光学资料谐振腔.ppt

4. 无源腔的纵模线宽 光学谐振腔的描述参量 受激原子有限寿命 频率不再单一 傅立叶变换： 腔内光强 无源腔的线宽,一个纵模的线宽度 腔的损耗越低，Q值越高，光子寿命越长，谐振腔的线宽越窄。需要注意的是，这里的谐振腔线宽是指空腔或无源腔的线宽。 * 光学谐振腔谐振腔 研究谐振腔的目的 正确设计和使用 输出光束特性达到要求 研究方法 几何光学理论 波动光学衍射理论 场振幅 相位分布 谐振频率 衍射损耗 光腔稳定性条件 本征积分方程 光腔的模参数 光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态 从光子的观点来看，腔内可能区分的光子状态 腔的模式（激光的模式） 光学谐振腔理论就是激光模式理论 光学谐振腔 光学谐振腔的构成和作用 光学谐振腔的描述参量 光学谐振腔的稳定性 自再现模——衍射积分方程 平行平面腔的解——迭代法 对称共焦腔的解析解 球面镜稳定腔的等价共焦腔 光学谐振腔 重点： 重要腔型：平行平面腔、对称共焦腔 谐振腔等效腔镜序列：自再现模 模式概念： 纵模、横模 损耗描述参数，及其之间的关系 光束的传播矩阵 难点： 谐振腔对光束的控制作用：横模 损耗与纵模线宽关系 本次课内容 光学谐振腔的构成和作用 一、构成和分类 光学谐振腔的构成和作用 固体介质波导腔（半导体、光纤常用） 开放式谐振腔 气体空心波导腔（气体激光器） 平行平面腔（F-P腔） 两个共轴球面镜 折叠腔 环形腔 复合腔等 常用谐振腔 激光器中常见的谐振腔形式 平行平面腔 双凹球面镜腔 平凹腔 R=2L时半共焦腔 凸凹腔与双凸腔 (R1+R2)/2=L 共焦腔 R1=R2=L 对称共焦腔 R1+R2=L 共心腔 光学谐振腔的构成和作用 二、光学谐振腔的作用谐振腔 反哺 维持振荡 遗传前振荡特征 1、提供光学正反馈 影响反馈的因素： 反射镜的组合方式 反射镜的反射率 反射镜的几何形状 光学谐振腔的构成和作用 控制光束横向分布特性、谐振频率及光束发散角等； 控制损耗 提供离散模式 集中光子在几个模式中，提高光子简并度； 增益一定，控制激光输出 2、控制振荡光束 光学谐振腔的构成和作用 光学谐振腔的描述参量 光学谐振腔的稳定性 自再现模——衍射积分方程 平行平面腔的解——迭代法 共焦腔的解析解 球面镜稳定腔的等价共焦腔 光学谐振腔 模式 纵模 横模 损耗 单程损耗 光子寿命 品质因子 纵模线宽 光学谐振腔的描述参量 一、模式 可以分为纵模和横模 1.驻波条件 往返传播驻波 相长干涉的条件 一个往返所产生的相位差 光学谐振腔的描述参量 驻波的波节数由q决定 腔内稳定场分布为确定的激光纵模 q为纵模序数 往返光程 腔长 半波 频率 则 光学谐振腔的描述参量 腔轴线方向须形成驻波 2. 纵模 波长 ?光学谐振腔的尺寸 波长 ?纵模的序数q的数量级一般为 有多少纵模？ 不同纵模，不同场频率；对应着不同波长?q 谐振频率 光学谐振腔的描述参量 相邻纵模的频率差（常量） F-P腔的频谱 L越小，纵模间隔越大 由标准具方程也可得出相同的结果。 相邻纵模的波长差还是常量吗？ 例如：L=800nm, η=1, 则 q=1时, 对应λ1 = 1600nm, υ1= 1.875×1014 Hz ; q=2, λ2 = 800nm, υ2= 3.75×1014 Hz ; q=3, λ3 = 533nm, υ3= 5.625×1014 Hz ; 注意：△υ=c/2ηL; υ32= υ21= 1.875×1014 光学谐振腔的描述参量 800 1600 0 λnm 荧光光谱 533 1、L=10 cm 的气体激光器 2、L=100 cm 的气体激光器（h＝1） 3、L=10 cm 的红宝石激光器（h＝1.76） 腔长L越大，折射率越大，纵模越密 光学谐振腔的描述参量 （1）工作原子自发辐射的荧光线宽 （2）激光器的腔长 在谱线内，满足增益阈值条件的那些纵模频率才能形成激光 激光输出的纵模数？ 影响纵模数的因素： 光学谐振腔的描述参量 激活介质，有什么影响？ 模式 纵模 横模 损耗 单程损耗 光子寿命 品质因子 纵模线宽 光学谐振腔的描述参量 光学谐振腔的描述参量 3. 横模 方形镜 圆形镜 垂直于传播方向的稳定场分布，称为横模。 损耗影响！ 形状巧合？ 光学谐振腔的描述参量 损耗小 有光来 偏折损耗 衍射损耗 等效腔镜序列 横模、纵模 光学谐振腔的描述参量 各模斑上各点的偏振、相位相同 m，n表示x方向、y方向(方镜) 或径、角向(圆)节线 TEMmnq 基横模空间相干性最好 模式 纵模 横模 损耗 损耗机