第二章 激光器的工作原理

第二章激光器的工作原理光學(xué)諧振腔的構(gòu)成和作用光學(xué)諧振腔的構(gòu)成

最簡單的光學(xué)諧振腔是在激活介質(zhì)兩端恰當(dāng)?shù)胤胖脙蓚€(gè)鍍有高反射率的反射鏡構(gòu)成。2.1光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性常用的基本概念：光軸：光學(xué)諧振腔中間與鏡面垂直的軸線孔徑：光學(xué)諧振腔中起著限制光束大小、形狀的元件，大多數(shù)情況下，孔徑是激活物質(zhì)的兩個(gè)端面，但一些激光器中會(huì)另外放置元件以限制光束為理想的形狀。光學(xué)諧振腔的構(gòu)成光學(xué)諧振腔的種類諧振腔的開放程度:

閉腔、開腔、氣體波導(dǎo)腔開腔通?？梢苑譃?

穩(wěn)定腔、非穩(wěn)定腔、臨界腔反射鏡形狀:

球面腔與非球面腔，端面反射腔與分布反饋腔反射鏡的多少:

兩鏡腔與多鏡腔，簡單腔與復(fù)合腔開腔激光技術(shù)發(fā)展歷史上最早提出的是平行平面腔（F-P腔）。后來又廣泛采用了由兩塊具有公共軸線的球面鏡構(gòu)成的諧振腔。從理論上分析這些腔時(shí)，通常認(rèn)為側(cè)面沒有光學(xué)邊界，因此將這類諧振腔稱為開放式光學(xué)諧振腔，簡稱開腔閉腔固體激光器的工作物質(zhì)通常具有比較高的折射率，因此在側(cè)壁上將發(fā)生大量的全反射。如果腔的反射鏡緊貼激光棒的兩端，則在理論上分析這類腔時(shí)，應(yīng)作為介質(zhì)腔來處理。半導(dǎo)體激光器是一種真正的介質(zhì)波導(dǎo)腔。這類光學(xué)諧振腔稱為閉腔

氣體波導(dǎo)腔（半封閉腔）另一類光腔為氣體波導(dǎo)激光諧振腔，其典型結(jié)構(gòu)是一段空心介質(zhì)波導(dǎo)管兩端適當(dāng)位置放置反射鏡。這樣，在空心介質(zhì)波導(dǎo)管內(nèi)，場(chǎng)服從波導(dǎo)中的傳播規(guī)律，而在波導(dǎo)管與腔鏡之間的空間中，場(chǎng)按與開腔中類似的規(guī)律傳播。平行平面腔

由兩塊相距為L、平行放置的平面反射鏡構(gòu)成雙凹球面鏡腔：由兩塊相距為L，曲率半徑分別為R1和R2的凹球面反射鏡構(gòu)成R1+R2=LR1=R2=L*常見的諧振腔形式平凹腔和凹凸與雙凸腔等由兩個(gè)以上的反射鏡構(gòu)成一般球面腔R<L<2R2.1.1共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件

1.設(shè)曲率半徑為R，焦距為f，規(guī)定物距s和象距s′在反射鏡前面為正，在反射鏡后面的為負(fù)，有：1)對(duì)于凹透鏡，R>0，f=R/2>02)對(duì)于凸透鏡，R<0，f=R/2<03)對(duì)于平面鏡，2.成像公式為:3.

共軸球面腔的結(jié)構(gòu)用三個(gè)參數(shù)表示：兩個(gè)球面反射鏡的曲率半徑R1、R2，和腔長L。共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是:

圖(2-1)共軸球面腔結(jié)構(gòu)示意圖引入幾何參數(shù)g

：令，則上式變?yōu)椋寒?dāng)幾何參數(shù)滿足上式時(shí)，諧振腔處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，為穩(wěn)定諧振腔2.1.2共軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類

圖中沒有斜線的部分是穩(wěn)定工作區(qū)，其中包括坐標(biāo)原點(diǎn)。圖中斜線陰影區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，在穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)區(qū)的邊界上是臨界區(qū)。對(duì)工作在臨界區(qū)的腔，只有某些特定的光線才能在腔內(nèi)往返而不逸出腔外。

當(dāng)時(shí)，共軸球面諧振腔為穩(wěn)定腔當(dāng)時(shí)，共軸球面諧振腔為非穩(wěn)腔當(dāng)時(shí)，共軸球面諧振腔為臨界腔圖(2-2)共軸球面腔的穩(wěn)定圖1.

穩(wěn)定圖2.1.2共軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類

2.利用穩(wěn)定條件可將球面腔分類如下:

雙凹穩(wěn)定腔，由兩個(gè)凹面鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中l(wèi)、2、3和4區(qū)平凹穩(wěn)定腔，由一個(gè)平面鏡和一個(gè)凹面鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中AC、AD段凹凸穩(wěn)定腔，由一個(gè)凹面鏡和一個(gè)凸面鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中5區(qū)和6區(qū)。共焦腔，R1＝R2＝L，因而，g1=0，g2=0，對(duì)應(yīng)圖中的坐標(biāo)原點(diǎn)。半共焦腔，由一個(gè)平面鏡和一個(gè)R=2L的凹面鏡組成的腔，對(duì)應(yīng)圖中E和F點(diǎn)。(1)穩(wěn)定腔(2)臨界腔平行平面腔，對(duì)應(yīng)圖中的A點(diǎn)。只有與腔軸平行的光線才能在腔內(nèi)往返。共心腔，滿足條件R2＋R2＝L，對(duì)應(yīng)圖中第一象限的g1g2＝1的雙曲線。半共焦腔，由一個(gè)平面鏡和一個(gè)凹面鏡組成，對(duì)應(yīng)圖中C點(diǎn)和D點(diǎn)。(3)非穩(wěn)腔對(duì)應(yīng)圖中陰影部分的光學(xué)諧振腔都是非穩(wěn)腔。光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定圖平行平面腔結(jié)構(gòu)示意圖平行平面腔

平行平面腔的優(yōu)勢(shì)1）模體積大、2）腔內(nèi)激光輻射沒有聚焦現(xiàn)象平行平面腔的劣勢(shì)1）衍射損耗高2）鏡面調(diào)整難度高平行平面腔主要應(yīng)用于高功率脈沖激光器典型的激光器諧振腔同心球面腔同心球面腔結(jié)構(gòu)示意圖同心球面腔主要應(yīng)用于連續(xù)工作的染料激光器泵浦激光器同心球面腔的優(yōu)勢(shì)：同心球面腔的劣勢(shì)：1）衍射損耗低2）易于安裝調(diào)整1）模體積小2）腔內(nèi)產(chǎn)生光輻射聚焦現(xiàn)象共焦諧振腔

共焦諧振腔示意圖共焦諧振腔一般應(yīng)用于連續(xù)工作的激光器共焦諧振腔的性能介于平行平面腔與球面腔之間，其特點(diǎn)如下：1）鏡面較易安裝、調(diào)整；2）較低的衍射損耗；3）腔內(nèi)沒有過高的輻射聚焦現(xiàn)象；4）模體積適度；

長半徑球面腔示意圖長半徑球面諧振腔適于連續(xù)工作的激光器長半徑球面諧振腔的性能介于共焦腔與球面腔之間，它的特點(diǎn)如下：1）中等的衍射損耗；2）較易安裝調(diào)整；3）模體積很大；4）腔內(nèi)沒有很高的光輻射聚焦現(xiàn)象；長半徑球面腔半球型諧振腔半球型諧振腔主要應(yīng)用于低功率氦氖激光器半球型諧振腔的特點(diǎn)：易于安裝調(diào)整、衍射損耗低、成本低半球型諧振腔平凹穩(wěn)定腔示意圖平凹穩(wěn)定腔一般應(yīng)用與連續(xù)激光器；大多數(shù)情況下

R1>2L平凹穩(wěn)定腔的特點(diǎn)：

模體積較大且具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)平凹穩(wěn)定腔一連續(xù)高功率二氧化碳激光器的非穩(wěn)定諧振腔非穩(wěn)定腔

光學(xué)諧振腔的作用1.提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔茫菏沟谜袷幑馐谇粌?nèi)行進(jìn)一次時(shí)，除了由腔內(nèi)損耗和通過反射鏡輸出激光束等因素引起的光束能量減少外，還能保證有足夠能量的光束在腔內(nèi)多次往返經(jīng)受激活介質(zhì)的受激輻射放大而維持繼續(xù)振蕩。影響諧振腔的光學(xué)反饋?zhàn)饔玫膬蓚€(gè)因素：組成腔的兩個(gè)反射鏡面的反射率；反射鏡的幾何形狀以及它們之間的組合方式。2.產(chǎn)生對(duì)振蕩光束的控制作用主要表現(xiàn)為對(duì)腔內(nèi)振蕩光束的方向和頻率的限制。改變腔的參數(shù)如：反射鏡、幾何形狀、曲率半徑、鏡面反射率及配置有效地控制腔內(nèi)實(shí)際振蕩的模式數(shù)目，