第二章激光谐振腔技术选模及稳频技术

《第二章激光谐振腔技术选模及稳频技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章激光谐振腔技术、选模及稳频技术任课教师：左青卉《光电子技术基础》本章内容提要激光谐振腔设计基础激光模式及选模技术激光纵模及选频、稳频技术激光谐振腔技术、选模及稳频技术激光谐振腔技术、选模及稳频技术激光谐振腔设计基础光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一与微波腔相比，光频腔的主要特点是：侧面敞开以抑制振荡模式，轴向尺寸远大于光波长和腔的横向尺寸。从理论上分析时，通常认为其侧面没有边界，因此，将其称为开放式光学谐振腔。图2-1开放式光学谐振腔结构激光谐振腔技术、选模及稳频技术激光谐振腔设计基础本章中只研究无源谐振腔，即无激活介质存

2、在的腔。虽然处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔(又称激活腔或主动腔)，但理论和实践表明，对于中、低增益的激光器，无源腔的模式理论可以作为有源腔模式的良好近似。对于高增益激光器，适当加以修正也是适用的。无源谐振腔指虽有激光工作物质，但未被激发，从而无放大作用的激光器谐振腔。有源谐振腔经过激发有放大作用的激光器谐振腔。光学谐振腔的作用主要有两方面:（1）提供轴向光波模的光学正反馈；通过谐振腔镜面的反射，轴向光波模可在腔内往返传播，多次通过激活介质而得到受激辐射放大，从而在腔内建立和维持稳定的自激振荡。光腔的这种光学反馈作用主

3、要取决于腔镜的反射率、几何形状以及之间的组合方式。这些因素的改变将引起光学反馈作用的变化，即引起腔内光波模损耗的变化。（2）产生对振荡光束的控制作用由于激光模式的特性由光腔结构决定，因此，可通过改变腔参数实现对光波模特性的控制。通过对腔的适当设计以及采取特殊的选模措施，可有效控制腔内实际振荡的模式数目，使大量光子集中在少数几个状态中，从而提高光子简并度，获得单色性和方向性好的相干光。通过调节腔的几何参数可直接控制激光模的横向分布特性、光斑半径、谐振频率以及远场发散角等。光学谐振腔的作用激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗光学谐振腔一方面具有

4、光学正反馈作用，另一方面也存在各种损耗。损耗的大小是评价谐振腔质量的一个重要指标，决定了激光振荡的阈值和激光的输出能量。一、损耗及其描述（1）几何偏折损耗光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸。（2）衍射损耗从波动光学观点来看，由于腔反射镜面几何尺寸是有限的，光波在腔内往返传播时必然因腔镜边缘的衍射效应而产生损耗。如果在腔内插入其他光学元件，还应当考虑其边缘或孔径的衍射引起的损耗。通常将这类损耗称为衍射损耗，其大小与腔的菲涅耳数、腔的几何参数以及横模阶数等有关。激光谐

5、振腔设计基础（3）腔镜反射不完全引起的损耗激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗这部分损耗包括镜中的吸收、散射及镜的透射损耗。通常光腔至少有一个反射镜是部分透射的，有时透射率可能很高（如某些固体激光器的输出镜透射率可以＞50％），另一个反射镜即通常所称的“全反射”镜，其反射率也不可能做到100％。（4）材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物（如布儒斯特镜，调Q元件、调制器等)所引起的损耗等。上述（1）、（2）两种损耗又常称为选择损耗，不同模式的几何损耗与衍射损耗各不相同。（3）、（4）两种损耗称为非选择损耗，通常情况下它们对各个模式大体一样。不

6、论损耗的起源如何，均可用“平均单程功率损耗率”又称称单程损耗因子)δ来定量描述。该因子的定义为：如果初始光强为I0，在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1则：如果损耗是由多种因素引起的，每一种原因引起的损耗以相应的损耗因子δi描述，则有：激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗显然，当损耗很小时，这样定义的单程损耗因子δ′与前面定义的指数损耗因子δ是一致的一、平均单程功率损耗率以r1和r2分别表示腔的两个镜面的反射率(即功率反射系数)，则初始强度为I0的光，在腔内经两个镜面反射往返一周后，其强度I1应为激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗常见损耗举

7、例:（1）由镜反射不完全所引起的损耗按δ的定义，对由镜面反射不完全所引入的损耗因子δ1，应有因此：当r1≈r2≈1时激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗（2）衍射损耗由衍射引起的损耗随腔的类型、具体几何尺寸及振荡模式而不同，是一个很复杂的问题。这里只就均匀平面波在平面孔径上的Fraunhofer衍射对腔的损耗作一粗略的估计。图2-2Fraunhofer衍射示意图激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗如果忽略掉第一暗环以外的光，并假设在中央亮斑内光强均匀分布，则射到第二个孔径以外的光能与总光能之比应等于该孔阑被中央亮斑所照亮的孔外面积与总面积之比

8、，即：描述由衍射所引起的单程能量相对损耗百分数δd′,当衍射损耗不太大时，应与平均单程指数损耗因子δd，相等激光谐振腔设计基础光学谐振腔的损耗N称为腔的菲涅耳数，即从一个镜面中心看到另一个镜面