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在激光技術(shù)發(fā)展歷史上最早提出的是平行平面腔，它由兩塊平行平面反射鏡組成。這種裝置在光學上稱為法布里一珀羅干涉儀，簡記為F—P腔。隨著激光技術(shù)的發(fā)展。以后又廣泛采用由兩塊具有公共軸線的球面鏡構(gòu)成的諧振腔，稱為共軸球面腔；其中一個反射鏡為(或兩個都為)平面的腔是這類腔的特例。從理論上分析這類腔時，通常認為其側(cè)面沒有光學邊界(這是一種理想化的處理方法)，因此將這類諧振腔稱為開放式光學諧振腔，或簡稱開腔。根據(jù)腔內(nèi)傍軸光線幾何偏折損耗的高低，開腔又可分為穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔和臨界腔。氣體激光器是采用開腔的典型例子。

由兩個以上的反射鏡可構(gòu)成折疊腔或環(huán)形腔。在由兩個或多個反射鏡構(gòu)成的開腔內(nèi)插入透鏡等光學元件將構(gòu)成復(fù)合腔。在兩鏡腔或折疊腔中，往返傳播的兩束光有固有的相位關(guān)系，遂因十涉而形成駐波，因而稱作駐波腔。在環(huán)形腔中，順時針與反時針傳輸?shù)墓庖蚧ハ嗒毩⒍荒苄纬神v波，當插入光隔離器時只存在單方向傳輸?shù)墓猓苑Q作行波腔。

另一類光諧振腔為波導(dǎo)諧振腔。半導(dǎo)體激光器采用介質(zhì)波導(dǎo)腔，其光傳輸區(qū)(有源區(qū))的橫向尺寸與波長可比擬，由于有源區(qū)的折射率高于包圍區(qū)，有源區(qū)內(nèi)的近軸光線將在側(cè)壁發(fā)生全內(nèi)反射，并由波導(dǎo)端面的解理面形成端面反饋，或由生成的光柵形成分布反饋。光纖激光器的光諧振腔也屬介質(zhì)波導(dǎo)腔，尺寸與波長可比擬的纖芯折射率高于包層。氣體波導(dǎo)激光器則采用空心介質(zhì)波導(dǎo)腔，其典型結(jié)構(gòu)是在一段空心介質(zhì)波導(dǎo)管兩端適當位置處放置兩塊適當曲率的反射鏡片。這樣，在空心介質(zhì)波導(dǎo)管內(nèi)，場服從波導(dǎo)管中的傳輸規(guī)律；而在波導(dǎo)管與腔鏡之間的空間中，場按與開腔中類似的規(guī)律傳播。在波導(dǎo)諧振腔中，不能忽略側(cè)面邊界的影響。

本章只討論由兩個球面鏡構(gòu)成的開放式光學諧振腔，因為這類腔是最簡單和最常用的。折疊腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔等比較復(fù)雜的開腔往往可以利用本章的某些結(jié)果或方法來處理。在第八章中將對半導(dǎo)體激光器的介質(zhì)波導(dǎo)腔予以討論。

二、模的概念——腔與模的一般聯(lián)系

無論是閉腔或是開腔，都將對腔內(nèi)的電磁場施以一定的約束。一切被約束在空間有限范圍內(nèi)的電磁場都只能存在于一系列分立的本征狀態(tài)之中，場的每一個本征態(tài)將具有一定的振蕩頻率和一定的空間分布。通常將光學諧振腔內(nèi)可能存在的電磁場的本征態(tài)稱為腔的模式。從光子的觀點來看，激光模式也就是腔內(nèi)可能區(qū)分的光子的狀態(tài)。

腔內(nèi)電磁場的本征態(tài)應(yīng)由麥克斯韋方程組及腔的邊界條件決定。由于不同類型和結(jié)構(gòu)的諧振腔的邊界條件各不相同，因此諧振腔的模式也各不相同。對波導(dǎo)腔，一般可以通過直接求解微分形式的麥克斯韋方程組來決定其模式；而尋求開腔模式的問題則通常從波動光學的衍射理論出發(fā)，歸結(jié)為求解一定類型的積分方程。但不管是閉腔還是開腔。一旦給定了腔的具體結(jié)構(gòu)，則其振蕩模式的特征也就隨之確定下來，這就是腔與模的一般聯(lián)系。因此，光學諧振腔理論也就是激光模式理論。其目的是揭示激光模式的基本特征及其與腔的結(jié)構(gòu)之間的依賴關(guān)系。所謂模的基本特征，指的是：每一個模的電磁場分布、諧振頻率、在腔內(nèi)往返一次經(jīng)受的相對功率損耗、與對應(yīng)的激光束的發(fā)散角。只要知道了腔的參數(shù)，就可以地確定模的上述特征。

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