《光学谐振腔理论》PPT课件

《《光学谐振腔理论》PPT课件》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、第二章光学谐振腔理论§2.1激光振荡条件了解光波模式的基本概念，掌握激光振荡的增益条件和光学正反馈条件。§2.2开放光学球面谐振腔的稳定性掌握稳定性判别原理和方法。§2.3光学谐振腔的损耗掌握光学谐振腔几种损耗术语与概念。§2.4开放谐振腔模式衍射理论了解衍射积分理论，掌握基模参数的计算公式，熟悉高阶模的特点。§2.5一般球面稳定腔模式§2.6非稳腔掌握共轭像点的计算方法，了解损耗的计算方法。本章大纲激光产生的三个前提条件（激光器的基本结构）激光工作物质：其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构，

2、能够实现粒子数反转，产生受激光放大激励源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数，使激光上下能级之间产生集居数反转光学谐振腔：使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡，提高光能密度光学谐振腔的结构：在增益介质的两端各加一块反射镜M1、M2。其中一块为全反射镜；另一块为部分反射镜（反射率接近于1）。放大的条件：光在腔内往返一次时放大的量大于损耗的量光学谐振腔的作用：延长增益介质作用长度;控制光束传播方向;选频（激光技术部分会讲）M1M2受激光在谐振腔中的放大2.1光学谐振腔概论1）光波模式

3、光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态称为腔的模式腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。同一模式内的光子，具有完全相同的状态（如频率、偏振等）。腔内电磁场的本征态（模式）由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。一旦给定了腔的具体结构，则其中振荡模的特征也就随之确定下来——腔与模的一般联系。麦克斯韦方程的本征解的电场分量2.1光学谐振腔概论一个模式在波矢空间中占有体积模式密度z方向开放两维矩形谐振腔y方向或x方向限制去掉，一维谐振腔，F-P结构，模式密度将变为一个常数——光学谐振腔相邻两个模式波矢之间的间距2.1光学谐振腔概

4、论开腔中的振荡模式以TEMmnq表征。TEM表示纵向电场为零的横电磁波，m、n、q为正整数，其中q为纵模指数，m、n为横模指数。模的纵向电磁场分布由纵模指数表征，横向电磁场分布与横模指数有关。m与n为零的模称作基模，m>=1或n>=1的模称作高阶模。一个完整的模式不但有确定的横向分布，而且沿纵向形成驻波（驻波型谐振腔）。横模与纵模体现了电磁场模式的两个方面。2.1光学谐振腔概论L'一定的谐振腔只对一定频率的光波才能提供正反馈，使之谐振；F-P腔的谐振频率是分立的谐振腔内只能存在满足以下条件的光场：经腔内往返一周再回到

5、原来位置时，与初始出发波同相（即相差是2的整数倍——相长干涉2.1光学谐振腔概论腔光学长度为半波长的整数倍（驻波条件）2.1光学谐振腔概论2.1光学谐振腔概论达到谐振时，腔的光学长度应为半波长的整数倍。满足此条件的平面驻波场称为平行平面腔的本征模式腔内光强沿z轴的分布不是均匀的，而是强弱相间地分布着。光强最强的明亮区，称为波腹；最弱的黑暗区，称为波节。将由整数q所表征的腔内纵向光场的分布称为腔的纵模，不同的q相应于不同的纵模，或相应于驻波场波腹的个数。纵模间隔与q无关，腔的纵模在频率尺度上是等间隔排列的激活介质的增

6、益系数G：光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小考虑损耗：2）增益系数与激光振荡的条件2.1光学谐振腔概论2.1光学谐振腔概论r振幅反射率，t振幅透射率出射的光场E1~En振幅叠加：2.1光学谐振腔概论2.1光学谐振腔概论不需要初始从腔外输入微弱场以触发自激振荡。腔内初始一个光子的微弱自发辐射即可以使激光器振荡。2.1光学谐振腔概论2.2开放光学球面谐振腔的稳定性2.2开放光学球面谐振腔的稳定性1）光线变换矩阵腔内任一傍轴光线在某一给定的横截面内都可以由矩阵来表征：r为光线离轴线

7、的距离、为光线与轴线的夹角。规定：光线出射方向在腔轴线的上方时，为正；反之，为负。当凹面镜向着腔内时，R取正值；当凸面镜向着腔内时，R取负值。用一个二阶方阵描述入射光线和出射光线的坐标变换。该矩阵称为光学系统对光线的变换矩阵T。2.2开放光学球面谐振腔的稳定性近轴光线在自由空间的传播2.2开放光学球面谐振腔的稳定性近轴光线在球面镜上反射的变换矩阵2.2开放光学球面谐振腔的稳定性近轴光线通过焦距为f的薄透镜的变换矩阵2.2开放光学球面谐振腔的稳定性2.2开放光学球面谐振腔的稳定性2.2开放光学球面谐振腔的稳定性习题

8、：2）光线在谐振腔中往返一周变换矩阵由曲率半径为R1和R2的两个球面镜M1和M2组成的共轴球面腔，腔长为L，开始时光线从M1面上出发（以M1为参考）向M2方向行进。2.2开放光学球面谐振腔的稳定性2.2开放光学球面谐振腔的稳定性傍轴光线在腔内完成一次往返，总的坐标变换为傍轴光线在腔内完成一次往返总的变换矩阵为2.2开放光学球面谐振腔的稳定性2.