激光技术——激光谐振腔

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1、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20091湖北工大理学院第一节光学谐振腔的构成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

2、放置元件以限制光束为理想的形状。20092湖北工大理学院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20093湖北工大理学院闭腔、开腔、气体波导腔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

3、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，场服从波导中的传播规律，而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。20094湖北工大理学院稳定腔和非稳定腔看在腔内是否存在稳定振荡的高斯光束20095湖北工大理学院由两块相距为L、平行

4、放置的平面反射镜构成由两个以上的反射镜构成双凹球面镜腔：由两块相距为L，曲率半径分别为R1和R2的凹球面反射镜构成R1+R2=LR1=R2=L一般球面腔R

5、几何形状以及它们之间的组合方式。2.产生对振荡光束的控制作用改变腔的参数如：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性好、方向性强的相干光可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率20097湖北工大理学院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20098湖北工大理学院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

6、，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20099湖北工大理学院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。平行平面腔中平面波的往返传播光腔中的驻波相位差：光学长度：驻波条件(光波波长和平行平面腔腔长)：谐振频率(频率和平行平面腔腔长)：200910湖北工大理学院纵模-纵向的稳定场分布激光的纵模(轴模)：由整数q所

7、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谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍）q阶纵模频率可以表达为：基纵模的频率可以表达为：纵模的频率间隔：200911湖北工大理学院腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图200912湖北工大理学院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L=10厘米的He-Ne气体激光器L=30厘米的He-Ne气体激光器Ne原子的中心频率：Ne原子的中心波长：荧光光谱线宽：6328À2009

8、13湖北工大理学院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。200914湖北工大理学院激光谐振腔内低阶纵模分布示意图200915湖北工大理学院激光纵模分布示意图200916湖北工大理学院横模-横向X-Y面内的稳定场分布