深圳大学：《激光原理》课程教学课件（PPT讲稿）第二章 开放式光腔与高斯光束 第一部分 概述

$ 2.1概述一光腔理论的一般问题谐振腔的作用无源谐振腔理论依据开放式光腔开腔的分类无源谐振腔的模式光腔的损耗

§2.1 概述－光腔理论的一般问题 谐振腔的作用 无源谐振腔 理论依据 开放式光腔 开腔的分类 无源谐振腔的模式 光腔的损耗

. Laser cavities differ in several significant ways fromthe closed microwave cavities that are commonlytreated in electromagnetic theory textbooks.: Optical resonators first of all usually have open sidesand hence always have diffraction losses because ofenergy leaking out the sides of the resonator toinfinity.: Optical resonators are also usually described inscalar or quasi plane-wave terms, with emphasis onthe diffraction effects at apertures and mirrors edgesrather than in vector terms with emphasis onmatching boundary conditions. The distinction between “longitudinal"' and“transverse"' modes in the resonator is also muchsharper in optical than in microwave resonators

• Laser cavities differ in several significant ways from the closed microwave cavities that are commonly treated in electromagnetic theory textbooks. • Optical resonators first of all usually have open sides, and hence always have diffraction losses because of energy leaking out the sides of the resonator to infinity. • Optical resonators are also usually described in scalar or quasi plane-wave terms, with emphasis on the diffraction effects at apertures and mirrors edges, rather than in vector terms with emphasis on matching boundary conditions. • The distinction between “longitudinal” and “transverse” modes in the resonator is also much sharper in optical than in microwave resonators

一谐振腔的作用模式选择。保证激光器单模（或少数轴向模）振荡，从而提高激光器的相干性；控制腔内振荡光束的特性（直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角等），提供轴向光波模的反馈

一 谐振腔的作用 • 模式选择。保证激光器单模（或少数轴向 模）振荡，从而提高激光器的相干性； 控制腔内振荡光束的特性 （直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、 谐振频率及光束发散角等） ◆ 提供轴向光波模的反馈

二无源谐振腔·不考虑腔内激活介质的影响无源腔模式可以作为具有激活介质腔（有源腔）的激光模式的良好近似·激活介质的作用主要是补充腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗，使之满足阈值条件；激活介质对场的空间分布和振荡频率的影响是次要的，不会使模式发生本质的变化

二 无源谐振腔 • 不考虑腔内激活介质的影响 • 无源腔模式可以作为具有激活介质腔（有 源腔）的激光模式的良好近似 • 激活介质的作用主要是补充腔内电磁场在 振荡过程中的能量损耗，使之满足阈值条 件；激活介质对场的空间分布和振荡频率 的影响是次要的，不会使模式发生本质的 变化

采用的理论一·几何光学理论--推导腔的稳定性条件（不能得到腔的衍射损耗）·衍射光学理论--深入了解模式特性

三 采用的理论 • 几何光学理论-推导腔的稳定性条件（不能 得到腔的衍射损耗） • 衍射光学理论-深入了解模式特性

四开放式光腔·激光器中使用的谐振腔通常是开放式的，即侧面没有光学边界（理想化的处理方法），称为开式光学谐振腔，简称开腔，气体激光器是采用开腔的典型例子，对固体激光器，如果棒的直径远大于激光波长，棒的长度远小于腔长，可认为是开腔·半导体激光器采用介质波导腔，光纤激光器的光谐振腔也属介质波导腔

四 开放式光腔 • 激光器中使用的谐振腔通常是开放式的，即 侧面没有光学边界（理想化的处理方法）， 称为开式光学谐振腔，简称开腔。 • 气体激光器是采用开腔的典型例子。 • 对固体激光器，如果棒的直径远大于激光波 长，棒的长度远小于腔长，可认为是开腔。 • 半导体激光器采用介质波导腔，光纤激光器 的光谐振腔也属介质波导腔

五 开腔的分类根据光束几何逸出损耗的高低，分为稳定腔、非稳腔和临界腔·稳定腔：旁轴（傍轴）光线在腔内多次往返而不逸出腔外，具有较低的几何损耗·非稳腔：傍轴光线在腔内经过少数几次往返就逸出腔外，具有较高的几何损耗·临界腔：性质介于稳定腔和非稳腔之间，只有少数特定光线能在腔内往返传播

五 开腔的分类 • 根据光束几何逸出损耗的高低，分为稳定 腔、非稳腔和临界腔。 • 稳定腔：旁轴（傍轴）光线在腔内多次往 返而不逸出腔外，具有较低的几何损耗 • 非稳腔：傍轴光线在腔内经过少数几次往 返就逸出腔外，具有较高的几何损耗 • 临界腔：性质介于稳定腔和非稳腔之间， 只有少数特定光线能在腔内往返传播

Optical resonators can usually be divided intoeither “geometrically stable"’ or geometricallyunstable" categories (where these terms refer toray stability within the resonators, and havenothing to do with whether or not the laser is oris not stable against laser oscillation)

• Optical resonators can usually be divided into either “geometrically stable” or “geometrically unstable” categories (where these terms refer to ray stability within the resonators, and have nothing to do with whether or not the laser is or is not stable against laser oscillation)

谐振腔可以按不同的方法分类：、稳定腔、非稳腔、临界腔球面腔与非球面腔驻波腔与行波腔两镜腔与多镜腔简单腔与复合腔端面反馈腔与分布反馈腔本章仅讨论由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔

• 稳定腔、非稳腔、临界腔 • 球面腔与非球面腔 • 驻波腔与行波腔 • 两镜腔与多镜腔 • 简单腔与复合腔 • 端面反馈腔与分布反馈腔 本章仅讨论由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔 谐振腔可以按不同的方法分类：

六 无源谐振腔的模式模的概念纵模和谐振频率激光的横模

六 无源谐振腔的模式 模的概念 纵模和谐振频率 激光的横模