光学谐振腔的基本知识VIP免费

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）横模：指可能存在于腔内的每一种横向场分布，用模序数m和n描述。激光横模式的特征与谐振腔的几何结构紧密相连，知道了腔的几何参数，如腔长、两个反射镜面的孔径尺寸和曲率半径，就可以确定腔内可能存在的各种激光模式的性质，例如场的横向分布、谐振频率、单程衍射损耗率、远场发散角等。二、无源腔损耗激光工作物质被泵浦源激发后，对发光的放大作用主要表现在他们补偿激光模式的能量损耗，使之满足振荡的阈值条件，从而形成并维持激光模式的振荡。它对光场的空间分布、谐振频率。损耗、发散角等模式特征的影响是次要的。无源腔：我们把虽有激光工作物质，但未被激发从而无放大作用的激光器谐振腔称为无源腔。有源腔：把经过激发有放大作用的激光器谐振腔称作有源腔。损耗腔：是指光在腔内传播时，由于各种物质因素造成光强的衰减，它是评论一个光学谐振腔的重要指标，可用三个相互有联系的物理量来描述：平均单程功率损耗率δ、腔寿命τc、腔品质因数Q值。（一）平均单程功率损耗率设初始光强为I0，腔内往返一周以后，光强衰减到I1，则定义平均单程功率损耗率为：011ln2II（1-7-1）产生损耗的原因按照它们是否与激光横模模式有关可分两大类：1.选择性损耗2.非选择性损耗1.选择性消耗选择性消耗与横模模式有关，主要有：1）衍射损耗；2）几何损耗。1）衍射损耗：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；2）几何损耗：指光线在腔内经有限次往返传播后，从腔的侧面横向逸出。几何损耗的大小与腔的结构有关。几何损耗的大小海域横模的模式有关，例如平行平面腔内的高阶模与低阶模相比，其光线传播方向与腔轴线的夹角要大，因此损耗也大。2.非选择性损耗非选择性损耗与横模模式无关，主要有腔镜反射不完全所引起的损耗，材料中的非激活吸收和散射，腔内插入物（如布儒斯特窗、调Q元件、调制器等）所引起的损耗等。在这些损耗中，腔镜反射不完全所引起的损耗最重要。特别是作为输出激光的半反射镜必须要有一定的透射率，这种损耗又称输出损耗，它是无法避免的。（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，我们称之为腔寿命，可写为：其中：δ——腔平均单程功率损耗率c——光速L′——谐振腔的光学长度当谐振腔腔长与激光工作物质长度不相等时，L′的计算方法为：cLc（1-7-26）（1-7-24）l)1n(LL（1-7-24）l)1n(LL式中：L——腔长——激光工作物质的长度n——激光工作物质折射率。lcLc（1-7-26）从（1-7-26）式可以看出腔损耗δ越大，腔寿命τc越短。另外，腔寿命τc也可以解释为腔内光子的平均寿命，可以证明ctcdttedtc0001)(1（1-7-26）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：11icci（1-7-31）（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：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2EQP（1-7-32）或腔Q值可以写为：c2cL2Q（1-7-32）可见，平均单程功率损耗率δ、腔平均寿命τc与腔品质因数Q值三个物理量相互之间是相关联的，损耗率δ值越大，腔寿命τc越短，腔Q值也就越小。若腔内同时存在几种损耗，每种损耗对应的Q值分别为Qi，则总Q值为：（1-7-38）...