稳定腔的激光器所发出的激光，将以高斯光束的形式在空间传输。共焦腔中产生的光束具有特殊的结构。它既不同于点光源所发射的球面波，又不同于普通平行光束的平面波，而是一种特殊的高斯光束（亦 称高斯球面波）。下面重点介绍共焦腔中高斯光束的特性与参数。 lYS*{i1^ '
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一、期模高斯光束 l OiZ2_2
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由波动光学理论可以证明沿某一方向（设为z轴）传播的高斯光束的电矢量表示式为： 1 0^FfwRfM
& l0LW,Bx
e00(xyz)=(a0/w(z))e-(r2/w2(z)e-i[k(z +r2/2r(z)-ф(z)]（18－9） 式中a0为常数因子。 !\!j?z=O8
US\h,J\Ju
a0/w(z)是z轴上(x=0,y=0)各点的电矢量振幅。w(z)称为z点的光斑尺寸，它是z的函数： slaH 2}$xR
w(z)=w0[1+(zλ/πw02)2]1/2 （18－10） ~~q>]4>
3sp-0tUE
w0是z＝0处的w(z)值，它是高斯光束的一个特征参数，称最小光斑尺寸，也称为光束的“腰 粗”。r(z)是在z处波阵面的曲率半径，是z的函数： j<)`|?@e(
0cq<!{ d
r(z)=z[1+(πw0?2/λz)2] （18－11） J3$@: S'
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ф(z)是与z有关的位相因子： -t: U4r(
ф(z)=tg-1λz/πw02 （18－12） F>eo.|'
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二、高斯光束的特点 8vQR'<,
A=wG};%_
1．z＝0处的情况。将z＝0代入式（18－11） 则有limr(z)=∞ 所以有 r2/2r(z)=0 又由（18－12）式 ф＝0 y-{? 0mLq
ZS[Ut
所以有e(x,y,0)=(a0/w0)e(r2/w2（18－13） HSVl$66
lIPz "
（18－13）式说明，光波电矢量的振幅分布是高斯函数，通常就称振幅的这种分布为高斯分布。当r=0（即光斑中心）处振幅a有最大值 即a（000）=a0/w0 当r=w0时有 T3@34} *
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a(r,0)=1/ea0/w0=1/ea(0,0,0) hii#kB2
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即电矢量振幅下降到极大值1/e；而当r继续增大时，e值继续下降而趋向于零。可见光斑中心最亮，向外逐渐减弱。所以通常以电矢量振幅下降到中心值1/e（或光强为中心值的1/e2）处的光斑半径w0作为光斑大小的量度，称“腰粗”。 :*s@ L2D6
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从上述分析可知，高斯光束在光腰处波阵面是一平面。这一点与平面波相同，但光强分布是一种特殊的高斯分布。这一点又不同于通常讨论的均匀平面波。也正由于这一点差别，决定了它沿z方向传播时不再保持平面波特性，而是以高斯球面波的特殊形式传播。 z\$( @:{A
)iFXa<5h
2．z＞0处情况。（18－9）式高斯光束电矢量表示式表明其等相面为球面。其球面的曲率半径，从（18－11）式，有 a'A<'(yv
r(z)=z[1+(πw02/λz)2]＞z 45&Rl,2
/ }*}r
即波阵面的曲率半径大于z，且r(z)随z而异，也就是作为波阵面的球面的曲率中心不在原点。 sKk+^.K}|
其电矢量的振幅分布为： ^PUB~P /
a(x,y,z)=a0/w(z)e-r2/w2(z) （18－14） _fSBb<
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（18－14）式仍为高斯分布，即中心最强，同时按高斯函数形式向外逐渐减弱。但此时光斑尺寸为： (T%Ue2zlY
w(z)=w0[1+(zλ/πw02)2]1/2＞w0 $9@AwS@Uu
P3nBxw"
3．光束发散角。从式（18－11）可见，高斯光束的光斑尺寸w(z)，随z增大而加大，表示光束逐渐发散，通常以发散角2θ来描述光束的发散度。其表示为： s+(@ UUl
2θ=2dw(z)/dz=2λ2z/πw0[π2w04+λ2z2]-1/2 （18－15） ,T$ GOjt
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当z＝0时（束腰处） 2θ＝0br> 当z=πw02/λ时，2θ＝21/2λ/πw0 iB` EJftI!
当z→∞时，2θ＝2λ／πw0 （18－16） z#1"0Ks&P
称其为远场发散角。通常把z值从零到z=πw02/λ这段距离称为高斯光束的准直距离。在此区间内光束发散度很小。 )?pnV":2Y
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三、共焦腔中的高斯高光束 nxNHf3
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高斯光束当z1=πw02/λ时，波阵面的曲率半径可由式（18－1）算得： =T\=,B
r(z1)=z1[1+(πw02/λz1)]=2z1 （18－17） _EJP I
M8/: PmR<
如我们在z=±z1处各放一凹球镜组成谐振腔，其曲率半径ra和rb为： +( y 8q
ra＝rb＝r（z1）=2z1 N9*: ]a
vPc*x5w-
这两镜构成腔长l＝2z1＝ra＝rb的共焦腔。因腰粗w0的高斯光束在z1处波阵面的曲率半径与镜面的曲率半径rb（或ra）相等，即波阵面与镜面相重，所以腰为w0的高斯光束，在腔长l为： ]k'^yc{5
l=2z1=2πw02/λ（18－18） _3< P(w{
H8g%h}6h
的共焦腔中来回反射能保持其特性不变，说明该共焦腔中可以产生腰粗wπw0的高斯光束。从（18－18）式算得腔长为l的共焦腔对应的高斯光束的参数为： jw`05rw:
腰粗： w0=(λl/2π)1/2 （18－19） a=`]
L`|N
镜面上的光斑尺寸：wa=wb(λl/π)1/2 （18－20） w )B ?j
发散角（远场）：2θ=2(2λ/π)1/2 （18－21） sN2m?`?"G
可见共焦腔中高斯光束特性完全由腔长决定。 BC\W`K
例：若有腔长l＝150cm的氩离子激光器，采用共焦腔结构，则在基模工作时，对λ=514.5nm的激光光束将有下述参数： WIuYSt)h
腰粗：w0=(λl/2π)1/2=0.35mm r-yUWIr
S
发散角：2θ=2(2λ/π)1/2=0/9×10-3rad *,IK4F6>:
镜面上的光斑尺寸：wa=(λl/π)1/2=0.49mm
