关于激光共振腔技术介绍

[拼音]：jiguang gongzhenqiang jishu

[外文]：laser resonator techniques

激光单元技术之一。共振腔（又称光学共振腔）是激光器的三个基本组件之一，它的功用是对激光器提供一定的光学反馈能力并对激光振荡模式进行限制；在工作物质和激励条件为给定的条件下，共振腔的选择和具体参量的合理确定是至关重要的，因为它们会直接影响到激光器件的振荡阈值、转换效率、输出发散角以及场图均匀性等项性能指标。

从大的方面来说，所有的光学共振腔可以区分为三种不同的类型，它们具有不同的模式结构和限模特性，在实际应用中也有不同的优缺点，这三大类型的共振腔分别称为稳定腔、非稳腔和介稳腔。

稳定腔组成的判据为由腔反射镜曲率半径和间距所决定的g因子（见激光器图2），应满足稳定工作条件 0＜g1g2＜1;采用共振腔的自洽场衍射积分理论，可以比较圆满地描述稳定腔的本征模式结构和腔对不同模式的限制能力。理论分析表明，对稳定腔而言，按空间场分布和频谱特征之不同而区分的不同本征模式可用符号TEM表示，其中m和n为横模指数，而q为纵模指数；与m=n=0对应的TEM模称为基横模，其主要特征是该模式在共振腔镜面上的横向场振幅分布呈高斯分布规律(图1)；与m，n厵0对应的模称为高阶横模，其在镜面上的横向场振幅分布由高斯分布函数与厄密多项式（或连带拉盖尔多项式）之乘积所决定;对基横模振荡或多横模振荡而言，沿腔轴方向上的等相位面按厄密球面波规律变化；而由光束横向光斑半径ω 所决定的包络线呈现出双曲线状的变化规律(图2)。基于上述特点，人们有时也把稳定腔内产生的振荡光束称为厄密球面波（着重强调其波面特性）或称为高斯光束（着重强调其光场横向分布特性）。理论分析还表明，不同横模在腔内往返一次的衍射损耗随横模指数的变大而增加，故基横模的衍射损耗最小；但当腔的菲涅耳数N＝a2/λL(a为反射镜通光口径，L为腔长，λ为光波长)逐渐增大时，所有横模的衍射损耗同时变小，并且当N1时，不同横模之间的衍射损耗的相对差异往往变得可以忽略，此时形成大量横模同时振荡，从而导致振荡光束发散角的增大。综上而言，稳定腔的主要优点是衍射损耗小，主要缺点则是N数较大时腔的限横模能力不强。实际上稳定腔主要适用于增益较低而腔的菲涅耳数又不很大的激光器系统，其中典型代表为氦氖激光器、连续二氧化碳激光器以及连续掺钕石榴石激光器等。常用的稳定腔型有双凹球面反射镜型、平面－凹球面反射镜型以及平面－透镜－平面反射镜型等几种。

由g因子表征的非稳腔组成判据为g1g2＜0或g1g2＞1；当腔的菲涅耳数N不很小时，采用几何光学理论可很好地描述腔内模式区分不同横模之间的损耗率差异。理论分析表明，损耗率最低的轴向波型(基横模)为一对往返行进的几何球面波，球面波的中心是满足在腔内往返一次互成共轭成像关系的一对特殊的轴上像点，这样一对球面波在腔内往返一次的光能横向逸出损耗，由该球面波的波面放大率因子所决定。在此基础上可进一步证明，非轴向传播的波型（高阶横模）与轴向波型之间的损耗率相对差异，与稳定腔相比可明显增大，因此非稳腔的限横模能力可显著增强。综上而言，非稳腔的主要优点是限横模能力强，输出光束发散角小；而缺点则是光能横向逸出损耗比较大。实际上，非稳腔主要适用于增益较高和菲涅耳数较大的激光器系统中，如高功率和大能量的固体激光器和气体激光器系统中，可获得发散角比较小而亮度较高的激光束输出。常用的非稳腔型有双凸球面镜型、平面－凸球面镜型以及望远镜型等几种，前两种非稳腔输出为球面波（经透镜准直后成为平面波），后一种非稳腔输出为平面波。

由g因子表征的介稳腔组成判据为g1g2=0或g1g2=1，其主要特性正好处于稳定腔与非稳腔之间，采用几何光学理论，同样可较好地描述介稳腔内的波型区分和限模特性。当腔的菲涅耳数N1时，损耗率最低的横模为一个轴向传播的球面波型，球面波的中心为一特殊的轴上像点，满足往返一次的自洽成像条件;其他非轴向传播的球面波型均具有一定的光能横向逸出损耗，并且选择适当的参数，可使轴向与非轴向波型有较大的损耗率差异，因此可保证腔有较强的限模能力。总括而言，介稳腔的限模能力强这一点与非稳腔相似，而基横模损耗率很低这一点又与稳定腔相似；因此，原则上既可用于高增益、大菲涅耳数的激光器系统，同样亦可用于低增益、细通光口径的激光器系统。最典型的介稳腔型为实共心腔、虚共心腔、平行平面腔以及平面－透镜－凸球面镜等价虚共心腔等，一般情况下(平行平面腔除外)，均要求组成腔的两反射镜的间距应调整到确定的数值，以保证腔在介稳状态下运转。实验表明，采用适当设计的介稳腔结构，激光输出发散角可达到与非稳腔相同的程度，而输出光束场图均匀性则比非稳腔情况下输出为好。

上述各种激光共振腔结构皆具备两个反馈镜，而反射镜的曲率半径及其间距的参量不同会形成稳定、不稳定及介稳定各种腔型；显然这类腔内部光场是四周有界的。实际上尚有另一类腔的结构，它们没有反馈镜，因而激光场在传播方向不受边界的约束，典型的例子有行波腔、波导腔及分布反馈腔。高增益激光介质当它被泵浦瞬间，光子只要单程通过增益介质后就满足激光振荡的阈值条件获得受激辐射，这类腔称为行波腔，行波腔辐射的方向性是由增益介质几何尺寸所决定是一发散型辐射，若不经外光学系统改善，激光亮度会随传播距离迅速下降，通常称这类激光辐射为超荧光或超辐射，后者要与迪克(Dick)相干集体辐射相区别。波导腔横向线度较小，与传播波长数量级相当，而腔内增益介质折射率较腔壁材料的折射率大，光子在腔内经历多次的全反射后达到受激发射，理论分析表明这类腔型可以存在一系列分立的横电模（TE模）及横磁模（TM模），线度愈接近波长数量级则仅有最低阶的TE模存在。波导腔有圆形波导腔及平面波导腔之分。当波导腔内增益介质呈周期结构时，各波导模之间就会产生耦合，使满足布喇格条件的波导模得到优先振荡，这类腔称为分布反馈腔。形成这种周期结构的方法可以用微加工手段预先使介质波导腔壁形成周期结构，或者利用相干泵浦源在腔面形成干涉条纹而促使增益介质增益分布呈周期结构。