第10讲光学谐振腔的损耗VIP免费

第10讲光学谐振腔的损耗主讲：王占新单位：物理与电子工程学院教学内容10.1光学谐振腔损耗的定义与分类10.2怎样描述光学谐振腔的损耗10.3怎样计算光学谐振腔的单程损耗因子10.4无源谐振腔的平均寿命10.5无源谐振腔的品质因数10.6无源谐振腔的单模线宽3什么是光学谐振腔的损耗光腔的损耗是指光在腔内传播时，由于各种物理因素造成的光强的衰减。按形成原因对损耗进行分类10.1光学谐振腔损耗的定义和分类几何偏折损耗、衍射损耗、透射损耗、非激活吸收散射损耗。410.1光学谐振腔损耗的定义和分类什么是几何偏折损耗按几何光学观点，不平行于腔轴的光线在腔内往返几次后，可能逸出腔外，这种损耗称为几何损耗。什么是衍射损耗按波动光学观点，由于腔的反射口径有限，光在其上会发生衍射，造成一部分能量损失，这种损耗称为衍射损耗。510.1光学谐振腔损耗的定义和分类什么是透射损耗也称为输出损耗，是指为获得激光输出，谐振腔至少要有一个腔镜是部分透射的，这种损耗称为透射损耗。什么是非激活吸收、散射损耗是指谐振腔的反射镜及其它光学元件产生的非激活吸收、散射等，也称为内损耗。6按是否与激光横模模式有关分类10.1光学谐振腔损耗的定义和分类选择性损耗非选择性损耗几何偏折损耗衍射损耗透射损耗非激活吸收、散射损耗7平均单程损耗因子δ的定义10.2怎样描述光学谐振腔损耗它定义为光在谐振腔内单次渡越时光强平均衰减的百分比。简称为单程损耗因子，用希腊字符δ表示。描述谐振腔损耗的物理量平均单程损耗因子δ、谐振腔的时间常数τR、谐振腔的品质因数Q、单模线宽Δνc8平均单程损耗因子的计算公式10.2怎样描述光学谐振腔损耗设初始光强为I0，在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1，则光在腔内往返一次衰减的百分比为：010III－0102I-II0I1I单程损耗因子为：9平均单程损耗因子的另一种定义10.2怎样描述光学谐振腔损耗往返一次后的光强与初始光强之间的关系定义为1I0I210IIe011ln2II称为指数形式的单程损耗因子。10单程损耗因子两种定义的等价性10.2怎样描述光学谐振腔损耗如果单程损耗因子远远小于1，则δ20002δ'IIeI因此，在损耗较小的情形，两种定义没有实质差异。11(12)22δ'δ'0102III11多种损耗同时存在情形下的单程损耗因子δ10.2怎样描述光学谐振腔损耗假定每种损耗对应的单程损耗因子记为δi，采用指数形式的定义，光波从谐振腔一端传播到另一端，光强从I0变为I1，则：1I123ii20Ie3122220Ieee12透射损耗δr以r1和r2分别表示腔的两个镜面的反射率(即功率反射系数)，设初始光强为I0，在腔内经两个镜面反射往返一周后，其强度I1应为：1012IIrr按照指数形式定义：210rIIe1122lnrrr0I1I1r2r10.3计算各种损耗对应的δ13几何偏折损耗δβ当平面腔的两个镜面构成小的角度β时，傍轴光在两镜面间经有限次往返后将逸出腔外，假定在腔内往返次数为m，则2468D26...(21)2LLLmD10.3计算各种损耗对应的δ1410.3计算各种损耗对应的δ即：2[135...(21)]LmD2m2DmL122LmD倾斜腔的损耗与β、L、D均有关,δβ∝，且随L的增大及D的减小而增加。15按照D=1cm，L=1m计算，为了保证δβ<0.1，腔镜的倾斜角有何要求？例1：解：242210rad41''DL如果要求损耗低于0.01，则应有10.3计算各种损耗对应的δ1610.3计算各种损耗对应的δ衍射损耗δd衍射损耗随腔的类型、具体几何尺寸及振荡模式而不同，准确计算较困难。17aa+LθL10.3计算各种损耗对应的δ我们按照平面波的夫琅禾费衍射，并假定衍射光斑光强均匀分布，来粗略估算一下衍射损耗。半径为a的圆腔镜夫琅禾费衍射，在距离为L处是半径为a+Lθ的艾里斑。1.2222aa1810.3计算各种损耗对应的δ根据单程损耗因子的定义：222()()aLaaL2La21aL1N这里，谐振腔的菲涅尔数。d19菲涅尔数N的物理意义10.3计算各种损耗对应的δ采用菲涅尔半波带法分析圆孔衍射。圆孔与点光源O和观察点P的距离分别为R和r0，波长为λ。OPRk...