c3.2對(duì)稱共焦腔內(nèi)外的光場分布

§3.4穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性§3.3高斯光束的傳播特性§3.1光學(xué)諧振腔的衍射理論1§3.5激光器的輸出功率第三章激光的輸出特性§3.6激光器的線寬極限§3.2對(duì)稱共焦腔內(nèi)外的光場分布§3.7激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子M2§3.2對(duì)稱共焦腔內(nèi)外的光場分布回顧——討論自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義,建立了激光模式的概念，以及激光器輸出頻率和頻率間隔的計(jì)算方法。本節(jié)——求解對(duì)稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,求出本征值和本征函數(shù)，了解輸出激光的具體場的分布，從而決定開腔自再現(xiàn)模的全部特征。(3-7)1.方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解設(shè)方鏡每邊長為2a，共焦腔的腔長為L，光波波長為λ，并把x，y坐標(biāo)的原點(diǎn)選在鏡面中心,而以(x，y)來表示鏡面上的任意點(diǎn)以方形鏡面的對(duì)稱共焦腔為例，求解(3-7)式自再現(xiàn)模積分方程§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布1）本征函數(shù)的近似解：Hm(X)和Hn(Y)均為厄密多項(xiàng)式——高斯型函數(shù)——常系數(shù)鏡面上的場分布是厄密多項(xiàng)式與高斯函數(shù)的乘積——厄密多項(xiàng)式的零點(diǎn)決定了場圖的零點(diǎn)，高斯函數(shù)決定了場分布的外形輪廓（3-18）(3-7)§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布本征函數(shù)決定了鏡面上的光場分布，其中:本征函數(shù)的?！獩Q定振幅分布

本征函數(shù)的幅角——決定相位分布本征值與單程衍射損耗和單程相移有關(guān)。2）本征值的近似解：（3-19）§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布1）本征函數(shù)的近似解：（3-18）1.方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解2.

鏡面上自再現(xiàn)模場的特征

（3-18）①基模：取式中

m=n=0，得到共焦腔方形鏡上基模TEM00場的分布因?yàn)樗?1)振幅（強(qiáng)度）分布基模在鏡面上的分布是高斯型的，模的振幅從鏡中心（x=y=0）向邊緣平滑地降落。在離中心的距離為

處場的振幅降落為中心處的1/e。§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布②定義基模光斑半徑為基模振幅最大值的1/e處基模光束的能量集中在光斑有效截面圓內(nèi)。上式表明，共焦腔基模在鏡面上的光斑半徑與鏡的橫向尺寸無關(guān)，只與腔長有關(guān)。這是共焦腔的主要特征。§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布基模：例：L=1m,λ=10.6mm，共焦腔的CO2激光器ωs≈1.84mmL=30cm,λ=0.6328mm，共焦腔的He—Ne激光器ωs≈0.25mm

可見，共焦腔的光斑半徑非常小。由

可知,增大鏡面寬度,只減少衍射損耗,對(duì)光斑尺寸并無影響.基模光斑半徑為§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布③高階橫模利用基模光斑半徑，本征函數(shù)的解可以寫為：

當(dāng)m、n取不同時(shí)為零的一系列整數(shù)時(shí),由上式可得出鏡面上各高階橫模的振幅分布因?yàn)楣省?.2.1共焦腔鏡面上的場分布因?yàn)楣盛鄹唠A橫模因?yàn)楣蔜EM20因?yàn)楣矢唠A橫模因?yàn)楣矢唠A橫模因?yàn)楣蔜EM11高階橫模

總結(jié)：m、n的數(shù)值正好分別等于光強(qiáng)在x，y方向上的節(jié)線(光強(qiáng)為零的線)數(shù)目，而且m、n的數(shù)值越大，光場也越向外擴(kuò)展。

高階橫模(2)

相位分布由于為實(shí)函數(shù),說明鏡面上各點(diǎn)的光場相位相同,共焦腔反射鏡面本身構(gòu)成光場的一個(gè)等相位面①由自在現(xiàn)模umn(x,y)的輻角決定。2.

鏡面上自再現(xiàn)模場的特征

§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布(3)單程衍射損耗：一般忽略不計(jì)，但是在討論激光器單橫模的選取時(shí)必須考慮單程衍射損耗。

2.

鏡面上自再現(xiàn)模場的特征

§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布（4）單程相移與諧振頻率而當(dāng)q一定時(shí)，若m、n改變，則橫模的頻率也將發(fā)生變化，相鄰橫模頻率間隔為圖(3-6)方形鏡共焦腔的振蕩頻譜從上式可以看出，共焦腔在頻率上是高度簡并的，（2q+m+n）相同的所有模式都具有相同的諧振頻率。如：TEMmnq，TEMm-1，n+1，qTEMm，n-2，q+1，TEMm-2，n，q+1，

TEMm+1，n-3，q+1等都有相同的頻率。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)激光器的工作狀態(tài)產(chǎn)生不良影響。因?yàn)樗蓄l率相等的模式都處在激活介質(zhì)的增益曲線的相同位置處，從而彼此間產(chǎn)生強(qiáng)烈的競爭作用，導(dǎo)致多模振蕩,使輸出激光光束質(zhì)量變壞。普通激光器的輸出都是多模的

§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布§3.2.1共焦腔鏡面上的場分布方形鏡面共焦腔諧振頻率圓形鏡面共焦腔諧振頻率§3.2.2共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布1.腔內(nèi)的場分布通過基爾霍夫衍射公式計(jì)算由鏡面M1上的場分布在腔內(nèi)造成的行波求得，行波被反射鏡M2反射產(chǎn)生傳播方向相反的另一列行波，兩列行波在腔內(nèi)迭加成駐波,該駐波場的分布即腔內(nèi)光場分布。定義將鏡面場分布[式(3-18)]代入基爾霍夫衍射公式[式(3-1)]可得腔內(nèi)場分布圖3-7計(jì)算腔內(nèi)外光場分布的示意圖上式表示TEMmn模在腔內(nèi)任意點(diǎn)(x,y,z)處的場函數(shù)。其中,實(shí)部代表振幅,虛部代表相位（1）Hm，Hn——

m階、n階厄密多項(xiàng)式，確定了場在x、

y方向的大小及節(jié)線數(shù)目

(2)