不稳定谐振腔

2021-04-20 15:18:03 浏览:594

定义

对于光束横向偏移动态上不稳定的光学谐振腔。

根据设计细节,光学谐振腔对于横向光束偏移有的是稳定的,有的是不稳定的。如果谐振腔是稳定的,任何横向偏移位移或角度不太大的几何光线进入系统后会一直留在系统中做往返运动。而对于不稳定的谐振腔,这一光线迟早会出射。

谐振腔模式在稳定和非稳定的情况下的性质差别很大。非稳定谐振腔具有一些特殊的性质:

1、模式通常具有很强的衍射损耗(每次往返为50%或更高)。

2、高阶模式的衍射损耗更高。这种内禀的模式识别更易于实现激光器的单横向模式工作。

3、尤其是在谐振腔坚硬边缘处的衍射情况下,横向模式截面非常复杂并且通常具有环形结构。这时只能采用数值方法计算模式截面。而在有些具有软孔径谐振腔中(如下),可以通过解析方法估计其模式性质。

4、在线性非稳定谐振腔中,两相向光束的波前彼此不重合,因此也与两端反射镜表面不匹配。

不稳定不表示这种谐振腔比稳定的谐振腔更不坚固。相反的,不稳定谐振腔的对准灵敏度比稳定谐振腔还要低,并且采用不稳定谐振腔已经实现了非常坚固的高功率激光器。

不稳定激光器谐振腔的输出耦合

通常利用不稳定激光器谐振腔的衍射损耗作为有用的激光器输出。输出耦合器是一个普通的激光器反射镜,其中场分布超过反射镜边缘,因此一些光可以穿过反射镜出去(如图1)。尽管输出光束截面在近场区域存在一个孔,但是光束发散角很小,因此这种采用非稳定谐振腔的非常高功率激光器的光束质量比采用稳定谐振腔的要高,尤其是当衍射损耗很大,孔非常小的情况下。

图 1 在坚硬边缘反射镜处进行输出耦合的不稳定激光器谐振腔

图 2 在刮刀镜处进行输出耦合的不稳定激光器谐振腔。 如果采用刮刀镜(图2,具有椭圆孔的斜面反射镜),它可以“刮去”腔内往返运动的一些光束

另外还可以采用可变反射率反射镜,其中随着距离光束轴的增大反射率会减小,通常是根据高斯或者超高斯方程变化。这种方案可以避免通常近场输出光束截面的环形结构,并且通常很适合得到很高光束质量的光束。

有时,谐振腔在一个方向上是稳定的,另一方向是不稳定的。这种混合谐振腔通常用在具有很高椭圆度的光束中[11]

不稳定激光器谐振腔的优势和限制

大多数激光器谐振腔都是稳定的,但是在一些特定情况下不稳定谐振腔具有很大的优势。特别的,它可以得到非常高功率的激光光束,同时光束质量很高。在这种情况下稳定谐振腔常见的问题是不能实现足够大的基本谐振腔模式,或者该模式对热透镜和不对准很敏感。而不稳定谐振腔基模占很大部分,并且净增益远大于高阶模式,另外对不对准也不敏感。但是,只有当增益介质能够提供足够大的增益时该原理才适用。在脉冲闪光灯泵浦或者二极管泵浦YAG激光器中,金属气体激光器,准分子激光器和化学激光器中就是这种情况。而应用到低增益激光器,例如二氧化碳激光器或连续波灯泵浦固体激光器,会比较困难,并且通常得到的光束质量很低。

参考文献

[1] L. W. Casperson and S. D. Lunnam, “Gaussian modes in high loss laser resonators”, Appl. Opt. 14 (5), 1193 (1975)
[2] J. M. Eggleston et al., “Radial intensity filters using radial birefringent elements”, JOSA 71 (10), 1264 (1981)
[3] E. Armandillo and G. Giuliani, “Achievement of large-sized TEM00 mode from an excimer laser by means of a novel apoditic filter”,Opt. Lett. 10 (9), 445 (1985)
[4] N. McCarthy and P. Lavigne, “Large-size Gaussian mode in unstable resonators using Gaussian mirrors”, Opt. Lett. 10 (11), 553 (1985)
[5] D. M. Walsh and L. V. Knight, “Transverse modes of a laser resonator with Gaussian mirrors”, Appl. Opt. 25 (17), 2947 (1986)
[6] S. De Silvestri et al., “Unstable laser resonators with super-Gaussian mirrors”, Opt. Lett. 13 (3), 201 (1988)
[7] T. J. McKee and G. T. Boyd, “Performance comparison of positive branch unstable resonator cavities for excimer lasers”, Appl. Opt. 27 (9), 1840 (1988)
[8] S. De Silvestri et al., “Q-switched Nd:YAG laser with super-Gaussian resonators”, Opt. Lett. 16 (9), 642 (1991)
[9] R. J. Lang, “Geometric formulation of unstable-resonator design and application to self-collimating unstable-resonator diode lasers”, Opt. Lett. 16 (17), 1319 (1991)
[10] E. Armandillo et al., “Diode-pumped high-efficiency high-brightness Q-switched ND:YAG slab laser”, Opt. Lett. 22 (15), 1168 (1997)
[11] K. Du et al., “Partially end-pumped Nd:YAG slab laser with a hybrid resonator”, Opt. Lett. 23 (5), 370 (1998)
[12] A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA (1986)

参阅:光学谐振腔、谐振腔模式

基础光学

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