光学谐振腔

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. 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, 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. 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. 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, 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. 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. 按构成谐振腔反射镜的个数,可分为两镜腔和多镜腔. 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. 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.
g 1
L R1 = R2 = 2 共焦腔
( R = R = ∞) 1 2 平行平面腔
稳定谐振腔的条件
L L 0 ≤ 1 1 ≤ 1 R R 1 2
g
L R1 = R2 = 2 共心腔
2
图中( 图中(0<g1g2<1)区域是 ) 满足稳定性条件的区域
光腔损耗
有了稳定的光学谐振腔, 有了稳定的光学谐振腔,有了能实现粒子束反转的工作物 还不一定能一起受激辐射的光振荡而产生激光. 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, 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, 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, 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, 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, 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, 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 一定的条件 阈值条件
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, 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, 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. 工作物质和输出激光的作用.
工作物质
放大元件
研究光学谐振腔的主要理论包括: 研究光学谐振腔的主要理论包括: 几何光学理论; 几何光学理论; 波动光学理论; 波动光学理论; 菲涅尔-基尔霍夫衍射积分 菲涅尔 基尔霍夫衍射积分
�
光学谐振腔
能实现粒子反转的物质, 受激辐射过程>吸收过 能实现粒子反转的物质, 受激辐射过程> 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. 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. 射和受激辐射回到基态. n' = Bn u ( v ) 受激辐射光子数 21 2 自发辐射光子数 n21 = n2 A21 n' ( 两种过程光子数之比 n21 = R = u Av ) B 21 21 能量密度必须很大, 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, 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. 辐射过程>受激辐射过程.
典型的开放式光学谐振腔
不稳定谐振腔: 不稳定谐振腔:由两 块凸球面镜组成的谐 振腔中, 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, 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( 由两个平行平面反射镜( R1 = R2 = ∞ ) 组成. 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, 方向仍平行于轴线,始终不会逸出 腔外. 腔外.这是激光技术发展历史上最 早提出的光学谐振腔 优点:充分利用工作物质, 优点:充分利用工作物质,使光束 在整个工作物质内振荡, 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, 功率输出脉冲激光器.此外,激光 束在腔内没有聚焦, 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 缺点:衍射损耗大,对准精度要求 缺点:衍射损耗大, 高,装调困难
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 当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后, 粒子跃迁到激发态上.激发态的粒子是不稳定的, 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. 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, 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. 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, 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, 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, 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, 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. 而在部分反射镜中输出.
M' F' C
M
F
A M' C F' F
B
M
D
典型的开放式光学谐振腔
广义共焦腔
A M' C F' D A-B-D-B-A-E-A C' F
B M C F
A 图一 E
B G F' D
E A-B-C-D-E-G-A
此外,还有平凹腔,平凸腔, 此外,还有平凹腔,平凸腔,凹凸腔等 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, 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. 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
设计一种装置, 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, 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 自发辐射过程, 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. 方向传播的光容易逸出腔外.——光学谐振腔 光学谐振腔
增益系数
表示两块反射镜, 用M1,M2表示两块反射镜,其间距为 ,透射率 , 表示两块反射镜 其间距为L, 和折射率分别为T1, 和 , . 和折射率分别为 ,R2和T2,R2.假设所有损耗 都包含在折射率T1, 中 都包含在折射率 ,T2中. 当z=0时,光强为 I0(v) ,经过整个长度为的工作物 时 质到达第二块反射镜M2时 质到达第二块反射镜 时,光强为 I (v,l) = I0(v)eα (v)l 其中 α (v) 称为工作物质的增益系数
稳定谐振腔典型的开放式光来自谐振腔共心腔 由两个相同的凹球面镜组成. 由两个相同的凹球面镜组成. 反射镜的曲率中心重合. 反射镜的曲率中心重合.通 过球心的光线经过反射后, 过球心的光线经过反射后, 仍从原路返回, 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. 由两个相同的凹球面镜组成. 反射镜的焦点重合. 反射镜的焦点重合.平行于 谐振腔轴线的光线自A 谐振腔轴线的光线自A发出 循着A 的路线, 后,循着A-B-C-D-A的路线, 经过4次发射后, 经过4次发射后,又与起始 光线重合.这样, 光线重合.这样,平行于轴 向的光线将始终不会逸出腔 外