【光学谐振腔基本理论及设计思路分析概述2900字】

光学谐振腔基本理论及设计思路分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u29349光学谐振腔基本理论及设计思路分析概述 -1-54371.3实验腔型的选定 -2-75671.4高斯光束的ABCD定律及光线传播矩阵 -3-19121.5高斯光束的自再现变换与谐振腔的稳定性条件 -3-19371.6折叠腔往返矩阵及稳定振荡条件 -5-激光器中，我们将两端面均为反射镜的腔体称为谐振腔，光学谐振腔是激光器的重要组成部分，它主要有提供光学正反馈，也就是维持光振荡、起到光放大作用和控制腔内振荡光束，使其在空间上有着极好的方向性，并使激光有着极好的单色性两大作用。根据所了解的理论知识与其相关实验研究结果表明，对于非高增益激光器，我们可以通过研究其非激活腔的工作模式来作为激活腔的良好近似。因此，这部分我们将对无源腔，也就是腔内没有工作物质的谐振腔进行理论分析。1.1光学谐振腔的作用光学谐振腔是激光器的重要组成部分，谐振腔有以下作用：（1）提供光学正反馈，建立并维持自激振荡，即使激活物质内产生的辐射能够多次通过该物质，并在受激辐射提供的增益大于光腔损耗的情况下，保证有足够多的能量在腔内往返得到更好的增益效果，实现光放大过程。一般来讲，谐振腔的光学反馈作用主要是由腔镜的摆放方式、几何形状及其反射效果决定的。（2）控制腔内振荡光束。主要表现为振荡模式选择、对激光参数以及对输出激光功率即对腔内损耗的控制。其中，对振荡模式的选择即将腔内有效振荡限制在所想要的少数本征模式中，使不沿轴线运动的光子在若干次往返运动后逸出腔外，不再接触工作物质，而沿轴线运动的光子将在腔内经腔镜反射不断往返运动产生振荡，且运动时不断通过工作物质，与受激粒子作用，产生受激辐射，从而使沿轴线运行的光子将不断变多，最终在腔内形成相位相同、方向一致、频率一定激光。1.2光学谐振腔的分类谐振腔依据不用的区分标准有着不同的分类。其依据反射镜几何类型可划分为平行平面镜腔、双凹球面镜腔、平面-凹面镜腔、凹凸腔、双凸腔等。根据腔型的几何构型可划分为直腔与折叠腔。简单的直腔、V型三镜折叠腔和Z型四镜折叠腔如图1.5所示，三者相比，直腔结构更简单，但缺点是有很大局限性，而折叠腔可以节省空间，在较小的空间中搭建得到较长的腔长，而且折叠腔有便于我们插入调制元件、进行像散补偿等优点；图1.5（从左到右）直腔、V型腔、Z型腔构型依据腔内傍轴光线几何逸出损耗高低可划分为稳定腔、临界腔与非稳腔。稳定腔损耗较小、谐振光束状态保持不变，光线可以在稳定腔内来回往复的传输而不逸出腔外，但其波形限制能力较弱，激光发散角较大，一般适用于低增益激光器；与之相比，非稳腔损耗极大，光线在腔内仅能反射若干次便会从腔体逸出，但其具有波形限制能力较强，模式鉴别能力好，易于获得基横模振荡，可控模体积较大,可以实现高功率输出等优点，适用于高增益激光系统；而临界腔是指稳定性介于稳定腔与非稳腔之间的谐振腔，其波形限制能力较强，输出光束质量较高，适用性强。1.3实验腔型的选定依据本论文涉及实验需求结合实验室现有情况考虑，拟设计搭建稳定V型谐振腔即三镜折叠腔（实验光路图如图1.6所示）。图1.6实验光路图1.4高斯光束的ABCD定律及光线传播矩阵高斯光束在类透镜介质（令其光线矩阵元为ABCD）中传播一段距离后光束参数q会发生改变，另入射介质处光束参数为q1，传播一段距离后光束参数为q2，则q2与q1间存在以下关系:q则易推知高斯光束穿过n个光线矩阵为AnBnCn1.5高斯光束的自再现变换与谐振腔的稳定性条件对于确定的稳定腔结构，其内的自再现模也唯一确定，除了这一模式的高斯光束会随光束在腔内的自激振荡不断增强外，其他结构的高斯光束均会由于在腔内的不断往返造成的损耗而消失。理论上讲，自再现模在稳定腔内往返一周后依旧可以再现其自身，也就是保持各结构参数相同。则结合ABCD定律可以得到，满足自再现条件的高斯光束在稳定腔内往返一周后q参数值qM'与出发前q参数值q即有C改写为关于1qB解之得q则易得该光束在参考平面上光斑半径ω=则可得腔的稳定性条件A+D理论计算之外，我们还有很多方法来帮助我们判定光学谐振腔的稳定性，其中，最常见的就是稳区图判别法。这里，我们以图1.7所示共轴球面反射镜腔为例对稳区图判别法进行介绍，图中两球面镜M1和M2曲率半径分别为R1和R图1.7共轴球面腔我们将共轴球面反射镜腔的矩阵元A以及D分别代入稳定性条件A+D可得到其稳定性条件0<引入光学谐振腔g参数g1可得到谐振腔稳定性条件为0<即满足0<g1g2<1的共轴球面反射镜腔属于稳定腔，近轴激光光束在腔内可以无限往返而不会溢出腔外；若g1g2根据以上理论知识铺垫，我们很容易知道每一个共轴球面反射镜腔通过计算其相对应的g参数，都可以在以g1、g2为坐标轴的二维平面图上对应唯一的点（g1，g2）。至此，我们以g1、g2分别作为二维坐标图的横纵坐标轴，在图上做出曲线g1g2图1.8稳区图1.6折叠腔往返矩阵及稳定振荡条件依据本论文涉及实验需求结合实验室现有情况考虑，实验中，拟选定V型谐振腔方案，如下图所示：图1.9V型腔结构示意图其中，M1为平面输入镜，M2为曲率半径为R的球面反射