《光腔一般理论》PPT课件

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1、第2章开放式光腔与高斯光束回顾——产生激光的三个必要条件：1.工作物质2.激励能源3.光学谐振腔前瞻——研究谐振腔的几何理论和衍射理论§2-1光学谐振腔理论的一般问题光腔的作用:1.光学正反馈:建立和维持自激振荡。(提高光子简并度)决定因素:由两镜的反射率、几何形状及组合形式。2.控制光束特性:包括纵模数目、横模、损耗、输出功率等。一、光腔——开放式共轴球面光学谐振腔的构成1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。2.开放式:除二镜外其余部分开放共轴:二镜共轴球面腔:二镜都是球面反射镜

2、(球面镜)3、光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:光腔(光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外)(伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的几何光学损耗)(几何光学损耗介乎上二者之间)二、腔的模式腔的模式：光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态谐振腔所约束的一定空间内存在的电磁场，只能存在于一系列分立的本征态—振荡频率和空间分布腔内电磁场的本征态因此,腔的具体结构腔内可能存在的模式麦克斯韦方程组腔的边界条件（电磁场本征态）腔模的基本特征包括1、每个模的电磁场分布E(x,y,z)

3、，包括腔的横截面内的场分布（横模）和纵向场分布（纵模）2、模的谐振频率3、每个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗4、每个模的激光束发散角腔的参数唯一确定模的基本特征开腔傍轴传播模式的纵模特征傍轴光线(paraxialray)：光传播方向与腔轴线夹角非常小，可认为sintan—腔内纵模需要满足的谐振条件相长干涉条件：腔中某一点出发的波，经往返一周回到原来位置时，应与初始出发的波同相位。0—真空中的波长；L’—腔的光学长度－腔内介质折射率纵模间隔多纵模情况下，不同纵模对应腔内不同的

4、驻波场分布纵模序数q对应驻波场波节个数在F-P腔中均匀平面波纵模场分布的特点——场沿腔的轴线方向形成驻波，驻波的波节数为q，波长为q。纵模间隔与序数q无关，在频率尺度上等距排列－“频率梳”纵模间隔大小与腔长成反比。三、光腔的损耗1.几何偏折损耗；2.衍射损耗；3.腔镜反射不完全引入损耗4.材料吸收、散射，腔内插入物所引起的损耗等。选择损耗（有选模作用）非选择损耗（无选模作用）腔内损耗的描述—平均单程损耗因子定义：无源腔内初始光强I0往返一次后光腔衰减为I1，则光子的平均寿命定义：腔内光强衰减为初

5、始值的1/e所需要的时间腔损耗越大，则越小，腔内光强衰减越快。无源腔的Q值品质因数Q的定义：总之，腔平均单程损耗因子、光子寿命、与腔的品质因数三个物理量之间是关联的，腔平均单程损耗因子越小，光子寿命越长，腔的品质因数越高。腔的品质因数Q值是衡量腔质量的一个重要的物理量，它表征腔的储能及损耗特征。§2.2共轴球面谐振腔的稳定性条件一.光腔稳定条件:1.描述光腔稳定性的g参量,定义:其中L----腔长(二反射镜之间的距离),L＞0;Ri----第i面的反射镜曲率半径(i=1,2);符号规则:凹面向着腔内

6、时(凹镜)Ri＞0,凸面向着腔内时(凸镜)Ri＜0。L对于平面镜，成像公式为:s——物距s´——象距f——透镜焦距(2)据稳定条件的数学形式,稳定腔:非稳腔:或临界腔:或g1g2=02.光腔的稳定条件:(1)条件:使傍轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸出腔外的条件,即近轴光线几何光学损耗为零,其数学表达式为2.1.2共轴球面谐振腔的稳定图及其分类一。常见的几类光腔的构成:*(以下介绍常见光腔并学习用作图方法来表示各种谐振腔)(一）稳定腔:1.双凹稳定腔:由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹腔。这

7、种腔的稳定条件有两种情况。其一为：且证明：∵R1＞L∴即：0＜g1＜1，同理0＜g2＜1所以：0＜g1g2＜1其二为：R1＜LR2＜L且R1+R2＞L证明：∵R1＜L∴即g1＜0同理：g2＜0，∴g1g2＞0；又∵L＜R1+R2∴即g1g2＜10＜g1g2＜1如果R1=R2，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳定条件可以合并成一个，即：R1=R2=R＞L/2(二).非稳腔:g1g2＞1或g1g2＜01.双凹非稳腔:由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹非稳腔.这种腔的稳定条件有两种情况.其一为:R1

8、,R2>L此时所以g1g2＜0其二为:R1+R2＜L可以证明:g1g2＞1(证明略)2.平凹非稳腔稳定条件:R1＜L,R2=∞证明:∵g2=1,g1＜0∴g1g2＜03.凹凸非稳腔凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:其一是:R2＜0,0＜R1＜L可以证明:g1g2＜0其二是:R2＜0,R1+R2＞L可以证明:g1g2＞14.双凸非稳腔由两个凸面反射镜组成的共轴球面腔称为双凸非稳腔.∵R1＜0,R2＜0∴g1g2＞15.平凸非稳腔由一个凸面反射镜与平面反射镜组成的共轴球面腔