光学谐振腔

光腔损耗


有了稳定的光学谐振腔，有了能实现粒子束反转的工作物 质，还不一定能一起受激辐射的光振荡而产生激光。因为 工作物质在光学谐振腔内虽然能够引起光放大，但是在光 学谐振腔内还存在许多损耗因素 反射镜的吸收、透射和衍射工作物质不均与造成的折射或 散射 这些损耗中，只有通过部分反射镜而透射出的才是我们需 要的，其他一切损耗都应尽量避免 如果由于损耗，使得工作物质的放大作用抵偿不了损耗， 就不可能在谐振腔内形成雪崩式的光放大过程，就不能得 到激光输出。因此要产生激光振荡，对于光放大必须满足 一定的条件---阈值条件
工作物质
放大元件
研究光学谐振腔的主要理论包括： 几何光学理论； 波动光学理论； 菲涅尔-基尔霍夫衍射积分
激光的产生

当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后，许多 粒子跃迁到激发态上。激发态的粒子是不稳定的，会自发 回到基态，并发射出自发辐射光子。偏离轴向的光子很快 逸出谐振腔，沿轴向的光子在谐振腔内由于两端反射镜的 反射不至逸出谐振腔。这些光子就是引起受激辐射的外界 感应因素，产生了轴向的受激辐射，发射出的光子和引起 受激辐射的光子有相同的频率、发射方向、偏振状态和相 位。它们沿轴线方向不断往复通过已实现了粒子数反转的 工作物质，因而不断地引起受激辐射，使轴向行进的光子 不断得到放大和振荡，使谐振腔内沿轴向的光骤然增加， 而在部分反射镜中输出。
增益系数
用M1、M2表示两块反射镜，其间距为L，透射率 和折射率分别为T1、R2和T2、R2。假设所有损耗 都包含在折射率T1、T2中。 当z=0时，光强为 I 0 ( v ) ，经过整个长度为的工作物 质到达第二块反射镜M2时，光强为 I ( v , l ) I 0 ( v ) e ( v )l 其中 (v ) 称为工作物质的增益系数
' 21 R u v B n A 21 21 n



设计一种装置，实现在某方向上受激辐射不断得 到放大和加强，受激辐射产生振荡，使得在该特 定方向上受激辐射过程>自发辐射过程，而在其他 方向传播的光容易逸出腔外。——光学谐振腔
原理图
全反射镜 部分反射镜
光学谐振腔是激光器的重要组成部分， 它的主要功能有正反馈、谐振、容纳 工作物质和输出激光的作用。
g
1
稳定谐振腔的条件
L R1 R 2 2 共焦腔
(R R ) 1 2 平行平面腔
L L 1 1 0 1 R1 R2
g
L R R 2 2 1 共心腔
2
图中（0<g1g2<1）区域是 满足稳定性条件的区域
优点：充分利用工作物质，使光束 在整个工作物质内振荡，可用于大 功率输出脉冲激光器。此外，激光 束在腔内没有聚焦，在高功率激光 器中不会击穿或损伤光学元件
稳定谐振腔


缺点：衍射损耗大，对准精度要求 高，装调困难
典型的开放式光学谐振腔

共心腔

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由两个相同的凹球面镜组成。 反射镜的曲率中心重合。通 过球心的光线经过反射后， 仍从原路返回，光线不会逸 出腔外 共焦腔 由两个相同的凹球面镜组成。 反射镜的焦点重合。平行于 谐振腔轴线的光线自A发出 后，循着A-B-C-D-A的路线， 经过4次发射后，又与起始 光线重合。这样，平行于轴 向的光线将始终不会逸出腔 外
仅讨论最简单和最常用的由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔。
典型的开放式光学谐振腔

不稳定谐振腔：由两 块凸球面镜组成的谐 振腔中，一条平行于 轴线的光线经过凸球 面镜的反射后就不再 与腔轴平行，经过几 次反射后就会逸出腔 外。
典型的开放式光学谐振腔


平面平行腔亦称为法布里-珀罗谐振 腔（F-P腔） 由两个平行平面反射镜( R1 R 2 ) 组成。 一条平行于谐振腔轴线的光 线，经平行平面反射镜反射后传播 方向仍平行于轴线，始终不会逸出 腔外。这是激光技术发展历史上最 早提出的光学谐振腔
光学谐振腔

能实现粒子反转的物质， 受激辐射过程>吸收过 程
受激辐射除了与吸收过程相矛盾外还与自发辐射 相矛盾。处于激发态的能级原子可以通过自发辐 射和受激辐射回到基态。 n' B n u v 受激辐射光子数 2 1 2 自发辐射光子数 n2 1 n2 A2 1 两种过程光子数之比 如果要使 ，能量密度必须很大，而普通光 R 1 源中，能量密度通常很小。在一般光源中，自发 辐射过程>受激辐射过程。
光学谐振腔的构成与分类
根据结构、性能和机理等方面的不同，谐振腔有不同的分类方式。




按能否忽略侧面边界，将谐振腔分为开放式光学谐振腔、 封闭腔以及气体波导腔。根据腔内近轴光线的几何逸出损 耗的高低，开腔又可分为稳定腔和非稳定腔。 按腔镜的形状和结构，谐振腔可分为球面腔和非球面腔。 按腔内是否插入透镜之类的光学元件，或者是考虑腔镜以 外的反射表面，谐振腔可分为简单腔和复合腔。 按腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔。 按反馈机理不同，可分为端面反馈腔和分布反馈腔。 按构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔。
M'
C F' F
M
A
M'
B
F' F
M
C
D
典型的开放式光学谐振腔

广义共焦腔
A
A M' C F' D C' F E
B
B 图一
M
C F E
G F' D
A-B-D-B-A-E-A
此外，还有平凹腔、平凸腔、凹凸腔等
A-B-C-D-E-G-A
半共焦腔，半共焦腔的性质与共焦腔的类似，衍射损耗低，易于装置，而且由 于采用了一块平面镜，成本更低。大多数氦氖激光器都采用这种谐振腔