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)。下面,我们介绍主要的激光器的谐振腔[2]。

2激光谐振腔

光谐振腔是激光器的重要组成部分之一，对大多数激光工作物质，适当结构的谐振腔产生激光视必不可少的。

2.1谐振腔的作用

（1）光学正反馈作用

谐振腔的正反馈作用是使得振荡光束在腔内进行一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出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继续震荡[3]。

光学反馈作用取决于两个因素：一时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成方式。上述两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束耗损的变化。

（2）产生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。由于激光束的特性与光腔结构有密切联系，因而可用改变腔的参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置）方法来达到控制激光束的目的。具体的说，可达到以下几个方面的控制作用：a.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；b.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等；c.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[4]。

2.2谐振腔的结构

图1最简单光学谐振腔的示意图。在作为放大元件的工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜，它们互相平行，且垂直于工作物质的轴线。

图1 最简单的光学谐振腔结构

Figure 1The simplest optical cavity structure

2.3 谐振腔的分类及比较

光学谐振腔按其稳定性可分为稳定腔、非稳定腔和临界腔；按组成谐振腔的

两块反射镜的形状，可将激光谐振腔区分为：平行平面腔、平凹腔、凹凹腔、凸

凹腔等；而按照反射镜的排列方式可以划分为直腔和折叠腔。如果光线在谐振腔

内能够往返任意次而不会横向逸出腔外，这样的谐振腔就称为稳定谐振腔，简称

稳定腔；如果光线经过若干次反射后离开腔体，则这样的谐振腔腔称为非稳定腔；

稳定性介于稳定腔和非稳定腔之间的光学谐振腔就是临界腔[3][6]。

稳定腔的波形限制能力比较弱，激光束发散角大，但是损耗较小，调整精度

要求低，主要适用于一般的低增益激光器和比较长的折叠腔系统。非稳定腔的波

形限制能力很强，具有大的可控模体积和可控的衍射耦合输出，输出光束发散角

小，但是损耗比较大，适用于高增益激光器系统。而临界腔的波形限制能力比较

强，可获得发散角小，光场均匀性又比较好的输出光束，适用于各种类型的激光

器系统[4]。

2.4光学谐振腔的稳定性条件

2.4.1几何光学中的光线传播矩阵（ABCD 矩阵）

(1)均匀介质层的光线变换矩阵

图2 光线在均匀介质传播

Figure 2 the light propagation in homogeneous medium

光线在均匀介质传播如图2所示在：其中00'θL r r +=，0'θθ=。

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⇒⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∴101r T r '0000'L T D C B A r

L L θθθ (2)球面镜反射矩阵（传播光路如图3所示）

图3 光线在球面镜的反射

Figure 3 the light in the spherical mirror reflection