?不穩定諧振腔是對于光束橫向偏移動態上不穩定的光學諧振腔。
諧振腔模式在穩定和非穩定的情況下的性質差別很大。非穩定諧振腔具有一些特殊的性質:
模式通常具有很強的衍射損耗(每次往返為50%或更高)。
高階模式的衍射損耗更高。這種內稟的模式識別更易于實現激光器的單橫向模式工作。
尤其是在諧振腔堅硬邊緣處的衍射情況下,橫向模式截面非常復雜并且通常具有環形結構。這時只能采用數值方法計算模式截面。而在有些具有軟孔徑諧振腔中(如下),可以通過解析方法估計其模式性質。
在線性非穩定諧振腔中,兩相向光束的波前彼此不重合,因此也與兩端反射鏡表面不匹配。
不穩定不表示這種諧振腔比穩定的諧振腔更不堅固。相反的,不穩定諧振腔的對準靈敏度比穩定諧振腔還要低,并且采用不穩定諧振腔已經實現了非常堅固的高功率激光器。
不穩定激光器諧振腔的輸出耦合
通常利用不穩定激光器諧振腔的衍射損耗作為有用的激光器輸出。輸出耦合器是一個普通的激光器反射鏡,其中場分布超過反射鏡邊緣,因此一些光可以穿過反射鏡出去(如圖1)。
盡管輸出光束截面在近場區域存在一個孔,但是光束發散角很小,因此這種采用非穩定諧振腔的非常高功率激光器的光束質量比采用穩定諧振腔的要高,尤其是當衍射損耗很大,孔非常小的情況下。
圖1:在堅硬邊緣反射鏡處進行輸出耦合的不穩定激光器諧振腔。
圖2:在刮刀鏡處進行輸出耦合的不穩定激光器諧振腔。如果采用刮刀鏡(圖2,具有橢圓孔的斜面反射鏡),它可以“刮去”腔內往返運動的一些光束。
另外還可以采用可變反射率反射鏡,其中隨著距離光束軸的增大反射率會減小,通常是根據高斯或者超高斯方程變化。這種方案可以避免通常近場輸出光束截面的環形結構,并且通常很適合得到很高光束質量的光束。
有時,諧振腔在一個方向上是穩定的,另一方向是不穩定的。這種混合諧振腔通常用在具有很高橢圓度的光束中。
不穩定激光器諧振腔的優勢和限制
大多數激光器諧振腔都是穩定的,但是在一些特定情況下不穩定諧振腔具有很大的優勢。特別的,它可以得到非常高功率的激光光束,同時光束質量很高。
在這種情況下穩定諧振腔常見的問題是不能實現足夠大的基本諧振腔模式,或者該模式對熱透鏡和不對準很敏感。而不穩定諧振腔基模占很大部分,并且凈增益遠大于高階模式,另外對不對準也不敏感。
但是,只有當增益介質能夠提供足夠大的增益時該原理才適用。在脈沖閃光燈泵浦或者二極管泵浦YAG激光器中,金屬氣體激光器,準分子激光器和化學激光器中就是這種情況。
而應用到低增益激光器,例如二氧化碳激光器或連續波燈泵浦固體激光器,會比較困難,并且通常得到的光束質量很低。
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