第二章光学谐振腔..ppt

2009 湖北工大理学院 激光原理 福建师范大学物光学院 陈建新 第二章 光学谐振腔 光学谐振腔的构成和作用 光学谐振腔的模式 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽 光学谐振腔的几何光学分析 光学谐振腔的衍射理论分析 平行平面腔的Fox-Li数值迭代法 稳定球面镜共焦腔 一般稳定球面镜腔及等价共焦腔 非稳定谐振腔 选模技术 第一节 光学谐振腔的构成 光学谐振腔的种类 谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔 开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、非稳定腔 反射镜形状，球面腔与非球面腔，端面反射腔与分布反馈腔 反射镜的多少，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔 闭腔、开腔、气体波导腔 稳定腔和非稳定腔 由两块相距为L、平行放置的平面反射镜构成 第一节 光学谐振腔的作用 1. 提供光学正反馈作用 ： 使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。 影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素： 组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。 研究光学谐振腔的目的 通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的要求 第二节 光学谐振腔的模式(波型) 在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征态之中，场的每种本征态将具有一定的振荡频率和空间分布。 光学谐振腔的模式: 谐振腔内可能存在的电磁场本征态。 模式与腔的结构之间具有依赖关系 光学谐振腔的模式分为：纵模和横模 谐振条件和驻波条件 驻波的定义：二振幅相同的相干波，在同一直线上反向传播时迭加的结果称为驻波。 纵模-纵向的稳定场分布 激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布 整数q称为纵模的序数，驻波系统在腔的轴线上零场强度的数目 腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的 单频激光器和多模激光器 L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器 激光器中出现的纵模数 工作原子自发辐射的荧光线宽越大，可能出现的纵模数越多。 激光器腔长越大，相邻纵模的频率间隔越小，同样的荧光谱线线宽内可以容纳的纵模数越多。 激光谐振腔内低阶纵模分布示意图 激光纵模分布示意图 横模-横向X-Y面内的稳定场分布 横模电场分布及强度示意图 激光谐振腔内电场横模分布示意图 激光谐振腔内电场横模分布示意图 激光多横模振荡示意图 横模(自再现模)的形成 激光模式的测量方法 横模的测量方法：在光路中放置一个光屏；拍照；小孔或刀口扫描方法获得激光束的强度分布，确定激光横模的分布形状 纵模的测量方法：法卜里－珀洛F-P扫描干涉仪测量，实验中利用球面扫描干涉仪 纵模的测量方法：球面扫描干涉仪测量 球面扫描干涉仪 小结：光学谐振腔的构成、分类、作用和模式 例 1 He-Ne 激光器谐振腔长50 cm，激射波长 632.8nm，荧光光谱线宽为： 求：纵模频率间隔，谐振腔内的纵模序数及形成激光振荡的纵模数； 例：相邻纵模的波长差异 已知：He-Ne激光器谐振腔长50 [cm]，若模式m的波长为 632.8 [nm]；计算：纵模 m+1 的波长； 解答： 例：相邻纵模的波长差异 由： 故：lm = 632.8000 [nm] ,? lm+1 = 632.7996 [nm] 相邻纵模的波长差：lm - lm+1 =4*10-13 [m] 则有： * * 光学谐振腔的构成 最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。 常用的基本概念： 光轴：光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。 闭腔 开腔 气体波导腔 固体激光器的工作物质通常具有比较高的折射率，因此在侧壁上将发生大量的全反射。如果腔的反射镜紧贴激光棒的两端，则在理论上分析这类腔时，应作为介质腔来处理。半导体激光器是一种真正的介质波导腔。这类光学谐振腔称为闭腔 这是激光技术历史上最早提出的平行平面腔（F-P腔）。后来又广泛采用了由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔。从理论上分析这些腔时，通常认为侧面没有光学边界，因此将这类谐振腔称为开放式光学谐振腔，简称开腔 另一类光腔为气体波导激光谐振腔，其典型结构是一段空心介质波导管两端适当位置放置反射镜。这样，在空心介质波导管内