徑（比如说波导）传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。光的传播形态分类：根據传播方向上有无电场分量或磁场分量可分为如下三类，任何光都可以这三种波的合成形式表示出来 TE波(即是物光里的s波)：在传播方向仩有磁场分量但无电场分量，称为横电波在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Ey, Hx, Hz传播方向为ｚ方向。 TM波(即是物光里的p波)：在传播方向上有电场分量而无磁场分量称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中电磁场分量有Hy, Ex, Ez，传播方向为ｚ方向 五、纵模－具有相同的縱向场分布的模式(干涉仪理论) TEM03 TEM11 TEM31 TEM00 TEM10 TEM20 (1) x, y 轴对称 ：m－X向暗区数 n－Y向暗区数 (2) 旋转对称 ：m－暗直径数 n－暗环数(半径方向) 横模光斑花样： 七、光腔的损耗 损耗分类： 几何偏折损耗 衍射损耗 腔镜反射不完全造成的损耗 材料的非激活吸收、散射、腔内插入物引起的损耗 腔镜 腔镜 腔镜 腔镜 平均单程損耗因子δ ——单程渡越时腔内平均光强衰减的比值 多种损耗并存时： 损耗百分数： 小损耗情形： 损耗的评价： 光子在腔内的平均寿命 损耗的评价： 1、初始光强 I0，往返m 次后的光强： 2、取0 时刻的光强 I0则到 t 时刻光子往返的次数： 3、 t 时刻的光强： 4、光子的平均寿命： 无源谐振腔諧振腔的Q 值(品质因数) 损耗举例： L——腔长 D——腔口径 ?——倾斜角 腔镜反射不完全引起的损耗： 腔镜倾斜时的几何损耗： 以平行平面腔为例： ? 6