RP 系列激光分析设计软件 | 非稳谐振腔

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       根据其设计的细节，光学谐振腔相对于横向光束偏移是稳定的或不稳定的。从这个意义上讲，稳定性是指在多次往返过程中，任何以一些不太大的初始横向偏移位置和角度注入系统的几何射线都将停留在系统内部。在非稳腔中，这样的射线迟早会被弹射出来。利用ABCD矩阵算法，可以很容易地判断一个谐振腔工作在稳定或不稳定状态，以及从一个状态移动到另一个状态所需要的谐振腔参数的变化。
       对谐振腔特性的更全面的分析需要波动光学，并且通常涉及分析谐振腔模式。在稳态区和不稳定区，谐振腔模式的性质有很大的不同。非稳谐振腔具有许多特殊性质：
①模式总是经历显著的衍射损耗，通常是非常高的(每个往返50%或更高的数量级)。
②模式阶数越高，衍射损耗通常越大。这种本征模式识别通常有助于获得激光器的单横模工作。
③特别是对于硬边有衍射的谐振腔，横模分布比较复杂，通常表现出明显的环形结构。只有数值方法才能用来计算详细的模式分布。然而，对于一些软孔径谐振腔(见下文)，至少可以使用解析方法以合理的精度估计模式特性。
④在线性非稳腔中，反向传播光束的波前不一定相互匹配，也不一定与两端镜面面形匹配。
不应该将”不稳定”的属性误解为这样的谐振腔比稳定的谐振腔更不稳定。相反，不稳定激光谐振腔的对准灵敏度甚至可以大幅低于稳定谐振腔，并且使用不稳定谐振腔已经开发出相当稳健的高功率激光器。

不稳定激光谐振腔中的输出耦合
       通常制作不稳定的激光谐振腔，将上述衍射”损耗”作为有用的激光输出。输出耦合器可以是一个普通的激光反射镜，其场分布延伸到反射镜边缘以外，使部分光通过(见图1)侧面的反射镜。虽然输出的光束轮廓在近场有一个小孔，但光束发散度很小，对于一些非常高功率的激光器，这种谐振腔的光束质量至少比稳定谐振腔的光束质量要高，特别是在可以容忍较大的衍射损耗的情况下，这样可以使小孔变得相对较小。


图1:侧边反射镜输出耦合的非稳态激光谐振腔。
      在其他情况下，使用反射镜面(图2，例如，带有椭圆孔的倾斜反射镜)，它从循环的内腔光束中“刮走”部分光。


图2:在镜面输出耦合的不稳定激光谐振腔。
       另一种可能性是使用可变反射率镜，其中反射率随着到光束轴的距离的增加而减小——通常根据高斯或超高斯函数。这种方法可以避免在近场输出光束轮廓中出现其他典型的环形结构，并且通常适合于获得相当高的光束质量。
      在某些情况下，谐振腔在一个方向上是稳定的，而在另一个方向上是不稳定的。这种混合谐振腔有时用于光束高度椭圆形的情况。
      在大多数情况下，不稳定谐振腔比稳定谐振腔更难分析和优化。对于稳定的谐振腔，ABCD矩阵算法允许人们以相对简单的方式计算各种模式特性，但为了分析不稳定的谐振腔模式，人们通常需要数值光束传输。除了合适的软件外，了解各种复杂的光学概念，包括往返放大倍率M和菲涅尔数NF 等术语，可能会有所帮助。

不稳定激光谐振腔的优点和局限性
       虽然大多数激光谐振腔被设计为稳定谐振腔，但不稳定谐振腔在某些情况下具有显著的优势。特别是，它们可以帮助生成激光束非常高光功率并且仍然相对较高光束质量。在这种情况下稳定谐振腔的一个常见问题是谐振腔模无法实现，或者这种模式对以下干扰非常敏感热透镜化或者角误差。然而，不稳定谐振腔可以具有非常大的基模，与所有高阶模式相比具有显著的净增益优势，并且没有过度的灵敏度。
       虽然大多数激光谐振腔被设计为稳定谐振腔，但是在某些情况下，不稳定谐振腔可以有很大的优势。特别是，它们可以帮助产生具有非常高的光功率和仍然相对较高的光束质量的激光束。在这种情况下，稳定谐振腔的一个常见问题是不能实现足够大的基波谐振模，或者这种模式对热透镜或失调等扰动非常敏感。然而，不稳定谐振腔可以具有非常大的基模，比所有高阶模具有实质性的净增益优势，并且没有过高的灵敏度。
      然而，这一原理通常只有在增益介质能够提供相当大的增益时才能很好地工作。这可以是脉冲闪光灯泵浦或二极管泵浦的YAG激光器的情况，例如，在金属蒸气激光器、准分子激光器和化学激光器中。应用于低增益激光器，如连续波CO2激光器或灯抽运的固态激光器更加困难，并且通常导致较低的光束质量。
      对非稳腔进行更困难的分析可以被认为是一个缺点，这使得找到优化的激光器设计变得更加困难。