稳定腔的激光器所发出的激光,将以高斯光束的形式在空间传输。共焦腔中产生的光束具有特殊的结构。它既不同于点光源所发射的球面波,又不同于普通平行光束的平面波,而是一种特殊的高斯光束(亦 称高斯球面波)。下面重点介绍共焦腔中高斯光束的特性与参数。 (+;D~iN` k
s,f2[6\ Y
一、期模高斯光束 QV.>Cy
pdER#7Tq
由波动光学理论可以证明沿某一方向(设为z轴)传播的高斯光束的电矢量表示式为: -s!J3DB
.P7q)lj36h
e00(xyz)=(a0/w(z))e-(r2/w2(z)e-i[k(z +r2/2r(z)-ф(z)](18-9) 式中a0为常数因子。 (9ZW^flY
D
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a0/w(z)是z轴上(x=0,y=0)各点的电矢量振幅。w(z)称为z点的光斑尺寸,它是z的函数:
04&S.#+(
w(z)=w0[1+(zλ/πw02)2]1/2 (18-10) (T$cw(!
;dMr2y`6
w0是z=0处的w(z)值,它是高斯光束的一个特征参数,称最小光斑尺寸,也称为光束的“腰 粗”。r(z)是在z处波阵面的曲率半径,是z的函数: O`1!&XT{x
R.2i%cU
r(z)=z[1+(πw0?2/λz)2] (18-11) DBHHJD/q
0^Vw^]w
ф(z)是与z有关的位相因子: 5+!yXkE^e
ф(z)=tg-1λz/πw02 (18-12) !vRN'/(Vyu
7Hv6>z#m
二、高斯光束的特点 lK7:qo
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1.z=0处的情况。将z=0代入式(18-11) 则有limr(z)=∞ 所以有 r2/2r(z)=0 又由(18-12)式 ф=0 <9"@<[[,
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所以有e(x,y,0)=(a0/w0)e(r2/w2(18-13) _<jU! R
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(18-13)式说明,光波电矢量的振幅分布是高斯函数,通常就称振幅的这种分布为高斯分布。当r=0(即光斑中心)处振幅a有最大值 即a(000)=a0/w0 当r=w0时有 BTj1C
Oi& 9FS
a(r,0)=1/ea0/w0=1/ea(0,0,0) HJJ)D E7;
Q?LzL(OioN
即电矢量振幅下降到极大值1/e;而当r继续增大时,e值继续下降而趋向于零。可见光斑中心最亮,向外逐渐减弱。所以通常以电矢量振幅下降到中心值1/e(或光强为中心值的1/e2)处的光斑半径w0作为光斑大小的量度,称“腰粗”。 U&:-Vf~&
Qj1%'wWG
从上述分析可知,高斯光束在光腰处波阵面是一平面。这一点与平面波相同,但光强分布是一种特殊的高斯分布。这一点又不同于通常讨论的均匀平面波。也正由于这一点差别,决定了它沿z方向传播时不再保持平面波特性,而是以高斯球面波的特殊形式传播。 [tSv{
j DEym&-
2.z>0处情况。(18-9)式高斯光束电矢量表示式表明其等相面为球面。其球面的曲率半径,从(18-11)式,有 #K@!jh)y^
r(z)=z[1+(πw02/λz)2]>z I4w``""c
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即波阵面的曲率半径大于z,且r(z)随z而异,也就是作为波阵面的球面的曲率中心不在原点。 ^`dMjeF
其电矢量的振幅分布为: )
?kbHm
a(x,y,z)=a0/w(z)e-r2/w2(z) (18-14) /6[vF)&
c)N_"#&
(18-14)式仍为高斯分布,即中心最强,同时按高斯函数形式向外逐渐减弱。但此时光斑尺寸为: g\/|7:yB]
w(z)=w0[1+(zλ/πw02)2]1/2>w0 5uSg]2:
3AR'Zvn
3.光束发散角。从式(18-11)可见,高斯光束的光斑尺寸w(z),随z增大而加大,表示光束逐渐发散,通常以发散角2θ来描述光束的发散度。其表示为: R+He6c!?9
2θ=2dw(z)/dz=2λ2z/πw0[π2w04+λ2z2]-1/2 (18-15) @oj_E0i3
j|o/>^ 'e
当z=0时(束腰处) 2θ=0br> 当z=πw02/λ时,2θ=21/2λ/πw0 .,(x7?
当z→∞时,2θ=2λ/πw0 (18-16) SJO*g&duQ
称其为远场发散角。通常把z值从零到z=πw02/λ这段距离称为高斯光束的准直距离。在此区间内光束发散度很小。 dc~vQDNw[X
+/%4E %
三、共焦腔中的高斯高光束 7^Us
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高斯光束当z1=πw02/λ时,波阵面的曲率半径可由式(18-1)算得: --TH6j"
r(z1)=z1[1+(πw02/λz1)]=2z1 (18-17) d^$cx(2$D
Q2]7|C
如我们在z=±z1处各放一凹球镜组成谐振腔,其曲率半径ra和rb为: rk&oKd_&i
ra=rb=r(z1)=2z1 2uY:p=DxG9
Yz0HBEA
这两镜构成腔长l=2z1=ra=rb的共焦腔。因腰粗w0的高斯光束在z1处波阵面的曲率半径与镜面的曲率半径rb(或ra)相等,即波阵面与镜面相重,所以腰为w0的高斯光束,在腔长l为: o](ORS$~
l=2z1=2πw02/λ(18-18) cdH`#X
^mI`P}5Y
的共焦腔中来回反射能保持其特性不变,说明该共焦腔中可以产生腰粗wπw0的高斯光束。从(18-18)式算得腔长为l的共焦腔对应的高斯光束的参数为: Bqa_l|
腰粗: w0=(λl/2π)1/2 (18-19) K)`R?CZ:s
镜面上的光斑尺寸:wa=wb(λl/π)1/2 (18-20) ~e,K
发散角(远场):2θ=2(2λ/π)1/2 (18-21) }V.fY3J-
可见共焦腔中高斯光束特性完全由腔长决定。 { i3x\|
例:若有腔长l=150cm的氩离子激光器,采用共焦腔结构,则在基模工作时,对λ=514.5nm的激光光束将有下述参数: I 6<LKI/
腰粗:w0=(λl/2π)1/2=0.35mm U:MZN[Cc[
发散角:2θ=2(2λ/π)1/2=0/9×10-3rad FU}- .Ki
镜面上的光斑尺寸:wa=(λl/π)1/2=0.49mm