3.2 光学谐振腔的损耗
第二章 光学谐振腔基本理论
第二章光学谐振腔基本概念 (1) 2.1光学谐振腔 (1) 2.2非稳定谐振腔及特点 (1) 2.3光学谐振腔的损耗 (2) 2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2) 反射镜面的种类对损耗的影响 (2) 腔的结构不同，损耗不同 (2) 第二章光学谐振腔基本概念 2.1光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一，是用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方 向的装置。 光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合，构成各类型光学谐振腔。 光学谐振腔的分类方式很多。按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。虽有工作物质，但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔；而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。 2.2非稳定谐振腔及特点 非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。若R1和R2为两反射镜曲率半径，L为两镜间距离，对于非稳腔则g1，g2：满足g1*g2
光学谐振腔
§9-4 光振荡 一、受激辐射与自发辐射 受激辐射除了吸收过程相矛盾外，还与自发辐射相矛盾，处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态，在这两种过程中，自发辐射往往是主要的，设高低能级的粒子数密度分别为21n n 和，根据（9-7）式和（9-8）式，可得到受激辐射和自发幅射光子数之比。 21 ()u v B R A = （9-24） 如果要使1R >>，则能量密度()u v 必须很大，而在普遍光源中，能量密度()u v 通常是很小的，例如在热平衡条件下，对于发射1m λμ=的热光源来讲，当温度为300K 时1210R -=，由（9-24）式可知，在此情况下，受激辐射光子数比自发辐射光子数少得多，如果要使受激辐射光子数等于自发辐射光子数，即1R =，则此热光源温度就需高达500000K ，可见在一般光源中，自发辐射大大超过了受激辐射。 但是我们可以设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射，不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其它方向传播的光很容易逸出腔外，以致在这一特定方向上超过自发辐射，这样，我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，这种装置叫做光学谐振腔。 二、光学谐振腔 象电子技术中的振荡器一样，要实现光振荡，除了有放大元件以外，还必须具备正反馈系统，在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。 全反射镜 工作物质部分反射镜 （图9－10） 图9-10就是光学谐腔的示意图，在作为放大元件的工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜，它们互相平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。 当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后，就有许多粒子跃迁到激发态去，激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态寿命的时间范围以内会纷纷跳回到基态，而发射出自发辐射光子，这些光子射向四面八方，其中偏离轴向的光子很快就逸出谐振腔外，只有沿着轴向的光子，在谐振腔内受到两端两块反射镜的反射而不致于逸出腔外，这些光子就成为引起受激辐射的外界感应因素，以致产生了轴向的受激辐射，受激辐射发射出来的光子和引起受激辐射的光子有相同的频率，发射方向，偏振状态和位相，他们沿轴线方向不断地往复通过已实现了粒子数反转的工作和振荡，这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增加，而在部分反射镜中输出，这便是激光。
光学谐振腔的分类之一
光学谐振腔的分类之一 腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低：稳定腔、非稳腔、临界腔。 稳定腔：腔内傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。 非稳腔：腔内光线经过有限次往返传播后逸出腔外的谐振腔。 临界腔：能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。 什么样几何形状的谐振腔？共轴球面腔的三个参数：腔镜的曲率半径R 1、R 2、腔长 L 需要满足什么样的条件呢？ 本节讨论光学谐振腔的稳定性条件。 1.共轴球面谐振腔的稳定性条件 光线在球面谐振腔内往返n 次的光学变换矩阵： = 往返n 次后光线的空间位置坐标与方向坐标： 如果在无论n 取多大值、任何值的情况下，An 、Bn 、Cn 和Dn 都是在一定范 围内的有限值，那么 和 就是有限值，只要反射镜的镜面横向尺寸足够大，就可以保证傍轴光线在腔内往返任意次、无限次而不会从侧面逸出。 从M n 的表达式中可以看出，角度 的大小对矩阵中的四个元素An 、Bn 、Cn 和Dn 起着决定性的作用。 和 取值大小，反映的是光线偏离光轴能力的大小，即造成激光几何 损耗的大小。 下面我们就分三种情况对 角的取值加以讨论，并希望能从中寻找出谐振腔的稳定性条件。 n n n n n A B M C D ??=?????? ? ???----???? ???)1sin(sin sin sin )1sin(sin sin 1n n D n C n B n A 1111n n n n n n r A r B C r D θθθ=+?? =+? ?n r n θn r n θ????? ??? ??? - --=+-=-=-=1212121222)21)(21() 11(24)1(221R L R L R L D R R R R L C R L L B R L A
04光学谐振腔
光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成单元，又可以在激光系统中单独作为光波长选择器。 光学谐振腔的振荡模式为腔内光波的频率，相位，振幅等参数呈稳定分布的振荡状态。光场的一种稳定分布状态就是一种振荡模式。 当两个平面镜平行放置如图1.16(a)所示，它们中间为自由空间，光波在两镜1M 和2M 之间反射导致腔内波的相长干涉和相消干涉。从1M 反射向右边传输的波和从2M 反射向左边传输的波发生干涉。结果是在腔内形成一系列驻波，如图1.16(b)所示(就像一震动吉他弦在两固定点间的驻波)。假设镜面是用金属涂覆，镜面处的电场必须为0。要满足上述条件，则谐振腔的腔长L 必然等于半波长2 /λ 的整数倍，即 L m =?? ? ??2λ ,3,2,1=m （1） 对于一个给定的m 值，满足方程的特定波长记为m λ，定义为谐振腔的模式。如图1.16(b)所示。由于光频率为ν、波长为λ，其关系是λ ν/c =，这 些模式的相应频率m ν就是腔的谐振频率。 ()L c v mv L c m f f m 2/;2==?? ? ??=ν （2） f ν 是对应 1 =m (基模)的最低频率，也是两相邻模式的频率间隔，f m m m v v v v =-=?+1。被定义为自由光谱范围（FSR ）。谐振腔的频谱为梳状谱。如 果腔内没有损耗，例如镜面对光全反射，在由方程(2)定义的m v 处的峰是尖锐的线。如果镜不能对光全反射，会有一些光从腔内辐射出去，因此这些模式的峰不是尖锐的，有一定的宽度。很明具有两个镜子的光学腔，只在特定频率用于储存辐射能量，称作F-P 光学谐振腔，又称之F-P 为标准具。 M 1 M 2 υ m m + 1 m - 1 (a ) (b) (c ) 1 Schematic illustration of the Fabry-Perot optical cavity and its properties. (a) Reflected waves interfere. (b) Only standing EM waves, modes, of certain waveleng ths are allowed in the cavity. (c) Intensity vs. frequency for various modes. R is mirror reflectance and lower R means hig her loss from the cavity. ?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
浅谈光学谐振腔
浅谈光学谐振腔 摘要：光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一,是用来加强输出激光的亮度, 调节和选定激光的波长和方向的装置，从真空紫外到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。本文从光的传播矩阵推导了谐振腔的稳定条件和光腔损耗，并解释了横模形成的原因。最后介绍了自由电子激光器谐振腔、微腔和X 射线激光腔。 关键词：激光；谐振腔；自由电子激光腔；微腔 1激光 1.1激光简介 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。激光具有方向性好、单色性好能量集中、相干性好等特点。正因为激光器具备的这些突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破[1]。 1.2激光器的分类 （1）按工作物质分类：根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃）；②气体激光器；③液体激光器；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。 （2）按激励方式分类：①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器； ④核泵浦激光器。 （3）按运转方式分类：由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④可调激光器； ⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器[2]。 （4）按输出波段范围分类：根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种：①远红外激光器；②中红外激光器；③近红外激光器；④可见激光器；⑤近紫外激光器；⑥真空紫外激光器；⑦X射线激光器，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[1]。 1.3激光器的组成 任何一种激光器,其基本结构都可以分为三部分:(1)工作物质,用来产生受 激发射；(2)激励(泵浦)装置,用来激励工作物质以获得粒子数反转；(3)光学共