雷射共振腔技術是雷射單元技術之一。
基本介紹
- 中文名：雷射共振腔技術
- 類屬：雷射單元技術之一
- 別稱：光學共振腔
- 功用：對雷射器提供一定的光學反饋能力
簡介
雷射單元技術之一。共振腔（又稱光學共振腔）是雷射器的三個基本組件之一，它的功用是對雷射器提供一定的光學反饋能力並對雷射振盪模式進行限制；在工作物質和激勵條件為給定的條件下，共振腔的選擇和具體參量的合理確定是至關重要的，因為它們會直接影響到雷射器件的振盪閾值、轉換效率、輸出發散角以及場圖均勻性等項性能指標。
從大的方面來說，所有的光學共振腔可以區分為三種不同的類型,它們具有不同的模式結構和限模特性,在實際套用中也有不同的優缺點，這三大類型的共振腔分別稱為穩定腔、非穩腔和介穩腔。
穩定腔 穩定腔組成的判據為由腔反射鏡曲率半徑和間距所決定的g因子（見雷射器圖2），應滿足穩定工作條件 0<g1g2<1;採用共振腔的自洽場衍射積分理論，可以比較圓滿地描述穩定腔的本徵模式結構和腔對不同模式的限制能力。理論分析表明，對穩定腔而言，按空間場分布和頻譜特徵之不同而區分的不同本徵模式可用符號TEM表示，其中m和n為橫模指數，而q為縱模指數；與m=n=0對應的TEM模稱為基橫模,其主要特徵是該模式在共振腔鏡面上的橫向場振幅分布呈高斯分布規律(圖1)；與m,n厵0對應的模稱為高階橫模，其在鏡面上的橫向場振幅分布由高斯分布函式與厄密多項式（或連帶拉蓋爾多項式）之乘積所決定;對基橫模振盪或多橫模振盪而言,沿腔軸方向上的等相位面按厄密球面波規律變化；而由光束橫向光斑半徑ω所決定的包絡線呈現出雙曲線狀的變化規律(圖2)。基於上述特點,人們有時也把穩定腔內產生的振盪光束稱為厄密球面波（著重強調其波面特性）或稱為高斯光束（著重強調其光場橫向分布特性）。理論分析還表明，不同橫模在腔內往返一次的衍射損耗隨橫模指數的變大而增加，故基橫模的衍射損耗最小；但當腔的菲涅耳數N=a2/λL(a為反射鏡通光口徑，L為腔長,λ為光波長)逐漸增大時,所有橫模的衍射損耗同時變小，並且當N1時，不同橫模之間的衍射損耗的相對差異往往變得可以忽略，此時形成大量橫模同時振盪，從而導致振盪光束髮散角的增大。綜上而言，穩定腔的主要優點是衍射損耗小,主要缺點則是N數較大時腔的限橫模能力不強。實際上穩定腔主要適用於增益較低而腔的菲涅耳數又不很大的雷射器系統，其中典型代表為氦氖雷射器、連續二氧化碳雷射器以及連續摻釹石榴石雷射器等。常用的穩定腔型有雙凹球面反射鏡型、平面－凹球面反射鏡型以及平面－透鏡－平面反射鏡型等幾種。 非穩腔 由g因子表征的非穩腔組成判據為g1g21；當腔的菲涅耳數N不很小時,採用幾何光學理論可很好地描述腔內模式區分不同橫模之間的損耗率差異。理論分析表明，損耗率最低的軸向波型(基橫模)為一對往返行進的幾何球面波，球面波的中心是滿足在腔內往返一次互成共軛成像關係的一對特殊的軸上像點，這樣一對球面波在腔內往返一次的光能橫向逸出損耗，由該球面波的波面放大率因子所決定。在此基礎上可進一步證明，非軸向傳播的波型（高階橫模）與軸向波型之間的損耗率相對差異，與穩定腔相比可明顯增大，因此非穩腔的限橫模能力可顯著增強。綜上而言，非穩腔的主要優點是限橫模能力強，輸出光束髮散角小；而缺點則是光能橫向逸出損耗比較大。實際上，非穩腔主要適用於增益較高和菲涅耳數較大的雷射器系統中，如高功率和大能量的固體雷射器和氣體雷射器系統中，可獲得發散角比較小而亮度較高的雷射束輸出。常用的非穩腔型有雙凸球面鏡型、平面－凸球面鏡型以及望遠鏡型等幾種，前兩種非穩腔輸出為球面波（經透鏡準直後成為平面波），後一種非穩腔輸出為平面波。
介穩腔 由g因子表征的介穩腔組成判據為g1g2=0或g1g2=1,其主要特性正好處於穩定腔與非穩腔之間,採用幾何光學理論，同樣可較好地描述介穩腔內的波型區分和限模特性。當腔的菲涅耳數N1時，損耗率最低的橫模為一個軸向傳播的球面波型，球面波的中心為一特殊的軸上像點,滿足往返一次的自洽成像條件;其他非軸向傳播的球面波型均具有一定的光能橫向逸出損耗，並且選擇適當的參數，可使軸向與非軸向波型有較大的損耗率差異，因此可保證腔有較強的限模能力。總括而言，介穩腔的限模能力強這一點與非穩腔相似，而基橫模損耗率很低這一點又與穩定腔相似；因此，原則上既可用於高增益、大菲涅耳數的雷射器系統，同樣亦可用於低增益、細通光口徑的雷射器系統。最典型的介穩腔型為實共心腔、虛共心腔、平行平面腔以及平面－透鏡－凸球面鏡等價虛共心腔等，一般情況下(平行平面腔除外)，均要求組成腔的兩反射鏡的間距應調整到確定的數值，以保證腔在介穩狀態下運轉。實驗表明，採用適當設計的介穩腔結構，雷射輸出發散角可達到與非穩腔相同的程度，而輸出光束場圖均勻性則比非穩腔情況下輸出為好。
上述各種雷射共振腔結構皆具備兩個反饋鏡，而反射鏡的曲率半徑及其間距的參量不同會形成穩定、不穩定及介穩定各種腔型；顯然這類腔內部光場是四周有界的。實際上尚有另一類腔的結構，它們沒有反饋鏡，因而雷射場在傳播方向不受邊界的約束，典型的例子有行波腔、波導腔及分布反饋腔。高增益雷射介質當它被泵浦瞬間，光子只要單程通過增益介質後就滿足雷射振盪的閾值條件獲得受激輻射，這類腔稱為行波腔，行波腔輻射的方向性是由增益介質幾何尺寸所決定是一發散型輻射，若不經外光學系統改善，雷射亮度會隨傳播距離迅速下降，通常稱這類雷射輻射為超螢光或超輻射，後者要與迪克(Dick)相干集體輻射相區別。波導腔橫向線度較小，與傳播波長數量級相當，而腔內增益介質折射率較腔壁材料的折射率大，光子在腔內經歷多次的全反射後達到受激發射，理論分析表明這類腔型可以存在一系列分立的橫電模（TE模）及橫磁模（TM模），線度愈接近波長數量級則僅有最低階的TE模存在。波導腔有圓形波導腔及平面波導腔之分。當波導腔內增益介質呈周期結構時,各波導模之間就會產生耦合,使滿足布喇格條件的波導模得到優先振盪，這類腔稱為分布反饋腔。形成這種周期結構的方法可以用微加工手段預先使介質波導腔壁形成周期結構，或者利用相乾泵浦源在腔面形成干涉條紋而促使增益介質增益分布呈周期結構。
穩定腔 穩定腔組成的判據為由腔反射鏡曲率半徑和間距所決定的g因子（見雷射器圖2），應滿足穩定工作條件 0<g1g2<1;採用共振腔的自洽場衍射積分理論，可以比較圓滿地描述穩定腔的本徵模式結構和腔對不同模式的限制能力。理論分析表明，對穩定腔而言，按空間場分布和頻譜特徵之不同而區分的不同本徵模式可用符號TEM表示，其中m和n為橫模指數，而q為縱模指數；與m=n=0對應的TEM模稱為基橫模,其主要特徵是該模式在共振腔鏡面上的橫向場振幅分布呈高斯分布規律(圖1)；與m,n厵0對應的模稱為高階橫模，其在鏡面上的橫向場振幅分布由高斯分布函式與厄密多項式（或連帶拉蓋爾多項式）之乘積所決定;對基橫模振盪或多橫模振盪而言,沿腔軸方向上的等相位面按厄密球面波規律變化；而由光束橫向光斑半徑ω所決定的包絡線呈現出雙曲線狀的變化規律(圖2)。基於上述特點,人們有時也把穩定腔內產生的振盪光束稱為厄密球面波（著重強調其波面特性）或稱為高斯光束（著重強調其光場橫向分布特性）。理論分析還表明，不同橫模在腔內往返一次的衍射損耗隨橫模指數的變大而增加，故基橫模的衍射損耗最小；但當腔的菲涅耳數N=a2/λL(a為反射鏡通光口徑，L為腔長,λ為光波長)逐漸增大時,所有橫模的衍射損耗同時變小，並且當N1時，不同橫模之間的衍射損耗的相對差異往往變得可以忽略，此時形成大量橫模同時振盪，從而導致振盪光束髮散角的增大。綜上而言，穩定腔的主要優點是衍射損耗小,主要缺點則是N數較大時腔的限橫模能力不強。實際上穩定腔主要適用於增益較低而腔的菲涅耳數又不很大的雷射器系統，其中典型代表為氦氖雷射器、連續二氧化碳雷射器以及連續摻釹石榴石雷射器等。常用的穩定腔型有雙凹球面反射鏡型、平面－凹球面反射鏡型以及平面－透鏡－平面反射鏡型等幾種。 非穩腔 由g因子表征的非穩腔組成判據為g1g21；當腔的菲涅耳數N不很小時,採用幾何光學理論可很好地描述腔內模式區分不同橫模之間的損耗率差異。理論分析表明，損耗率最低的軸向波型(基橫模)為一對往返行進的幾何球面波，球面波的中心是滿足在腔內往返一次互成共軛成像關係的一對特殊的軸上像點，這樣一對球面波在腔內往返一次的光能橫向逸出損耗，由該球面波的波面放大率因子所決定。在此基礎上可進一步證明，非軸向傳播的波型（高階橫模）與軸向波型之間的損耗率相對差異，與穩定腔相比可明顯增大，因此非穩腔的限橫模能力可顯著增強。綜上而言，非穩腔的主要優點是限橫模能力強，輸出光束髮散角小；而缺點則是光能橫向逸出損耗比較大。實際上，非穩腔主要適用於增益較高和菲涅耳數較大的雷射器系統中，如高功率和大能量的固體雷射器和氣體雷射器系統中，可獲得發散角比較小而亮度較高的雷射束輸出。常用的非穩腔型有雙凸球面鏡型、平面－凸球面鏡型以及望遠鏡型等幾種，前兩種非穩腔輸出為球面波（經透鏡準直後成為平面波），後一種非穩腔輸出為平面波。
介穩腔 由g因子表征的介穩腔組成判據為g1g2=0或g1g2=1,其主要特性正好處於穩定腔與非穩腔之間,採用幾何光學理論，同樣可較好地描述介穩腔內的波型區分和限模特性。當腔的菲涅耳數N1時，損耗率最低的橫模為一個軸向傳播的球面波型，球面波的中心為一特殊的軸上像點,滿足往返一次的自洽成像條件;其他非軸向傳播的球面波型均具有一定的光能橫向逸出損耗，並且選擇適當的參數，可使軸向與非軸向波型有較大的損耗率差異，因此可保證腔有較強的限模能力。總括而言，介穩腔的限模能力強這一點與非穩腔相似，而基橫模損耗率很低這一點又與穩定腔相似；因此，原則上既可用於高增益、大菲涅耳數的雷射器系統，同樣亦可用於低增益、細通光口徑的雷射器系統。最典型的介穩腔型為實共心腔、虛共心腔、平行平面腔以及平面－透鏡－凸球面鏡等價虛共心腔等，一般情況下(平行平面腔除外)，均要求組成腔的兩反射鏡的間距應調整到確定的數值，以保證腔在介穩狀態下運轉。實驗表明，採用適當設計的介穩腔結構，雷射輸出發散角可達到與非穩腔相同的程度，而輸出光束場圖均勻性則比非穩腔情況下輸出為好。
上述各種雷射共振腔結構皆具備兩個反饋鏡，而反射鏡的曲率半徑及其間距的參量不同會形成穩定、不穩定及介穩定各種腔型；顯然這類腔內部光場是四周有界的。實際上尚有另一類腔的結構，它們沒有反饋鏡，因而雷射場在傳播方向不受邊界的約束，典型的例子有行波腔、波導腔及分布反饋腔。高增益雷射介質當它被泵浦瞬間，光子只要單程通過增益介質後就滿足雷射振盪的閾值條件獲得受激輻射，這類腔稱為行波腔，行波腔輻射的方向性是由增益介質幾何尺寸所決定是一發散型輻射，若不經外光學系統改善，雷射亮度會隨傳播距離迅速下降，通常稱這類雷射輻射為超螢光或超輻射，後者要與迪克(Dick)相干集體輻射相區別。波導腔橫向線度較小，與傳播波長數量級相當，而腔內增益介質折射率較腔壁材料的折射率大，光子在腔內經歷多次的全反射後達到受激發射，理論分析表明這類腔型可以存在一系列分立的橫電模（TE模）及橫磁模（TM模），線度愈接近波長數量級則僅有最低階的TE模存在。波導腔有圓形波導腔及平面波導腔之分。當波導腔內增益介質呈周期結構時,各波導模之間就會產生耦合,使滿足布喇格條件的波導模得到優先振盪，這類腔稱為分布反饋腔。形成這種周期結構的方法可以用微加工手段預先使介質波導腔壁形成周期結構，或者利用相乾泵浦源在腔面形成干涉條紋而促使增益介質增益分布呈周期結構。
