第二章+谐振腔.ppt

1、工作物质激发能光学谐振腔是实现工作物质能级之间的集成数(粒子数)反转，形成激光的内在依据，使激发放射的光在腔内维持振荡，是形成激光的外部条件。 作用：选择入射光的频率、方向，提供光学正反馈，产生亮度高、方向性极好、单色性极好的激光。 即，输出光束的特性：频率、方向、偏振光及空间分布由谐振器室决定。 激光原理和技术、(第二章)、第二章光谐振器、2.1光学谐振腔结构和作用、光学谐振腔结构、最简单的光学谐振腔是将活性介质两端镀有高反射率的两个反射镜适当放置而构成。 物理与电子工程学学院、光学谐振腔构成、激光原理与技术、(第二章)、光学谐振腔种类、谐振器的开放度：闭合、瓦斯气体波导腔镜形状、球面腔与非

2、球面腔、端面反射腔与分布反馈腔镜的多寡、两镜腔与多镜腔以下平行平面腔、球面镜腔、环形腔、光纤腔、激光原理和技术，(第二章)、开腔，最初提出的平行平面腔(F-P腔)，在用两片共轴球面镜组成的谐振腔理论分析这些个腔时简称开腔(气体激光器和一些固体激光器具有开腔特性)很重要， 闭腔、固体激光器的工作物质(折光率、全内反射)如果腔的反射镜紧贴在激光棒的两端，在理论上分析这样的腔时，就应该将这样的光学谐振腔当作介质体腔：侧面有光学边界、物理和电子工程学学院、谐振器的激光原理和技术、(第二章)、瓦斯气体波导管空洞(半封闭空洞)、 另一种光学腔是瓦斯气体波导激光谐振器，其典型的结构是将反射镜放置在空心介电质

3、波导两端的适当位置。 因此，在空腔介电质波导中，场遵循波导中的传播规则，而在波导与空腔反射镜之间的空间中，场遵循与空腔内的类似的规则进行传播。 激光半导体和瓦斯气体波导激光器，物理和电子工程学学院，激光原理和技术，(第二章)观察腔内是否存在稳定振荡的高斯光束，稳定腔，非稳定腔和临界腔，物理和电子工程学学院，开口通常分为(光束的稳定性)，定义稳定腔，不稳定腔喀呖声以定义不稳定的型腔：光在型腔内多次反射后，最终离开型腔的型腔称为不稳定型腔。 光在室内传播，很少飞出谐振器。 图(2)和(3)所示的光在腔室内前进的是闭合回路，可以在腔室内往复传播形成振动。 光很少射出室外，所以稳定室的损失很小。 还有

4、其他几种形式的稳定空洞，请不要介绍。 稳定腔、激光原理和技术，(第二章)、平行平面腔由两片距离为l且平行放置的平面反射镜构成。 *双凹球面反射镜空洞：由2片距离为l、曲率半径分别为R1和R2的凹球面反射镜构成的物理电子工程学学院，非共焦点型腔： *除上述2种情况外，*平面镜型腔(简称为平面镜)由1片平面镜和1片凹面镜平行配置(2)非共焦点级腔：如图所示，两个反射镜的距离等于凹面镜的曲率半径的一半、激光原理和技术、(第二章)、典型的激光谐振腔、激光模式在腔内扩展的空间范围。 模式体积，谐振腔选择：模式体积大，有助于该模式振动的激发态粒子数多，可以得到大的输出，衍射损耗模式体积腔镜面安装，物理电子

5、工程学学院，激光原理和技术，(第二章)，平行平面腔结构图，平行平面腔， 平行平面腔的优势，1 )模体积大，2 )腔内激光照射没有聚焦现象，平行平面腔的劣势，1，激光原理和技术，(第二章)，同心球面腔、同心球面腔结构图，同心球面腔主要应用于连续工作的染料激光器泵激光器，同心球面腔的优势：同心球面腔的共焦谐振器的示意图、共焦谐振器一般应用于连续工作的激光，共焦谐振器的性能位于平行平面谐振器与球面谐振器之间，其特点如下：1)镜面易安装，易调节；2 )低衍射损耗；3 )腔内无过高的辐射聚焦现象；4 ) 模体积适度的物理和电子工程学学院、激光原理和技术、(第二章)、长半径球面谐振器的示意图、长半径球面谐

6、振器适合连续工作的激光，长半径球面谐振器的性能位于共焦谐振器与球面谐振器之间，其特点如下： (1)中等衍射损耗2 )安装调整容易3 ) 大型体积4 )腔内无高光辐射聚焦现象的长半径球面腔、物理与电子工程学学院、激光原理与技术，(第二章)、半球型谐振器、半球型谐振器主要应用于低功率氦氖激光器，半球型谐振器的特点：易于安装调整、衍射损耗低、成本低、半球型谐振器、 物理与电子工程学学院大部分情况下，R1 2L，平凹稳定腔的特点：体积大价格优势，平凹稳定腔，物理与电子工程学学院，激光原理与技术，(第二章)，连续高功率二氧化碳激光不稳定腔，不稳定腔，物理与电子工程学学院， 激光原理和技术1 .提供光正反

7、馈作用：谐振器的两个反射镜使活化介质中产生的辐射能多次通过工作介质，当感应辐射的增益超过损耗时，辐射光在腔内放大，建立并维持自激振荡。 影响谐振器光学反馈作用的两个因素：构成谐振器的两个反射镜面的反射率反射镜的几何图形及其组合。 需要指出的是，物理电子工程学学院在对活化介质具有高一盏茶增益的情况下，可以获得激光而不需要反射镜。 我们称之为超辐射，对于这种低增益的激活介质，利用空洞的正反馈作用，只要使辐射光多次通过增益介质，就可以不断得到激发放大，形成激光。 激光的原理和技术，(2章)主要表现为腔内振荡光束的方向和频率的限制、选择作用。 通过更改腔的残奥仪表(如反射镜、几何图形、曲率半径、镜面反

8、射率和放置)来控制激光束。 物理和电子工程学学院、激光束的特性与空洞结构密切相关。2 .产生振荡光束的控制作用(选择)，研究光学谐振腔的目的，了解谐振器的特性，由此正确设定和使用激光器的谐振器，满足激光器的输出光束特性应用的要求的激光器原理和技术，(第二章)，是具有一定边界条件的谐振器内只存在一系列单独的电磁场的光学谐振腔的桃子光学谐振腔的模式有：纵向模式和横向模式、2.2光学谐振腔模式(波型)、物理和电子工程学学院、激光原理和技术、(第二章)、谐振条件和驻波条件、平行平面腔中平面波的往返传播、为了在腔内形成稳定振动，光波被要求的相长干扰作用条件：物理电子工程学学院、 激光原理和技术、(第二章

9、)、驻波条件：谐振频率3360、光腔中的驻波、物理电子工程学学院、谐振条件、等效条件、对应于激光中满足谐振条件的不同纵向模式的激光的纵向模式(轴模式) 由整数q表示的腔内垂直稳定场分布整数q被称作垂直模式的序数，其中驻波系数可以表示在腔的轴线上的零场强度的数目，腔中q阶垂直模式的频率是基本垂直模式频率的整数倍(q倍)，q阶垂直模式的频率可以表示为：垂直模式的频率(第二章)； 激光谐振腔内可能存在的纵向模式示意图，腔的纵向模式在频率尺度上等距离排列，形成物理和电子工程学学院，激光原理和技术，(第二章)，激光振荡条件：满足谐振条件，满足阈值条件，工作物质原子荧光宽度范围内的频率成分， 物理和电子工

10、程学学院激光腔的长度越大，邻接的纵向模式的频率间隔越小，容纳在同一荧光色光谱线宽内的纵向模式数越多。 激光出现的纵组件、物理与电子工程学学院、激光原理与技术、(第二章)、激光谐振器内的低阶纵模分布示意图、物理与电子工程学学院、次数越低对应的波长越长、频率越低激光原理与技术、(第二章)。对于方形反射镜，m表示x方向的节线数，n表示y方向的节线数，对于圆形反射镜，p表示径向线节距线数即暗环数，l表示角节距线数即暗直径数、横向模式(横向X-Y面内的稳定场分布)、基本模式(横向单人模式):m=n=0， 将其他横模称为高次横模、间距数(第二章)，球形反射镜的横模图像、物理电子工程学学院、p是径向线间距线

11、数即暗环数，l是角间距线数即暗直径数，激光原理和技术，(第二章)，横模电场分布和强度图像激光原理和技术，(第二章)，TEM11，激光谐振器内电场横模分布示意图，物理和电子工程学学院，激光原理和技术，(第二章)，激光多横模振荡示意图，物理和电子工程学学院，激光原理和技术，(第二章)。 虽然镜边缘的衍射效应导致损耗，但是经过一盏茶的多次往返传播，在腔内形成稳定场，其相对分布不受衍射的影响。 物理与电子工程学学院、激光原理与技术(第二章)、自再生模式：在开镜上，一次往返可再生的稳定场分布称为开腔自再生模式或自再生模式的形成、物理与电子工程学学院、激光原理与技术、(第二章)、激光模式的测量方法、 横模

12、测量方法：将光屏置于光路中拍摄摄影图片的小孔或刀口的扫描方法得到激光束的强度分布，确定激光横模的分布形状纵模的测量方法：法布里-珀罗F-P扫描干扰作用校正测量，实验中球面扫描干扰作用校正，物理与电子工程学学院，激光原理与技术(第2.3利用光学谐振腔损耗、品质因子和线宽、光学谐振腔损耗的损耗大小是做评估谐振器的重要指标，在激光振荡中，光学谐振腔损耗决定了振荡阈值和激光输出能量，也是谐振器理论的重要研究课题，包括物理和电子工程学学院、激光原理和技术，(第二章)、(1) 几何损耗：决定光线在谐振腔内往返时可能来自谐振腔的尺寸的因素：腔的类型和几何尺寸横模的高低次(2)衍射损耗：腔镜的边缘、插入光学元

13、件的边缘、孔径和光圈的衍射效应引起的损耗。 决定其大小的主要因素是腔的菲涅耳透镜函数关系、腔的几何残奥仪表关系、卧式的次数关系。 (模的阶数越高，衍射损耗越大，基模的衍射损耗越小。 物理电子工程学学院、激光原理和技术、(第二章)、平均单程损失系数、(3)腔镜的不完全反射造成的损失包括镜的吸收、散射和镜的透射损失。 反射镜的透射损失与输出反射镜的透射率t有关。 (4)材料中的非活性吸收散射、腔内插入物造成的损失。 激光通过腔内的光学元件和反射镜产生的非活性吸收、散射引起的损失、物理和电子工程学学院、各种损失的补正、衍射损失、透射损失(输出损失):反射镜透过光引起的损失、吸收损失、激光原理和技术、

14、(第2章)、光子的人口平均预期寿命(第2章)无源空洞的品质因子(证明P61 )、 质量系数q的定义：物理和电子工程学学院，激光原理和技术，(第二章)，被动腔线宽，腔质量系数品质因子是测量腔质量的重要物理量，表现出腔的储藏和损失特征。总之，腔的平均单程损耗系数、光子寿命、腔的质量系数这3个物理量之间存在关联，腔的平均单程损耗系数越小，光子寿命越长，腔的质量系数越高。 物理电子工程学学院，工作，工作，激光原理和技术，(第二章)，几何光学分析方法：用沉积基质法处理光腔内光线的传播，腔的稳定性，谐振腔的分类等。 衍射理论分析方法：基于菲涅耳基尔霍夫衍射积分和模式再现的概念，研究谐振腔模式的形式、解的存在、模式图案、衍射损耗等. 物理和电子工程学学院，2.4几何光学分析方法研究光学谐振腔的稳定条件，激光原理和技术，(第二章)，光学谐振腔的几何光学分析，分析对象：菲涅耳数大(如100左右)，衍射损失小的光学谐振腔，光线传播矩阵，光线自由空间或光学系统中距光线轴的距离x(z ) 以及光线与轴的夹角e、沉积基质表示：这些个两个残奥仪表构成一个阵列，代表光线的传播，各种光学元件或光学系统对光线的变换作用可以用一个两行两列的正方矩阵表示，变换后的光线残奥仪表可以用正方矩阵和积