激光谐振腔型的优缺点
浅谈光学谐振腔
浅谈光学谐振腔摘要：光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一,是用来加强输出激光的亮度, 调节和选定激光的波长和方向的装置，从真空紫外到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。
本文从光的传播矩阵推导了谐振腔的稳定条件和光腔损耗，并解释了横模形成的原因。
最后介绍了自由电子激光器谐振腔、微腔和X 射线激光腔。
关键词：激光；谐振腔；自由电子激光腔；微腔1激光1.1激光简介激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。
激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。
激光具有方向性好、单色性好能量集中、相干性好等特点。
正因为激光器具备的这些突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破[1]。
1.2激光器的分类（1）按工作物质分类：根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃）；②气体激光器；③液体激光器；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。
（2）按激励方式分类：①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。
（3）按运转方式分类：由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。
①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④可调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器[2]。
（4）按输出波段范围分类：根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种：①远红外激光器；②中红外激光器；③近红外激光器；④可见激光器；⑤近紫外激光器；⑥真空紫外激光器；⑦X射线激光器，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[1]。
1.3激光器的组成任何一种激光器,其基本结构都可以分为三部分:(1)工作物质,用来产生受激发射；(2)激励(泵浦)装置,用来激励工作物质以获得粒子数反转；(3)光学共振腔,用来维持受激发射的持续振荡,并限制产生振荡的光子的特征(行进方向、波长等)。
激光原理及应用：第3章光学谐振腔与激光模式
L
（2）衍射损耗
衍射光斑的第一极小值： 1.22 0.61
2a
a
d
L a2 a2 L a2
2L
a
2L 0.61
aa
1.22
a2 / L
L
a2
d
d
L
a2
设： N a 2
L
得： d
1 N
N为腔的菲涅耳数：从一面镜子的中心看到另一面镜
子上可划分的菲涅耳半波带数。
要求φ为实 数
因此，要求
1 1 (A D) 1 2
1 1 {1 2L [ 2L (1 2L )(1 2L )]} 1
2
R2 R1
R1
R2
1 1 2L 2L 2L2 1
R1 R2 R1R2
0 2 2L 2L 2L2 2
R1 R2 R1R2
得：
0 1 L L L2 1 R1 R2 R1R2
其中
r：光线离轴线的距离
：光线与光轴的夹角
r
符号规则：出射方向在光轴上方取
出射方向在光轴下方取
r符号规则：在光轴上方取 在光轴下方取
一条近轴光线可以用列矩阵表示，为r ＃说明： 近轴满足 sin tg
2.光线变换矩阵
若一条入射光线r1 ,1 ，经过一个光学系统后，变成
出射光线r2
,
2
，则可用矩阵
L
满足方程的任意一个场分布函数v(x, y)就描述腔的一个 自再现模式（横模），函数v(x, y)称为本征函数，常数γ为本 征值。
3.5.4 自再现模积分方程的物理意义
由于
v
x,
y
S
K
x,
激光谐振腔技术选模及稳频技术
为自现模或横模。 对于两个镜面完全相同的对称腔来说，这种稳定场分布经单程传播后即可实 现自再现。 综上所述，激光的横模，实际上就是谐振腔所允许的(也就是在腔内往返传播, 能保持相对稳定不变的)光场的各种横向稳定分布。
L ' vq
nL q c L
2nL
q
q
2
由于光频谐振腔的腔长远大于光波波长，整数q通常具有104 -106 数量级。
腔的两个相邻纵模频率之差Δνq称为纵模的频率间隔，简称纵模间隔，
vq
vq1
vq
c 2nL
c 2L '
腔长L越小，纵模间隔越大。
第二十页
激光腔模式及选模技术
激光腔模式
（2）横模 这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化仅是，镜面上各点场的振幅按同样 的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
在t-t+dt时间内减少的光子数目为
dN
N0
t
e R dt
R
这（-dN）个光子的寿命为t，若在经过dt时间后，将不在腔内。N0个光子的平均寿命为：
_
t
1
N0
(dN )t 1 N0
t( N0
0 R
t
)e R
dt
R
腔内光子的平均寿命τR与腔的损耗有关， 损耗越小， τR越大，腔内的光子的平均说明越长
且有较大的功率输出；
（2）要求高阶横模的衍射损耗足够大，易于鉴别基模和高阶横模；
横模的选择方法大体上可分为两种：
（1）改变谐振腔的结构和参数，使高阶横模获得更大的衍射损耗，提高谐 振腔的选模性能；
项目3激光器光学谐振腔特性
项目3 激光器光学谐振腔特性知识目标●掌握激光在谐振腔中的传播特性●了解激光在腔外的光束强度与相位的大小和分布能力目标●能够结合激光横模和纵模分析谐振腔的有关特性●掌握高斯光束的性质和传播特性任务3.1 激光谐振腔的模式前面已经对激光产生的工作原理进行了学习，知道了光学谐振腔是激光器的三个主要组成部分之一。
光学谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了激光器发光的方向性和相干性。
最简单的光学谐振腔一般是在工作物质两端适当放置两个反射镜，一个反射镜是全反射镜，另一个是部分反射、部分透射的半反射镜。
光学谐振腔的主要作用有两个：一是产生激光，光学谐振腔可以提供正反馈，使工作物质中产生的光辐射多次通过工作物质，当受激辐射所提供的增益超过腔内损耗时，就可以形成稳定的光振荡，输出功率稳定的激光。
二是控制腔内振荡光束的特性，改善输出激光的质量。
通过调节光学谐振腔的几何参数，还可以直接控制激光光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率和光束发散角等。
激光器光学谐振腔有很多结构形式，其中最简单和最常用的是由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔。
开放式光学谐振腔简称开腔，其主要特点是侧面敞开，只靠两端的反射镜来实现光束在腔内的往返传播，对于光波没有任何其他限制。
开腔可分为稳定腔、临界腔和非稳腔，其中稳定腔的几何偏折损耗很低，故绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。
稳定腔虽有损耗低的优点，但由于其基横模模体积太小和横模鉴别能力低，难以同时实现激光器高功率输出和基横模运行。
因此，高功率激光器常采用模体积大和横模鉴别能力高的非稳腔，以获得性能优良的高功率激光。
本任务只讨论由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔。
3.1.1 激光模式的概念（1）模式的概念一般来讲，光学谐振腔的几何尺寸远大于光的波长，因此必须研究光的电磁场在光学谐振腔内的分布问题，即光学谐振腔的模式问题。
光学谐振腔的两个反射镜构成了腔的边界，它对腔内的电磁场施加一定的束缚。
微波等离子体谐振腔的作用
微波等离子体谐振腔的作用
谐振腔，通信术语，微波技术中作谐振回路的金属空腔。
谐振腔是磁控管和速调管等微波电子管的主要组成部分。
有空心金属腔及同轴腔两种。
前者有矩形、圆柱形、环形等；后者由一端或两端用金属片封闭的一段同轴线制成。
品质因数很高，可达几千或几万。
谐振腔可用于测量微波波长。
1、提供光学正反馈作用
激光器内受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔内多次往返而形成持续的相干振荡。
振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持振荡。
影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素一是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强;二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。
这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束损耗的变化。
2、对振荡光束的控制作用
作用主要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。
由于激光束的特性和光腔结构有密切联系，因而可用改变腔参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置）的方法来达到控制激光束的目的。
具体地说，可以达到以下几方面的控制作用：
（1）有效控制腔内实际振荡的模式数目，使大量的光子集中在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好、方向性强的相干光;
（2）可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率以及光束发散角等，
（3）可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率。
激光谐振腔的作用
激光谐振腔的作用
激光谐振腔是一种先进的光学元件，它的作用是将激光光束通过反射镜反复叠加，使光束放大并产生一种振荡效应。
激光谐振腔具有一定的宽度和长度，而其核心就是将多次反射制成一种振荡状态。
一般情况下，激光谐振腔里内置一个反射镜，其中一端反射镜是完全反射镜，另一端是半透明镜，中间有一个有限宽度的空腔，有一个自由空气孔。
激光谐振腔的作用主要有以下几点：
1、放大激光能量：激光谐振腔可以把输入的微弱的激光能量，在空腔的反复叠加作用下，使其持续地反复反射，然后输出一团强大的激光能量源。
整个激光谐振腔的设计原理就是将小的能量值叠加起来，从而得到一定的输出能量。
2、调整激光束的形状：由于激光谐振腔中有反射镜，可以把输入的激光能量调节成一定的形状，例如定圆度，定椭圆等。
3、调整激光束的方向：由于激光谐振腔有反射镜，可以把输入的激光能量进行定向，使其达到一定的方向。
4、以低的激光能量产生广泛的应用：激光谐振腔可以以极低的激光能量输入，通过叠加，然后输出一团强大的激光能量源，可以用于激光焊接、激光机床等领域。
激光谐振腔是一种重要的光学元件，它的应用非常广泛。
它不仅用于研究和实验室应用，也可以用于医疗、检测等领域。
随着科技的发展，激光谐振腔在各个领域的应用也会变得越来越广泛。
总之，激光谐振腔是一种先进的光学元件，它可以把输入的激光能量调节成一定的形状，可以以极低的激光能量输入，然后输出一团强大的激光能量源，具有实际应用价值。
现代激光应用技术知识第三章激光谐振腔与模式
04
功率计
频谱分析仪
05
用于产生激光，常用的有固体激光器、气体激光器和半导体 激光器等。 用于反射激光，形成谐振腔，通常使用高反射率的反射镜。
用于测量激光的光束质量，包括光束直径、发散角等参数。
用于测量激光的功率。
用于测量激光的频率和线宽。
实验步骤与方法
1. 准备实验设备与器材，搭建实验装置。
03
激光谐振腔的设计与优化
谐振腔的设计原则与步骤
高效输出
谐振腔应能将尽可能多的光束限制在 激光介质中，以提高光束输出效率。
单模输出
为了获得高相干性和高光束质量，谐 振腔应能实现单模工作。
谐振腔的设计原则与步骤
• 稳定性：谐振腔应具有足够的稳定性，以抵抗外部扰动和内部热效应。
谐振腔的设计原则与步骤
反射镜间距
合适的反射镜间距可以控制谐 振腔的长度，进而影响输出波 长和模式质量。
反射镜曲率
通过调整反射镜的曲率，可以 改变光束在谐振腔内的反射路 径，进而影响输出光束的形状 和大小。
光束截面形状
优化光束截面形状可以提高光 束质量和减少热效应，例如使 用圆形或矩形截面。
谐振腔的稳定性分析
热效应
激光工作过程中产生的热量会导致光束漂移和折 射率变化，进而影响谐振腔的稳定性。
结论
根据实验结果，可以得出激光谐振腔的性能参数 和应用范围，为后续的激光应用提供参考和依据 。
05
激光谐振腔的应用与发展趋势
激光谐振腔的应用领域
通信与光通信
激光谐振腔在光纤通信中作为信号源，实现高速、大容量、长距离的 通信。
工业制造
激光谐振腔用于激光切割、焊接、打标等工业制造领域，提高加工精 度和效率。
谐振腔的作用
学谐振腔的作用表现在两个方面：
1．提供光学正反馈作用
激光器内受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔内多次往返而形成持续的相干振荡。
振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足
够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持振荡。
影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：一
是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强；二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。
这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束损耗的变化[1][2]。
2．对振荡光束的控制作用主要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。
由于激光束的特性和光腔结构有密切联系，
因而可用改变腔参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置）的方法来达到控制激光束的目的。
具体地说，
可以达到以下几方面的控制作用：（1）有效控制腔内实际振荡的模式数目，使大量的光子集中在少数几个状态之中，
提高光子简并度，获得单色性好、方向性强的相干光；（2）可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率
以及光束发散角等；（3）可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率[1][2]
【1】周炳琨, 高以智, 陈倜嵘等. 激光原理[M]. 第5版. 北京: 国防工业出版社, 2004. 【2】陈钰清，王静环. 激光原理[M]. 杭州: 浙江大学出版社，1992.。
激光器中的谐振腔结构
激光器中的谐振腔结构激光器是一种利用受激发射原理产生的一束相干光的设备。
而激光器中的谐振腔结构则是激光器能够实现受激发射的关键组成部分之一。
本文将深入探讨激光器中的谐振腔结构的原理及其影响激光输出的几个重要参数。
首先，我们需要了解什么是谐振腔。
谐振腔是一个封闭的结构，由两个或多个具有反射能力的镜片组成。
其中一个镜片是半透明的，允许一部分光通过，而另一个镜片是完全反射的。
当光进入谐振腔后，在内部来回多次反射，形成多次穿过半透明镜片的光束。
这样，光线可以在谐振腔内不断积累能量，形成高度相干的激光束。
其次，谐振腔的两个镜片对激光器的输出特性影响很大。
首先是输出功率。
谐振腔的长度将直接决定激光器的输出频率，而反射镜片的反射率和传输率将影响激光器的输出功率。
反射率越高，参与谐振的光返还到谐振腔中的能量越多，因此输出功率越高。
而传输率则影响谐振腔中光线通过半透明镜片的速率，进而影响激光器的输出功率稳定性。
其次，谐振腔的长度也会影响激光器的输出频率。
谐振腔的长度决定了在腔内来回穿梭的光束可以形成哪个特定的共振模式。
对于某一频率的激光器，如果谐振腔长度发生微小变化，就会导致激光器的输出频率发生变化。
因此，我们需要在设计激光器时，根据所需的输出频率，来选择合适的谐振腔长度。
另外，谐振腔的形状也对激光器的性能起着关键作用。
传统的激光器谐振腔通常采用圆柱形，这是因为圆柱形能够达到最高的输出功率和频率稳定性。
而近年来，随着技术的进步，一些新型谐振腔结构被提出。
例如，狭缝型谐振腔可以产生非常窄的线宽，用于一些精密测量和光谱学的应用。
除了上述的影响因素，激光器中的谐振腔结构还受到其他一些因素的影响。
其中之一就是温度的变化。
温度的变化会导致谐振腔长度的微小变化，进而影响激光器的输出频率和稳定性。
为了解决这个问题，一些激光器会采用温度稳定性更好的材料来制造谐振腔。
总而言之，激光器中的谐振腔结构是激光器能够实现受激发射的关键组成部分之一。
1-7 光学谐振腔的基本知识
若腔内各种损耗所引起的腔寿命分别为 τci，则腔的总寿 命为： 1 1 （1-7-31） c i ci （三）腔Q值 与LC谐振电路相似，光学谐振腔与可以用品质因数Q来描 述腔的特性。它的定义为：
E Q 2 P
（1-7-32）
式中：E——储存在腔内的总能量 P——单位时间所损耗的能量 ν——腔内电磁场的振荡频率
c v q 2 L
同样长度的谐振腔，固体激光器的本征纵模频率间隔 要小于气体激光器，而同种激光工作物质的激光器，谐振 腔越短，本征纵模的频率间隔就越大。
五、菲涅耳数 在描述光学谐振腔的工作特性时，经常用到菲涅尔数这 个概念，它的定义为：
a2 F L
式中：a——反射镜线度
菲涅耳数的物理意义可以有多种不同的解释，下边我 们分别简单说明： 1. 衍射光的腔内的最大往返次数 ； 2. 从一面镜子的中心看另一面镜子的菲涅耳半波带数；
指当光从一个反射镜向另一个反射镜沿腔轴传播时由于光的衍射作用及反射镜的尺寸使得一部分光能量未被镜面覆盖而逸出腔外所造成的损耗因不同的横模的横向光场的分布不同故衍射损耗也不同基横模的衍射损耗最小模的阶数越高衍射损耗就越大
1-7 光学谐振腔的基本知识
本节将简单介绍有关谐振腔的基础知识，包括谐振腔 与激光模式、无源腔损耗、无源腔本征纵模线宽、谐振腔 本征纵模的频率间隔以及谐振腔的菲尼尔数等问题。 一、谐振腔与激光模式 激光模式：激光场的分布以及振荡频率都只能存在一系列 分立的本征状态，每一个本征态称为一种激光模式。从光 子的角度说，每一种激光模式就是腔内可以区分的一种光 子态。 激光模式分类： （一）纵模：它是指可能存在于腔内的每一种驻波场，用 模序数q描述沿腔轴的激光场的节点数。
（二）腔寿命 τc的物理意义为，光强从初始值I0衰减到I0的1/e所用的时 间腔平均单程功率损耗率 c——光速
激光器谐振腔的作用
激光器谐振腔的作用
激光器谐振腔是激光器的一个重要组成部分，它的作用是在激光器中产生和放大激光。
谐振腔通常由两个反射镜组成，其中一个是部分透明的输出镜，另一个是全反射镜。
这两个镜子之间的空间被称为谐振腔，激光在这个空间内来回反射，增强和放大，最终形成一束高度聚焦的激光束。
谐振腔的作用可以从几个方面来解释。
首先，它提供了一个稳定的光学腔，使得激光在其中可以来回反射，增强和放大。
其次，谐振腔可以选择性地放大特定波长的光，使得激光器输出的光具有特定的频率和波长。
此外，谐振腔还可以控制激光的空间模式，使得激光束的质量更加均匀和稳定。
除此之外，谐振腔还可以影响激光器的工作效率和输出功率。
通过合理设计谐振腔的长度和曲率，可以最大限度地提高激光器的效率和输出功率。
同时，谐振腔还可以影响激光器的频率稳定性和波长选择性，使得激光器的输出更加稳定和可控。
总的来说，激光器谐振腔在激光器中起着至关重要的作用，它不仅可以提供一个稳定的光学腔，使得激光可以增强和放大，还可
以选择性地放大特定波长的光，控制激光的空间模式，影响激光器的工作效率和输出功率，以及影响激光器的频率稳定性和波长选择性。
因此，谐振腔的设计和优化对于激光器的性能和应用具有重要意义。
激光器中光学谐振腔的作用
激光器中光学谐振腔的作用
激光器中的光学谐振腔是激光器的核心部件之一，它的作用是将激光放大并聚焦到一个点上，从而产生高强度的激光束。
光学谐振腔是由两个反射镜和一个激光介质组成的，其中一个反射镜是半透明的，用于输出激光束。
光学谐振腔的工作原理是利用反射镜的反射作用，将激光束反复反射，形成一个封闭的光学回路。
当激光束在光学谐振腔中反复反射时，它会与激光介质相互作用，从而产生受激辐射，使激光束逐渐增强。
当激光束增强到一定程度时，就会从半透明反射镜中输出，形成一束高强度的激光束。
光学谐振腔的设计对激光器的性能有着重要的影响。
首先，反射镜的反射率和距离会影响激光器的增益和输出功率。
反射率越高，激光器的增益就越大，输出功率也就越高。
反射镜之间的距离也会影响激光器的性能，距离越短，激光器的增益就越大，输出功率也就越高。
光学谐振腔的稳定性也是激光器性能的重要因素。
光学谐振腔的稳定性取决于反射镜的精度和位置，如果反射镜的精度不高或者位置不稳定，就会导致激光器的输出功率不稳定，甚至无法工作。
光学谐振腔是激光器中不可或缺的部件，它的设计和稳定性对激光器的性能有着重要的影响。
随着科技的不断发展，光学谐振腔的设
计和制造技术也在不断提高，为激光器的应用提供了更加广阔的空间。
激光谐振腔型的优缺点
激光谐振腔型的优缺点谐振腔是激光器的重要组成部分，随着科技的进步和技术的发展，其种类也越来越多，不同的谐振腔具有不同的优缺点，在激光器的器件设计和实际应用中，应当根据需要选择合适的谐振腔结构。
一、平行平面腔平行平面腔的优点是：光束方向性好，模体积大，容易获得单模模振荡，缺点是：谐振腔调整精度要求高，衍射损耗和几何损耗都比较大，其稳定性介于稳定腔与非稳定腔之间，不适用于小增益器件，在中等以上功率的激光器中仍普遍应用。
二、共焦腔共焦腔与平行平面腔之不同之处在于：1. 镜面上基模场的分布：平行平面腔基模分布在整个镜面上，呈偶对称性分布，镜面中心处振幅最大，向镜边缘振幅逐渐降低；共焦腔基模在镜面上的分布在厄米-高斯近似下，与镜的横向几何尺寸无关，仅由腔长决定；一般共焦腔模集中在镜面中心附近；2. 相位分布平行平面腔的反射镜不是等相面；而共焦腔的反射镜为等相面；3. 单程损耗平行平面腔衍射损耗远高于共焦腔的衍射损耗；4. 单程相移与谐振频率平行平面腔中横模阶次m、n的变化引起的频率改变远远小于纵模阶次q的改变对谐振频率的改变；在共焦腔中， m、n的变化或q的改变对谐振频率的影响具有相同的数量级。
三、圆形镜对称共焦腔圆形镜对称共焦腔的基模在镜面上，其振幅分布是高斯型的，整个镜面上没有节线在镜面中心处（r=0）处，振幅最大。
基模在镜面上的光斑半径(当基模振幅下降到中心值的1/e处与镜面中心的距离)：对于高阶模，在沿辐角方向有节线，数目为p；沿半径方向有节圆，节圆数为l；p、l增加，模的光斑半径增大，并且光斑半径随着l的增大比随着p增大来的更快；高阶模的光斑半径：振幅降低至最外面的极大值的1/e处的点与镜面中心的距离；圆形共焦镜面本身也是等相位面。
四、一般稳定球面镜腔一般球面镜腔：由两个曲率半径不同的球面镜按照任意间距组成的腔一般稳定球面镜腔的模式理论：可以从光腔的衍射积分方程出发严格建立，以共焦腔的模式理论为基础，等价共焦腔的方法。
光学谐振腔激光技术的性能分析
光学谐振腔激光技术的性能分析光学谐振腔激光技术是一种非常有前途的激光技术，因为它可以提供出非常高的功率和极窄的光谱线宽，因此在很多应用中都有广泛的应用，例如在通讯、传感、精密测量等领域。
在这篇文章中，我们将会介绍光学谐振腔激光技术的基本原理和性能指标，并分析它们的相关性和优缺点。
首先，我们来简要介绍一下光学谐振腔激光技术的基本原理。
光学谐振腔激光器是一种基于二极管或半导体激光器的系统，也称之为外腔激光器。
系统的基本组成部分包括一个半导体激光器、一组反射镜和一个谐振腔（或外腔）。
在谐振腔中，激光束将反复进出，并在每次进出时通过反射镜的干涉形成一个共振模。
通过调节反射镜间的距离，可以调整激光的波长，进而产生单一频率的激光输出。
在光学谐振腔激光技术的性能分析中，一个非常重要的参数是激光器的光谱线宽。
光学谐振腔激光器可以提供非常窄的光谱线宽（通常在几百千赫兹到几兆赫兹之间），这是因为它的输出是基于谐振腔上的共振模，光谱线宽直接取决于共振腔品质因子Q值的大小。
Q值越大，光谱线宽度越窄。
除了光谱线宽之外，另一个重要的性能指标是激光器的输出功率。
由于光学谐振腔激光技术的结构限制，它可以承受的电功率通常比传统的半导体激光器要大得多，因此可以提供劲道更强、光束更集中的激光输出。
光学谐振腔激光器的另一个优点是，它可以通过调节谐振腔的长度来实现改变输出波长的目的。
这与传统的半导体激光器通常只能通过改变温度或者调节激光器中的透镜不同，更灵活。
然而，光学谐振腔激光器也有其缺点。
由于系统需要保持足够高的品质因子Q值，因此它的工作环境要求非常苛刻，例如需要较高的温度稳定性和机械稳定性，加之系统价格昂贵，维护起来的成本也比较高。
此外，由于光谱线宽度非常窄，因此它的编码容量也比较小，可能不能满足某些高速传输应用中的需求。
总之，光学谐振腔激光技术是一种非常有前景的激光技术，尤其在需要极高稳定性和精度的应用场景中更具有优势。
通过对光学谐振腔激光技术的性能分析，我们可以更好地了解这种技术的原理和优缺点，为我们在实际应用中选择合适的技术提供参考。
(完整版)2光学谐振腔
光学谐振腔光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一。
组成：在简单情况下，它是在激活物质两端适当地放置两个反射镜。
目的：就是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。
光学谐振腔的理论：近轴光线处理方法的几何光学理论、波动光学的衍射理论无源腔：又称为非激活腔或被动腔，即无激活介质存在的腔。
有源腔(激活腔或主动胺)：当腔内充有工作介质并设有能源装置后。
一、构成、分类及作用1、谐振腔的构成和分类构成：最简单的光学谐振腔是在激光工作物质两端适当位置放置两个镀高反射膜的反射镜。
与微波腔相比光频腔的主要特点是：侧面敞开没有光学边界，以抑制振荡模式，并且它的轴向尺寸(腔长)远大于振荡波长：L》λ，一般也远大于横向尺寸即反射镜的线度。
因此，这类腔为开放式光学谐振腔，简称开腔。
开式谐振腔是最重要的结构形式----气体激光器、部分固体激光器谐振腔2、激光器中常见的谐振腔的形式1)平行平面镜腔。
由两块相距上、平行放置的平面反射镜构成2)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当R1＝R2＝L时，两凹面镜焦点在腔中心处重合，称为对称共焦球面镜腔；当R1+R2＝L表示两凹面镜曲率中心在腔内重合，称为共心腔。
3)平面—凹面镜腔。
相距为L的一块平面反射镜和一块曲率半径为R的凹面反射镜构成。
当R＝2L时，这种特殊的平凹腔称为半共焦腔4)特殊腔。
如由凸面反射镜构成的双凸腔、平凸腔、凹凸腔等，在某些特殊激光器中，需使用这类谐振腔5)其他形状的3、谐振腔的作用(1) 提供光学正反馈作用谐振腔为腔内光线提供反馈，使光多次通过腔工作物质，不断地被放大，形成往复持续的光频振荡；取决因素：组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。
上述因素的变化会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束能量损耗的变化。
(2) 对振荡光束的控制作用主要在方向和频率的限制，其功能为：①有效地控制腔内实际振荡的模式数目，使大量的光子集结在少数几个沿轴向、且满足往返一次位相变化为2π的整数倍的光子状态中，提高了光子简并度，从而获得单色性好、方向性好及相干性强的优异辐射光。
关于激光器谐振腔的改进
关于激光器谐振腔的改进光学谐振腔是激光器的重要组成部分，谐振腔的设计，将直接影响到激光器的输出特性。
目前的激光谐振腔，两边一般为一块反射镜和一块半反镜，以便激光经过多次振荡加强后出射，但半反镜一边毕竟不能达到100%的反射，从而使激光器的效率受到限制。
本文就对这个问题，提出一点设想（附理论推导），希望能解决这一问题。
目的：设计一种谐振腔，使激光在其中达到近100%反射，同时又可以取出在其中振荡的激光。
设想：谐振腔一边为全反镜，另一边制造一个势垒，利用量子力学的势磊穿透理论，通过控制势垒来控制激光是否穿过。
从而达到100%的反射及激光取出问题。
理论依据：让我们看看量子力学的势垒穿透理论设有一质量为m ，能量E = h ν= mc 2 的光子入射如右图：根据E 和V 0的大小有两种情况：（1）先考虑E< V 0时：00222222=-=+ψβψψψdxd k dx d a x a x x <<><0,0 其中()E V m Em k -==022β 这个方程组的通解为：=)(x ψ ikx xx ikxikx Ce e B Be e A Ae ββ--++'' )()0()0(a x a x x ><<< 根据波函数的连续条件：ika a a ika a a ikce e B e B Ce e B Be B B ikA ikA B B A A =-=++=-+=+--ββββββββ'''''' a x a x x x ====00 ''ψψψψ连续连续连续连续⇒ a a a a aa ika e ik e ik Ae e k A e ik e ik A e ik C ββββββββββββ222222)()())((')()(4--+-+=--+=----对于流密度的定义：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=**ψψψψdx d dx d m i J in 2 则入射流密度： 2A mk J in = 反射流密度： 2'A mk T R = 透射流密度： 2C mk J S = 由此可以得到穿透系数22222222224)(4ββββk a sh k k A C J J T in S ++=== 214)()('222222222222aa in R e e a sh R T k a sh k a sh k AA J J R ββββββββ--==++++=== T 为透过率，R 为反射率此为结论一（2）再考虑一下E>V 0时：只需要对上面的推导做一下代换即可得到结论将'ik →β 其中'k 为实数 )(2'0V E m k -=再利用 a k i a ik sh 'sin )'(=，即可得到结论二为：kk R T k k a k k k a k k k R k k a k k k k k T ≤=++--=+-='1'4'sin )'('sin )'('4'sin )'('4222222222222222222 下面让我们来讨论一下这两个结果：通过控制式子中的a 或β即可达到控制透射率大小的目的，从而在透射率为0的时候使激光振荡，在透射率为1时使激光出射。
激光器中光学谐振腔的作用
激光器中光学谐振腔的作用光学谐振腔是激光器中至关重要的元件之一，它在激光器的工作中发挥着重要的作用。
本文将从光学谐振腔的定义、原理、特点以及在激光器中的作用等方面加以阐述。
一、光学谐振腔的定义和原理光学谐振腔是由两个或多个反射镜组成的光学装置，其内部形成一系列的光学谐振模式。
反射镜的反射率决定了光学谐振腔的性能。
在光学谐振腔中，光波来回反射，形成了驻波，从而增强了光的强度。
光学谐振腔的工作原理是利用反射镜反射光波，使得光波在空间中多次来回传播，从而增加光的强度。
当光波在光学谐振腔中反射时，如果满足相干条件，光波将会形成驻波，驻波的节点和腹部分别对应着光波的消光和增强。
二、光学谐振腔的特点1. 高品质因子：光学谐振腔的品质因子是衡量光学谐振腔性能的重要指标，它反映了光在腔内的损耗情况。
高品质因子意味着光在腔内的损耗小，能够有效地存储和放大光能。
2. 频率选择性：光学谐振腔能够选择性地放大特定频率的光波，而对其他频率的光波进行衰减。
这是因为光波只有在满足谐振条件时才能在光学谐振腔中得到增强。
3. 光学谐振模式：光学谐振腔中的光波可以形成多种不同的谐振模式，如基模、高阶模等。
这些不同的谐振模式具有不同的空间分布和频率特性，可以满足不同应用需求。
三、光学谐振腔在激光器中的作用光学谐振腔在激光器中发挥着至关重要的作用，主要有以下几个方面：1. 提供正反馈：光学谐振腔能够提供正反馈，使得激光器产生连续的激光输出。
当激发源产生的光波进入光学谐振腔后，满足谐振条件的光波将得到增强，从而形成激光输出。
2. 光波放大：光学谐振腔中的光波经过多次反射，与激光介质发生相互作用，从而实现光波的放大。
光波在激光介质中的放大过程受到谐振腔的限制，只有满足谐振条件的光波才能得到增强。
3. 频率选择：光学谐振腔能够选择性地放大特定频率的光波，从而实现激光器的单色性。
通过调整谐振腔的结构和参数，可以选择性地放大某个特定频率的光波，并实现单频或多频激光输出。
2光学谐振腔
由两块相距上、平行放置的平面反射镜构成3)平面—凹面镜腔。
相距为4)特殊腔。
如由凸面反射镜构成的双凸腔、平凸腔、凹凸腔等，在某些特殊激光器中，3、谐振腔的作用提供光学正反馈作用)变成(x1,θ1)，则两者间关系为而由光路可逆2当光线在腔内经过n次往返后，其参数变换矩阵可表示为三．谐振腔的稳定性1、稳定腔的概念1 物理意义镜面上任一点发出的近轴光线，往返无限次而不逸出2 数学意义Tn各元素当n →∞时,保持有界2、稳定性条件（证明略）(1) 稳定腔1 0<g1g2<12 g1=g2=0(2) 非稳定1 g1g2>12 g1g2<03 g1=0或g2=04 g1g2=13、稳区图4、g与R的符号关系以两块反射镜的曲率半径为直径做相应反射镜面的两个内切圆（对于凸面反射镜为外，则谐振腔稳定，缘故。
4. 横模的形成机理自再现模或横模：经过足够多次的往返传播之后，腔内形成这样一种稳态场，它的相对分布不再受衍射影响，它在腔内往返一次后能够“自再现”出发时的场分布。
这种稳态场经一次往返后唯一可能的变化，仅是镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
●这种在腔反射镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定场分布称为在实际情况中，谐振腔的截面是受腔中的其它光阑所限制如气体激光器，放电管孔径就是谐振腔的限制孔。
为了形象地理解开腔中自再现模的形成过程，把平行平面谐振腔中光波来回反射的传播过程，等效于光波在光阑传输线中的传播。
这种光阑传输线如下图所示，它由一系列间距为L、直径为2a的同轴孔径构成，这些孔径开在平行放置无限大、完全吸收的屏上。
5、激光模式的测量方法1)横模的测量方法：不同横模的光强在横截面上有不同的分布。
●对连续可见波段的激光器，只须在光路中放置一个光屏，即可观察激光的横模光斑形状，可粗略地给以判别；●或者利用拍照的方法，小孔或刀口扫描方法也可直接扫描出激光束的强度分布从而确定激光横模的分布形状。
半导体激光器谐振腔的特点
半导体激光器谐振腔的特点1. 引言嘿，朋友们，今天咱们来聊聊一个听起来很高大上的话题——半导体激光器的谐振腔！听着有点复杂，其实没那么难。
简单来说，谐振腔就像是一个激光器的“家”，它能让激光在里面“打转”，最终释放出明亮的光。
就像咱们在家里待得舒服，谐振腔也需要有适合的条件才能把激光的效果发挥到极致。
那么，谐振腔到底有什么特点呢？我们来逐个看看吧！2. 谐振腔的结构2.1 反射镜的角色首先，谐振腔的结构就像一个音乐会的舞台，离不开两面反射镜。
你想想，舞台上如果没有灯光，观众可就没法看到精彩的表演了。
反射镜就负责把激光束在腔内反射，来回“兜圈子”。
这种反射就像是在打乒乓球，球拍一打，球就飞来飞去，反复碰撞，越打越快，激光的强度也因此逐渐增强。
这种相互反射的过程，简直就像是在玩儿“你来我往”，越玩越嗨。
2.2 谐振腔的长度再说说谐振腔的长度，这也是个重要因素。
谐振腔的长度就像是我们家里的走廊，长了可以跑步，短了可能就得小步快跑。
在激光器里，谐振腔的长度会影响激光的波长和频率。
如果长度合适，激光会非常稳定；如果不合适，哎呀，那就可能会出现各种杂音，就像是在走廊里有小朋友在追逐打闹，喧闹得很，让人没法专心。
3. 谐振腔的特点3.1 稳定性说到这里，咱们不得不提谐振腔的稳定性。
这就像一棵大树的根系，扎得越深，树就越稳。
谐振腔要想发出稳定的激光，必须有良好的设计。
一般来说，设计合理的谐振腔能有效抑制激光的不稳定性，保证光束的均匀性。
你想啊，如果激光一会儿强一会儿弱，使用起来可就糟糕了，像极了情绪波动的大叔，让人捉摸不透。
3.2 增益介质最后，我们还得提一提增益介质。
这东西就像是咖啡的咖啡豆，激光的“动力源”。
增益介质会在谐振腔里提供能量，让激光“打起精神”。
有了这股劲，激光才能蓬勃向前。
不同类型的增益介质可以产生不同颜色和特性的激光，像是给激光加了调味剂，真是让人惊喜不已。
4. 结论所以说，半导体激光器的谐振腔可不是简单的结构，而是一个充满了智慧和设计的小宇宙。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
五、非稳定谐振腔
非稳定腔的优点：1. 大的可控模体积，通过扩大反射镜的尺寸，扩大模几何参数g有关；3. 容易鉴别和控制横模；4. 易于得到单端输出和准直的平行光束。非稳定腔的缺点：1. 输出光束截面呈环状；2.光束强度分布是不均匀的，显示出某种衍射环。
谐振腔是激光器的重要组成部分，随着科技的进步和技术的发展，其种类也越来越多，不同的谐振腔具有不同的优缺点，在激光器的器件设计和实际应用中，应当根据需要选择合适的谐振腔结构。
一、平行平面腔
平行平面腔的优点是：光束方向性好，模体积大，容易获得单模模振荡，缺点是：谐振腔调整精度要求高，衍射损耗和几何损耗都比较大，其稳定性介于稳定腔与非稳定腔之间，不适用于小增益器件，在中等以上功率的激光器中仍普遍应用。
3. 单程损耗平行平面腔衍射损耗远高于共焦腔的衍射损耗；
4. 单程相移与谐振频率平行平面腔中横模阶次m、n的变化引起的频率改变远远小于纵模阶次q的改变对谐振频率的改变；在共焦腔中， m、n的变化或q的改变对谐振频率的影响具有相同的数量级。
三、圆形镜对称共焦腔
圆形镜对称共焦腔的基模在镜面上，其振幅分布是高斯型的，整个镜面上没有节线在镜面中心处（r=0）处，振幅最大。基模在镜面上的光斑半径(当基模振幅下降到中心值的1/e处与镜面中心的距离)：对于高阶模，在沿辐角方向有节线，数目为p；沿半径方向有节圆，节圆数为l；p、l增加，模的光斑半径增大，并且光斑半径随着l的增大比随着 p增大来的更快；高阶模的光斑半径：振幅降低至最外面的极大值的1/e处的点与镜面中心的距离；圆形共焦镜面本身也是等相位面。
四、一般稳定球面镜腔
一般球面镜腔：由两个曲率半径不同的球面镜按照任意间距组成的腔
一般稳定球面镜腔的模式理论：可以从光腔的衍射积分方程出发严格建立，以共焦腔的模式理论为基础，等价共焦腔的方法。
一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：根据共焦腔模式理论，任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；而任何一个稳定球面镜腔唯一地等价于一个共焦腔。一般稳定球面腔与共焦腔的等价性:指它们具有相同的行波场。
二、共焦腔
共焦腔与平行平面腔之不同之处在于：
1. 镜面上基模场的分布：平行平面腔基模分布在整个镜面上，呈偶对称性分布，镜面中心处振幅最大，向镜边缘振幅逐渐降低；共焦腔基模在镜面上的分布在厄米-高斯近似下，与镜的横向几何尺寸无关，仅由腔长决定；一般共焦腔模集中在镜面中心附近；
2. 相位分布平行平面腔的反射镜不是等相面；而共焦腔的反射镜为等相面；
（王翠鸾）