什么时候装得下 Gaussian 模
L 是镜间距,R_i 是第 i 面镜子的曲率半径,凹面取正。超出这个范围,贴着光轴的光线会走出镜面。
光学 104 · 光腔设计
两面镜子的曲率和间距怎样选,光腔才稳定,并以基横模为主? 两面镜子的 g 参数相乘,结果在零和一之间,腔就是稳定的;每个 g 等于一减去腔长与该镜曲率半径之比。在这个范围内,Gaussian 光束来回反射多少趟都不会散出腔外。再加一个大小合适的光阑,更宽的高阶横模损耗更大,留下的就是基横模。
先选好两面镜子的曲率和间距,让 Gaussian 模装得下,再把光阑开到只剩基横模。在相机上看高阶横模逐渐消失。
物理教程
背景光在两面弯曲的镜子之间来回反射,要么稳定成形状固定的光束,要么慢慢走出镜面。决定是哪一种的是镜子本身;光阑再决定有几种光束形状能一直留下来。
为什么值得理解记录从十五个功率相同的横模出发,跟踪它们走过很多次往返。输出镜后面的相机上,混合光斑要么收缩成一个圆斑,要么一直是一团模糊。
先抓重点
L 是镜间距,R_i 是第 i 面镜子的曲率半径,凹面取正。超出这个范围,贴着光轴的光线会走出镜面。
lambda 是波长。乘积趋近一时,也就是稳定区的平面端和共心端,两个半径都会无限变大。
接近共心时,束腰缩成一个极小的焦点,镜面上的光斑却在变大。
输出镜倾斜 theta_2,它的曲率中心随之移动,光轴总是连接两个曲率中心。Delta x_1 是后镜上的平移,Delta x_2 是光阑处的平移。
圆光阑半径为 a、中心对准模式时,这是每次往返中未变形模式落在光阑外的功率。
种子相同、各模式增益也相同时,每次往返只是把每个模式乘上它自己的透过率。损耗差百分之三,一百次往返后占比就缩小约二十倍。
q 数的是沿光轴的半波长个数,N 是横模阶数,正负号跟 g 的符号一致。不同阶的模式频率不同,所以相机上是它们的强度相加。
容易误解只要稳定性乘积在零和一之间,光腔的损耗就低。
正确理解稳定只说明 Gaussian 模装得下。损耗取决于镜子和光阑与模式尺寸相比有多大,而模式在稳定区两端都会变大。
容易误解光阑收得越小,基横模越干净。
正确理解光阑小到约一个光斑半径以下,连基横模也会被削,激光要多得多的增益才能运转。最好的光阑几乎不碰基横模,只削更宽的模式。
容易误解两面平面镜或近平面镜组成的腔最简单,也最宽容。
正确理解在平面端附近,模式很大,一点点倾斜造成的光轴平移比曲面镜腔大好几倍,对准就变得很关键。
保持默认预设“光阑匹配:基横模胜出”,看完一次回放。
你会看到: 相机一开始是十五个横模叠成的一大团模糊。几十次往返之内,它收缩成一个圆斑,腔内的光束也跟着变细。加载“光阑全开:横模全都留下”。
你会看到: 没有哪个模式有可测的损耗,十五个模式一直平分功率,相机画面始终不清晰。加载“光阑太小:基横模也被削”。
你会看到: 基横模几次往返就胜出,但它每次要损失将近五分之一的功率,这些得靠增益补回来。加载“近平面镜:一点倾斜就让模式走偏”,再把倾角滑块拖回零。
你会看到: 六十微弧度就让光轴移动约半个光斑半径,基横模损耗从不到百分之一升到百分之三。同样的倾斜,默认的腔几乎没有反应。从默认状态出发,把输出镜曲率半径拖到 30 cm 的腔长以下。
你会看到: 两个 g 变成一正一负,乘积小于零。光束消失了,一条离轴光线反射几次就走出镜面。继续探索
稳定腔能把光留在腔里,那么由什么决定最终长起来的是哪种空间图样?
探针与测量 · 阅读路径
这条阅读路径里用到本实验的文章,后面跟着它们推荐的其他实验。