非穩(wěn)定諧振腔課件

非穩(wěn)腔：如果一束光線都不可能永遠(yuǎn)存在于腔內(nèi)，經(jīng)過有限次往返后必將橫向逸出腔內(nèi)，則稱為非穩(wěn)腔。2023/8/153.9非穩(wěn)定諧振腔穩(wěn)定腔：如果光線在諧振腔內(nèi)往返任意多次都不會橫向逸出腔外，這樣的諧振腔稱為穩(wěn)定腔。分析諧振腔的穩(wěn)定性條件，實質(zhì)是研究光線在腔內(nèi)往返傳播而不逸出腔外的條件。非穩(wěn)腔：如果一束光線都不可能永遠(yuǎn)存在于腔內(nèi)，經(jīng)過有限次往返后高功率激光器要求大的模體積和單模工作2023/8/15為什么要使用非穩(wěn)腔？穩(wěn)定腔中模體積很小，利用的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)小則單模輸出功率不高。只適用于中小功率激光器。當(dāng)需要的工作物質(zhì)的增益效果高時，也可以采用非穩(wěn)腔形成穩(wěn)定的激光振蕩，由于非穩(wěn)腔模體積大，容易鑒別和控制橫模，可實現(xiàn)高功率單模運轉(zhuǎn)，易得到單端輸出的準(zhǔn)直平行光束，所以高功率激光器多采用非穩(wěn)腔高功率激光器要求大的模體積和單模工作2023/8/4為什么要

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特點：存在固有的光能橫向逸出損耗，腔的損耗高。

非穩(wěn)定腔滿足條件：2023/8/4

特點：存在固有的光能橫向逸出損耗，腔的損2023/8/153.9.1非穩(wěn)腔的基本結(jié)構(gòu)

雙凸非穩(wěn)腔2023/8/43.9.1非穩(wěn)腔的基本結(jié)構(gòu)

雙凸非穩(wěn)腔2023/8/15由一個平面鏡和一個凸球面鏡按任意間距構(gòu)成。

平—凸非穩(wěn)腔2023/8/4由一個平面鏡和一個凸球面鏡按任意間距構(gòu)成。

由一個平面鏡和一個凹球面鏡構(gòu)成2023/8/15平凹非穩(wěn)腔

由一個平面鏡和一個凹球面鏡構(gòu)成2023/8/4平凹非穩(wěn)腔

2023/8/15雙凹非穩(wěn)腔

2023/8/4雙凹非穩(wěn)腔

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雙凹非穩(wěn)腔有一種特殊腔型—非對稱實共焦腔，因腔內(nèi)存在一個實焦點，易損壞工作物質(zhì)且模體積不夠大，實際工作不常采用，其腔滿足條件，

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雙凹非穩(wěn)腔有一種特殊腔型—非對稱實共焦腔，

2023/8/15凹—凸非穩(wěn)腔

2023/8/4凹—凸非穩(wěn)腔

虛共焦非穩(wěn)腔2023/8/15凹—凸非穩(wěn)腔的特例

正支望遠(yuǎn)鏡型非穩(wěn)腔：凹面鏡的實焦點與凸面鏡的虛焦點在腔外重合，組成一個虛共焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)。這種腔型可直接輸出平行光束。比較常用。虛共焦非穩(wěn)腔2023/8/4凹—凸非穩(wěn)腔的特例

正支1.振幅是厄米多項式和高斯函數(shù)

的乘積，光斑大小由高斯函數(shù)決

定，中心強(qiáng)邊緣弱。2023/8/153.9.2非穩(wěn)腔的幾何自再現(xiàn)波型穩(wěn)定腔的模式有兩個重要特點：2.本征模的波面是球面。由于腔鏡對光線有匯聚作用由球面鏡邊界條件決定的1.振幅是厄米多項式和高斯函數(shù)

的乘積，光斑大小由高斯函數(shù)決1.腔鏡對光線是發(fā)散作用，其模式的振幅不是高斯光束，在整個腔的

橫截面內(nèi)將是均勻分布的。2023/8/15對于非穩(wěn)腔：2.球面反射鏡決定其模式的波面是球面。綜上所述，非穩(wěn)腔中激光模式是沿相反方向傳播的兩個均勻球面波的疊加。1.腔鏡對光線是發(fā)散作用，其模式的振幅不是高斯光束，在整個腔自在現(xiàn)：從其中任何一點發(fā)出的球面波在腔內(nèi)往返一次后

其波面形狀保持不變。2023/8/15

自在現(xiàn)：從其中任何一點發(fā)出的球面波在腔內(nèi)往返一次后

其波面形

2023/8/15證明非穩(wěn)腔軸上這樣一對共軛像點的存在性和唯一性，以雙凸腔為例根據(jù)球面鏡成像公式有

2023/8/4證明非穩(wěn)腔軸上這樣一對共軛像點的存在性和唯

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2023/8/15結(jié)論從每一個像點發(fā)出的球面波在腔內(nèi)往返一次后，其波面形狀將實現(xiàn)自再現(xiàn)將這樣一對發(fā)自共軛像點的幾何自再現(xiàn)波型定義為非穩(wěn)定腔的共振模

2023/8/4結(jié)論從每一個像點發(fā)出的球面波在腔內(nèi)往返一次2023/8/15舉例

2023/8/4舉例

2023/8/15優(yōu)點1.兩個共軛像點都在腔外2.能獲得單端輸出的均勻平面波

2023/8/4優(yōu)點1.兩個共軛像點都在腔外2023/8/153.9.3非穩(wěn)腔的幾何放大率非穩(wěn)腔的自在現(xiàn)模1.任何非穩(wěn)腔的軸線上都存在著一對共軛像點

2.非穩(wěn)腔軸上這樣一對共軛像點的存在性和唯一性2023/8/43.9.3非穩(wěn)腔的幾何放大率非穩(wěn)腔的自在現(xiàn)2023/8/15以雙凸腔為例

2023/8/4以雙凸腔為例

2023/8/15對于望遠(yuǎn)鏡腔，有對虛共焦腔和實共焦腔均適用2023/8/4對于望遠(yuǎn)鏡腔，有對虛共焦腔和實共焦腔均適用2023/8/153.9.4非穩(wěn)腔的能量損耗非穩(wěn)腔自再現(xiàn)模的特點1.非穩(wěn)腔的損耗是幾何自再模波型的固有發(fā)散造成的，共軛像點發(fā)出的自再現(xiàn)球面波在腔內(nèi)往復(fù)反射時，其波面橫向尺寸將不斷發(fā)展，最后超出反射鏡的范圍，從而將波的一部分能量直接逸出腔（作為激光）2.球面波或平面波（不是高斯光束）2023/8/43.9.4非穩(wěn)腔的能量損耗非穩(wěn)腔自再現(xiàn)模的2023/8/15

其能量損耗為

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其能量損耗為

2023/8/15則幾何自再現(xiàn)波型在腔內(nèi)往返一次，總的能量損耗為平均單程損耗為2023/8/4則幾何自再現(xiàn)波型在腔內(nèi)往返一次，總的能量損耗2023/8/152023/8/42023/8/153.9.5非穩(wěn)腔的輸出藕合方式由于非穩(wěn)腔大都是利用部分從邊緣逸出的能量作為激光去的激光輸出，所以非穩(wěn)腔的每一次往返的平均能量損耗都是它的往返藕合輸出。通過改變非穩(wěn)腔的幾何參數(shù)幾何參數(shù)即可調(diào)節(jié)能量的大小。穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔的輸出藕合方式的異同點：1.穩(wěn)定腔中，輸出鏡一般是部分反射鏡，腔內(nèi)光束經(jīng)輸出鏡以透射方式藕合至腔外。2.非穩(wěn)腔中，兩個反射鏡通常是全反射鏡，只要使其中一個反射鏡的尺寸比另一個大得多，就可以單端輸出。2023/8/43.9.5非穩(wěn)腔的輸出藕合方式由于非2023/8/152023/8/42023/8/153.9.5非穩(wěn)腔的輸出藕合方式常見的非穩(wěn)腔輸出藕合方式邊緣藕合選光鏡藕合邊緣藕合和選光鏡藕合輸出光束形