諧振腔與模式PPT課件

1、2.1 諧振腔與模式第1頁(yè)/共17頁(yè)泵浦源泵浦源激發(fā)態(tài)原子基態(tài)原子后反射鏡(100%反射)激光輸出輸出鏡(部分反射)第2頁(yè)/共17頁(yè)一、諧振腔的構(gòu)成與分類(a) 閉腔 (典型:半導(dǎo)體激光器)固體激光棒(b) 開腔開腔 (典型典型:氣體激光器氣體激光器)(c) 氣體波導(dǎo)腔氣體波導(dǎo)腔 (典型典型:He-Ne波導(dǎo)激光器波導(dǎo)激光器)(開腔又可分為：穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔、臨界腔開腔又可分為：穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔、臨界腔)波導(dǎo)管第3頁(yè)/共17頁(yè)特殊形狀的諧振腔：特殊形狀的諧振腔：折疊腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔、分布式反饋腔等等折疊腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔、分布式反饋腔等等(a) 折疊腔折疊腔(b) 環(huán)形腔環(huán)形腔(c) 復(fù)合腔復(fù)合腔

2、(d) 分布式反饋腔分布式反饋腔第4頁(yè)/共17頁(yè)處于有限范圍的電磁場(chǎng)處于有限范圍的電磁場(chǎng)分立的本征態(tài)分立的本征態(tài)( (離散的矢量離散的矢量) ) 處于諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)處于諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)( (激光場(chǎng)激光場(chǎng)) )激光模式激光模式光學(xué)諧振腔理論即激光模式理論光學(xué)諧振腔理論即激光模式理論 ( (模式基本特征及其與腔結(jié)構(gòu)關(guān)系模式基本特征及其與腔結(jié)構(gòu)關(guān)系) )二、腔和模的聯(lián)系二、腔和模的聯(lián)系Vx y z zyx電磁場(chǎng)的解xyzkmknkqxyz，電磁場(chǎng)的解第5頁(yè)/共17頁(yè)三、光腔分析的兩種理論方法三、光腔分析的兩種理論方法u 幾何光學(xué)幾何光學(xué)+ +干涉儀理論干涉儀理論: :模式按傳輸方向和諧振頻率來(lái)區(qū)分

3、模式按傳輸方向和諧振頻率來(lái)區(qū)分u 衍射理論衍射理論: : 模式按場(chǎng)分布模式按場(chǎng)分布, ,損耗損耗, ,諧振頻率來(lái)區(qū)分諧振頻率來(lái)區(qū)分, , 0級(jí)0級(jí)1級(jí)1級(jí)-1級(jí)-1級(jí)腔鏡給出不同模式的精細(xì)描述, 適用衍射效應(yīng)明顯的場(chǎng)合腔鏡(r0,z0)(r2,z2)(r3,z3)(r1,z1)第6頁(yè)/共17頁(yè)四、模式表示方法及模式特征參數(shù)四、模式表示方法及模式特征參數(shù)ZE1E2B1B2 TEMmnqTransverse Electromagnetic wave 橫電磁波橫電磁波m, n 橫模階次橫模階次 ； q 縱模階次縱模階次u 模式主要特征：場(chǎng)分布，諧振頻率，往返損耗，發(fā)散角模式主要特征：場(chǎng)分布，諧振頻率

4、，往返損耗，發(fā)散角 沿光軸方向的場(chǎng)分布沿光軸方向的場(chǎng)分布 E(z) 縱模縱模場(chǎng)分布場(chǎng)分布垂直于光傳播方向垂直于光傳播方向( (即橫向即橫向) )場(chǎng)分布場(chǎng)分布E(x,y) 橫模橫模第7頁(yè)/共17頁(yè)TEM波：在傳播方向上沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，稱為橫電磁波。若激光在諧振腔中的傳播方向?yàn)閦方向，那么激光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)將沒(méi)有方向的分量！實(shí)際的激光模式是準(zhǔn)TEM模，即允許Ez、Hz分量的存在，但它們必須橫向分量，因?yàn)檩^大的Ez意味著波矢方向偏離光軸較大，容易溢出腔外，所以損耗大，難于形成振蕩。在自由空間傳播的均勻平面電磁波（空間中沒(méi)有自由電荷，沒(méi)有傳導(dǎo)電流），電場(chǎng)和磁場(chǎng)都沒(méi)有和波傳播方向平行的分量，都和傳播方

5、向垂直。此時(shí)，電矢量E，磁矢量H和傳播方向k兩兩垂直。只是在這種情況下，才可以說(shuō)電磁波是橫波。沿一定途徑（比如說(shuō)波導(dǎo)）傳播的電磁波為導(dǎo)行電磁波。根據(jù)麥克斯韋方程，導(dǎo)行電磁波在傳播方向上一般是有E和H分量的。光的傳播形態(tài)分類：根據(jù)傳播方向上有無(wú)電場(chǎng)分量或磁場(chǎng)分量，可分為如下三類，任何光都可以這三種波的合成形式表示出來(lái)。 TE波(即是物光里的s波)：在傳播方向上有磁場(chǎng)分量但無(wú)電場(chǎng)分量，稱為橫電波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中，電磁場(chǎng)分量有Ey, Hx, Hz，傳播方向?yàn)榉较?。TM波(即是物光里的p波)：在傳播方向上有電場(chǎng)分量而無(wú)磁場(chǎng)分量，稱為橫磁波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中，電磁場(chǎng)分量有Hy,

6、 Ex, Ez，傳播方向?yàn)榉较?。?頁(yè)/共17頁(yè)五、縱模具有相同的縱向場(chǎng)分布的模式五、縱模具有相同的縱向場(chǎng)分布的模式( (干涉儀理論干涉儀理論) )u 相長(zhǎng)干涉條件相長(zhǎng)干涉條件(穩(wěn)定駐波條件穩(wěn)定駐波條件)22qqLq;2qcqLLL模譜u 縱模間隔縱模間隔 11222qqqcccqqLLLLP第9頁(yè)/共17頁(yè)六、橫模具有相同的橫向場(chǎng)分布的模式六、橫模具有相同的橫向場(chǎng)分布的模式( (不同的光斑花樣不同的光斑花樣) )(1) x, y 軸對(duì)稱軸對(duì)稱 TEMmnq(2) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 TEMmnqu 軸對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布取決于腔的幾何形狀軸對(duì)稱和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布取決于腔的幾何形狀u 基基(橫橫)模模

7、 TEM00第10頁(yè)/共17頁(yè)(b) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱TEM10TEM20TEM30TEM00TEM01TEM02(a) x、y軸對(duì)稱軸對(duì)稱TEM03TEM11TEM31TEM00TEM10TEM20(1) x, y 軸對(duì)稱軸對(duì)稱 ：mX向暗區(qū)數(shù) nY向暗區(qū)數(shù)(2) 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 ：m暗直徑數(shù) n暗環(huán)數(shù)(半徑方向)橫模光斑花樣：橫模光斑花樣：第11頁(yè)/共17頁(yè)七、光腔的損耗七、光腔的損耗 損耗分類：損耗分類：u 幾何偏折損耗幾何偏折損耗u 衍射損耗衍射損耗u 腔鏡反射不完全造成的損耗腔鏡反射不完全造成的損耗u 材料的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物引起的損耗材料的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物引

8、起的損耗腔鏡腔鏡腔鏡腔鏡第12頁(yè)/共17頁(yè)u 平均單程損耗因子平均單程損耗因子 單程渡越時(shí)腔內(nèi)平均光強(qiáng)衰減的比值單程渡越時(shí)腔內(nèi)平均光強(qiáng)衰減的比值201011ln2III eI1nii多種損耗并存時(shí)：0102() /III損耗百分?jǐn)?shù)：小損耗情形：201000021(12)2IIII eII 損耗的評(píng)價(jià)：損耗的評(píng)價(jià)：第13頁(yè)/共17頁(yè)u 光子在腔內(nèi)的平均壽命光子在腔內(nèi)的平均壽命R 損耗的評(píng)價(jià)：損耗的評(píng)價(jià)：1、初始光強(qiáng) I0，往返m 次后的光強(qiáng)：2200()mmmII eI e2、取0 時(shí)刻的光強(qiáng) I0，則到 t 時(shí)刻光子往返的次數(shù)：2 /tmL c3、 t 時(shí)刻的光強(qiáng)：/00( )RttLcI tI eI e4、光子的平均壽命：/RLcu 無(wú)源諧振腔的無(wú)源諧振腔的Q 值值(品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù))QP2RLQc第14頁(yè)/共17頁(yè)F 損耗舉例：損耗舉例：210 1 201 2120.5ln0.5(1)(1)rrII rrI errrr 2LDL腔長(zhǎng)D腔口徑 傾斜角傾斜角u 腔鏡反射不完全引起的損耗：u 腔鏡傾斜時(shí)的幾何損耗：以平行平面腔為例：6842D=1cm，L=1m：若要求 ，則41若要求 ，則0.4第15頁(yè)/共17頁(yè)L 2aL衍射場(chǎng)中，第一極小值的衍射角：衍射場(chǎng)中，第一極小值的衍射角