高斯光束基本性质及特征参数课件.ppt
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- 光束 基本 性质 特征 参数 课件
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1、上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术三、圆形镜共焦腔拉盖尔高斯近似解imwrsmnmsmnmneewrLwrCrVs202202022,2020000,swreCrViwrserewCrVs202010102, .1110mLLmm缔合拉盖尔多项式 基模 高阶模212nmkLimne本征值本征函数mmsincos上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 模的振幅分布旋转对称旋转对称 TEMmn m暗直径数;暗直径数;n暗环数暗环数(半径方向半径方向)TEM01TEM02TEM20TEM10TEM22TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30TEMm
2、n模沿幅角()方向的节线数目为m,沿径向(r方向)的节线圆数目为n,各节线圆沿r方向不是等距离分布的。上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术TEM11TEM12TEM22TEM34 单程相移 mnmnkLnmkL212 相位分布与方形镜共焦腔相同,等相位面为镜面上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 谐振频率12212nmqLcmnq单程衍射损耗211mnmn 同一横模的相邻纵模的频率间隔 同一纵模的相邻横模的频率间隔LcLcq22,Lcqn214qm0, 1mnmn圆形镜共焦腔模在频率上是高度简并的圆形镜共焦腔模在频率上是高度简并的 N上海大学电子信息科学与技术上
3、海大学电子信息科学与技术当N为有限时,拉盖尔-高斯近似能满意描述场分布及相移等特征,但不能用来分析模的损耗。只有用精确解精确解才能给出共焦腔模的损耗分析。圆形镜共焦腔模的单程功率损耗与方形镜比较,N相同情况下,圆形镜损耗方形镜损耗,大几倍。上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术自再现模积分方程 本征函数、本征值方形,圆形共焦腔镜面场分布场分布, D D, mnq腔内、外行波场高斯光束高斯光束一般稳定球面镜腔对称共焦腔*等效等效解析解析上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 z ,y ,xizwrnmmnmneeyzwHxzwHzwwEAz ,y,xE222200E0
4、,Amn, w0 均为常数, w0 基模高斯光束腰斑半径(2.6.1)2.62.6 方形镜共焦腔的行波场方形镜共焦腔的行波场 厄米高斯光束厄米高斯光束111141dscosey,xVikz ,y,xViks基尔霍夫衍射积分公式基尔霍夫衍射积分公式镜面上的场腔内、外任一点的场LyxnmmnmneyLHxLHCy,xV2222坐标原点设在腔中心坐标原点设在腔中心 模场的空间分布上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术2Lf共焦腔fLwws2200镜面上 Lwfwzws0 20202211212fzwfzwfzLzws腰斑尺寸 基模光斑尺寸 zwyxezwwEAzyxE222000000
5、, 基模场振幅分布 122202fzwwz基模光斑大小变化规律基模光斑大小变化规律腔中不同位置处的光斑大小不相同腔中不同位置处的光斑大小不相同上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 模体积模式在腔内所扩展的空间范围 共焦腔基模体积221220000LwLVs实例:=10.6m, L=1m, 2a=20mm =5.3cm3 V=314cm3 / V = 5.3 / 314 = 1.7% 难以获得高功率的基模输出难以获得高功率的基模输出 高阶模体积 模阶次 ,模体积 212122120LnmwwLVnsmsmn 模体积有贡献的激发态粒子数输出功率w0s000V000V上海大学电子信息
6、科学与技术上海大学电子信息科学与技术 等相位面(波面)21211,22nmfrfkzyx0, 0 , 0,zzyx z ,y ,xizwrnmmnmneeyzwHxzwHzwwEAz ,y,xE222200其中fzLz211arctg对于一个等相位面应有fz00000211, 0 , 0nmfkz上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术近轴情况2002222002220212121zLzyxLrfyxzz抛物面方程002221121211nmfknmfrfk0= f+z= f+z0cR0(x,y,z)zz022yx 0球面波y2020022RzRzyx2022022200021Ry
7、xRyxRRzz取一级近似2022Ryx 球心C在负z轴上上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术200220212zLzyxzz近轴球面波02202Ryxzz近轴高斯光波比较 高斯光波在腔轴附近可近似为球面波抛物面方程上式整理后得02202Ryxzz200021zLzR 球心C在正z轴上,处理方法相同02102000zzLzR上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 在腔轴附近,抛物面 球面,与m, n 模序数无关 20000020021zLzzffzfzfzzRR(z0) 相等,共焦腔光束的波面在中心两侧对称分布 00zRz无穷远处,等相位面为平面 000zRz共焦
8、腔中心,波面为垂直腔轴的平面00zz LfzRLfz2200波面与共焦腔镜面重合上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术可证明:共焦腔反射镜面是共焦腔中曲率半径最大的等相位面共焦腔反射镜面是共焦腔中曲率半径最大的等相位面。如果在场的任意一个等相位面处放上一块具有相应曲如果在场的任意一个等相位面处放上一块具有相应曲率的反射镜片,则入射在该镜片上的场将准确地沿着入射方率的反射镜片,则入射在该镜片上的场将准确地沿着入射方向返回。这样共焦场分布将不会受到扰动向返回。这样共焦场分布将不会受到扰动。共焦腔等相位面的分布上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 20000020021
9、zLzzffzfzfzzR 光束波面的曲率中心(球面波“发光点”) 00zzR曲率中心永远不会在共焦腔中心 000zzRz波面离腔中心越远,曲率中心离中心越近LL/2R0|z0| 2 2 2000面的中心光点”恰落在另一个镜镜面本身是波面,“发“发光点”在腔内在腔外的波面所对应的“发光点”在腔外在腔内的波面所对应的LzLzLz上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术fzfzLze2122lim2212(共焦腔基模光束)远场发散角 zzwz2limfLe664.0939.022ln2121弧度圆形镜共焦腔的行波场特性的分析方法与方形镜相同, 其基模光束的特征完全相同 实例: He -
10、 Ne : L=30cm =632.8nm 2.3 毫弧度 CO2 : L=100cm = 10.6m 5.2 毫弧度 高阶模的发散角随模阶次m,n而增大, 光束方向性变差21 e21 e上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 zriimzrzrLzrzEAzrEmnmmnmn,expexp)(exp)(22),(222200 22/,112)12(211,1002220Lfzarctgnmfrfkzrfzzs上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 fztgzRrzkizwreezwcz , y, xE122200自由空间的基模 高 斯 光 束 zfzzffzfzf
11、zzRR221 201fzwzwwz处等相位面曲 率 半 径z处光斑半径共焦腔基模高斯光束20wf 共焦参数fw 0腰斑半径上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术小结小结: 在N1时, 共焦腔的自再现模可以厄米高斯或拉盖尔高斯函数近似描述 共焦腔光束的基本特征唯一地由焦距 f 决定, 与反射镜尺寸a 无关。参数 f 或 w0 是表征共焦腔高斯光束的特征参数。 只有精确解才能正确描述共焦腔模的损耗特性。每一横模的损耗由腔的菲涅耳数决定,不同横模的损耗各不相同。 共焦腔的特点:衍射损耗低; 模简并;基模光斑尺寸沿腔轴以双曲线规律变化; 等相位面近似为球面,在反射镜处,等相位面与镜面重
12、合。上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术2.8 一般稳定球面镜腔的模式特征 任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价020000zfzzffzfzR2222212111zfzzRRzfzzRR111021RLRL可以证明R1, R2, L满足 基本依据:共焦腔与稳定球面腔的等价性任何一个共焦腔可以与无穷多个稳定球面镜腔等价,而任何一个稳定球面镜腔只能有一个等价共焦腔12zzL是稳定球面腔上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 任意一个稳定球面腔只有一个等价的共焦腔 21122121RLRLLRLZRLRLLRLZ 22121212RLRLLRRLRLRLf0, 0,
13、0212zzf111021RLRL当可得 2222212111zfzzRRzfzzRR12ZZL能正确决定等价共焦腔能正确决定等价共焦腔的中心的中心O的位置的位置上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术注意:证明的等价性是建立在共焦腔中场可由厄米特-高斯或拉盖尔-高斯光束描述。所以只有当所讨论的稳定腔的孔稳定腔的孔径足够大,腔中的场集中在轴线附近时,以上的等价才成立径足够大,腔中的场集中在轴线附近时,以上的等价才成立。等价性成立后,就可以将稳定腔模的特征表达出来。等价性成立后,就可以将稳定腔模的特征表达出来。上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术(2.8.6)镜面上的
14、光斑尺寸 一般稳定球面镜腔的模式特征 20211,fzwzwfzz21,ssww21ssww非对称4/12121224/121122121LRRLRLLRRLLRRLRLLRRLss4/1212104/1211201121ggggggggSsSs该公式只对稳定腔适用该公式只对稳定腔适用g1g21或g1 g2 0,s1和s2为复数,没有意义。当g1g2=1 或g1g2=0( g1g2), s1和s2中至少有一个趋于发散。上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术20022121sswwLV模体积(2.8.9)(2.8.10)1212000000nmVVVVmnmn2/211412220
15、00021122100000LLVggggggVVs随着腔趋向稳定腔的边界,即g1g21或g1g20时,稳定腔的模体积急剧增大。在稳定区的内部,一般稳定球面腔的模体积与腔长相同的共焦腔的模体积具有相同的数量级,场也是集中在腔的轴场也是集中在腔的轴线附近线附近。上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术 zffzfzfzzR2等相位面2211,RzRRzR 22121212RLRLLRRLRLRLf 21122121RLRLLRLZRLRLLRLZf20基模远场发 散 角f(2.8.22)4/12121221210122ggggggggL上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与
16、技术谐振频率zfzfarctgnmkfRrzkzrmn2) 12(2),(2zfzfarctgnmkfRrzkzrmn2) 1(2),(2 zfzzffzfzR2方形镜方形镜圆形镜圆形镜将式(2-8-4)中的f ,z1 ,z2 代入上式,并由谐振条件2, 0, 02,212qzzzrmnmn21arccos112ggnmqLcmnq21arccos1212ggnmqLcmnq方形镜方形镜圆形镜圆形镜上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术衍射损耗2022swaLaNLws0共焦腔菲涅耳数共焦腔菲涅耳数202022ssiwawaiiefNa1=a2=a(2-8-20)稳定球面镜腔的有
17、效菲涅尔数 稳定球面腔与等价共焦腔的衍射损耗遵循相同规律2121efefSSNNLaNggggNNggggNNefef/1120211202121021上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术衍射损耗的估算方法20020ddIddIIIaD 2220weIINLaDee2222122102102020222212waexpwIIwIdeIIwLw,LaN12-a+aI0I上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术2.9 高斯光束的基本性质及特征参数一、基模高斯光束 fzarctgRrzkizrzczyx2expexp,22200(2-9-1)ffzfzzffzfzfzzR
18、Rfzzkyxr0202220222,1)(1)(/2,高斯光束的共焦参数基模高斯光束的腰斑半径与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的光斑半径上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术22121212221212124022LRRLRRLRLRLfLRRLRRLRLRL(2-9-3)上海大学电子信息科学与技术上海大学电子信息科学与技术二、基模高斯光束在自由空间的传输规律二、基模高斯光束在自由空间的传输规律(1)场振幅分布函数 zr2exp 22002011zfzz(2)基模高斯光束的相移特性fzarctgRrzkzyx2,200描述高
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