【摘 要】
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离轴-条状共焦非稳腔在大功率的固体和气体激光器件中有着广泛的应用,其输出模式的空间分布特性一直是研究的热点之一。但腔内本征模式的激励方式以及与之相关的输出线宽问题却很少被提及。过量噪声是非厄米光学系统中光场本征模式的一种重要特性,用于描述模式之间的耦合特性,其数值大小表示“实际线宽”对“极限线宽”(由Schawlow-Townes公式预测)的展宽倍数。本文针对条状离轴共焦非稳腔的具体几何结构,提出
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离轴-条状共焦非稳腔在大功率的固体和气体激光器件中有着广泛的应用,其输出模式的空间分布特性一直是研究的热点之一。但腔内本征模式的激励方式以及与之相关的输出线宽问题却很少被提及。过量噪声是非厄米光学系统中光场本征模式的一种重要特性,用于描述模式之间的耦合特性,其数值大小表示“实际线宽”对“极限线宽”(由Schawlow-Townes公式预测)的展宽倍数。本文针对条状离轴共焦非稳腔的具体几何结构,提出了一种“边界衍射波”的快速算法,利用该方法细致地分析了输出模式过量噪声特性。具体研究内容与结论如下。(1)基于均匀渐进理论,提出了一种适用于大有效菲涅尔数离轴共焦非稳腔输出模式的快速算法,并对该算法的适用性和误差进行了细致分析。分析指出:对于正支结构,该方法在腔参数“几何放大率”M大于1.1,有效菲涅耳数Neff取为s + 0.2到s + 0.8之间(s表示整数)时,具有较好的计算精度;对于负支结构,给出了关于M和Neff适用性的判定公式。(2)采用特征向量法分析了离轴共焦非稳腔内低阶本征模式的特征值随Neff的变化特性。根据各阶本征模式特征值的分布,指出最低阶模与次低阶模的特征值会发生“模式交叉”,正支腔中交叉位置出现在Neff=s + 0.08,负支腔中交叉位置出现在Neff=s-0.85处。需要指出,在模式交叉处,传统的Fox-Li迭代方法失效。(3)数值计算了离轴共焦非稳内最低阶本征模式中的过量噪声因子K,其数值结果显示:负支腔中K因子随..的增加呈现出ΔNeff≈1的准周期峰值特性,峰值也出现在附近,与“模式交叉”位置相同,在M取值[-1.9,-1.2],Neff取值在[-70,-10]时,峰值大小与M的关系不明显,与Neff呈现线性关系;正支腔中..因子取值在“模式交叉”处呈现与其特征值分布类似的不连续性,从特征值连续性的角度出发,指出由各阶特征值组成的“混合态”分布是导致K因子取值不连续性的主要原因。(4)提出了一种针对“输出镜轻微失调”条件下,用于计算输出模式的等效模型,并说明了横向平移失调与旋转倾斜失调的等价性。在此基础之上,分析了失调情况下输出模式的过量噪声特性:负支腔中在平移失调量.h’.在-0.01到0.01之间变化时(输出镜半宽为1),K值呈现准周期振荡,周期为0.008,振荡峰值出现的位置与Neff有关,而“波峰”的半宽随着M的增加而增加,在实际谐振腔设计中,取Neff=s + 0.4附近时,谐振腔在h’=±0.002内具有良好的抗失调性;正支结构中失调度h’取值在-0.02到0.02之间时,K值分布随着失调度的增加呈现周期性振荡,振荡周期约为0.025,每个周期内都会出现峰值“跳变”,跳变的位置与Neff取值有关,在腔参数设计时,应尽量避免该“跳变”发生在“小失调区(h=0附近)”,因此应选取Neff= s + 0.6附近。
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