光学谐振腔的模式

知识丰富人生科技振兴中华1光学谐振腔光学谐振腔23.2 3.2 光学谐振腔的模式光学谐振腔的模式3 在谐振腔中在谐振腔中,光信号能多次反复地沿着光信号能多次反复地沿着腔轴的方向通过工作物质腔轴的方向通过工作物质,不断获得光放不断获得光放大大,信号越来越强信号越来越强,达到饱和达到饱和,形成激光输形成激光输出。出。光学谐振腔光学谐振腔全反射全反射反射反射99%.输出激光束输出激光束1.1.产生和维持光放大。产生和维持光放大。一、一、光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：4 2.2.改善激光方向性。改善激光方向性。凡是传播方向偏离腔轴方向的光子凡是传播方向偏离腔轴方向的光子,很快逸很快逸出腔外被淘汰出腔外被淘汰,只有沿着腔轴方向传播的光子才只有沿着腔轴方向传播的光子才能在管中不断地往返运行而得到光放大能在管中不断地往返运行而得到光放大,所以输所以输出激光具有很好的方向性。出激光具有很好的方向性。3.3.改善激光单色性。改善激光单色性。激激光光在在谐谐振振腔腔中中来来回回反反射射，相相干干叠叠加加，形形成以反射镜为波节的驻波。成以反射镜为波节的驻波。5 只有满足上式波长的光才可能在腔内形成稳定的只有满足上式波长的光才可能在腔内形成稳定的振荡而不断得到加强，其它波长的光很快就会衰减而振荡而不断得到加强，其它波长的光很快就会衰减而淘汰。谐振腔的这种选频作用（共振频率），极大地淘汰。谐振腔的这种选频作用（共振频率），极大地提高了输出激光的单色性。提高了输出激光的单色性。q=1,2,.或频率或频率q=1q=2q=3.L由于两端为波节由于两端为波节,所以腔长：所以腔长：6二、二、光学谐振腔的模式：光学谐振腔的模式：光学谐振腔的几何尺寸远大于光的波长，因此光学谐振腔的几何尺寸远大于光的波长，因此必须研究光的电磁场在谐振腔内的分布问题，必须研究光的电磁场在谐振腔内的分布问题，即所谓谐振腔的模式问题。即所谓谐振腔的模式问题。激光电磁场空间分布情况（模式）与腔结构激光电磁场空间分布情况（模式）与腔结构之间的关系，光场稳定的纵向分布称纵模，横之间的关系，光场稳定的纵向分布称纵模，横向分布称横模。向分布称横模。7所谓模的基本特征，主要指的是：所谓模的基本特征，主要指的是：（1）每一个模的电磁场分布，特别是在腔的横）每一个模的电磁场分布，特别是在腔的横 截面内的分布；截面内的分布；（2）每一个模在腔内往返一次经受的相对功率）每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗；损耗；（3）与每一个模相对应的激光束的发散角。）与每一个模相对应的激光束的发散角。原则上说，只要知道了腔的参数，就可以唯一原则上说，只要知道了腔的参数，就可以唯一的确定模的上述特征。的确定模的上述特征。81.光学谐振腔的纵模：光学谐振腔的纵模：反射镜反射镜光的振幅光的振幅反射镜反射镜为了能在腔内形成稳定的振荡，要求光波能为了能在腔内形成稳定的振荡，要求光波能够因干涉而得到加强。因此，光波从某点出够因干涉而得到加强。因此，光波从某点出发，在腔内往返一次再回到原位时，应与初发，在腔内往返一次再回到原位时，应与初始光波同相位，即入射波与反射波相位差是始光波同相位，即入射波与反射波相位差是22的整数倍。的整数倍。9式中的式中的n n是谐振腔内介质折射率。是谐振腔内介质折射率。q=1,2,.通常把由通常把由q q值所表示的腔内的纵向场分布称为谐振腔值所表示的腔内的纵向场分布称为谐振腔的的纵模纵模，不同的不同的q q值相应于不同的纵模值相应于不同的纵模。从式中可看。从式中可看出，出，q q值决定纵模的值决定纵模的谐振腔频率谐振腔频率。（1）谐振腔的纵模频率（共振频率）为：谐振腔的纵模频率（共振频率）为：10（2）谐振腔内相邻两个纵模频率（共振频率）谐振腔内相邻两个纵模频率（共振频率）差值（差值（纵模间隔纵模间隔）为：）为：由此可见，由此可见，vvq q与与q q值无关，对于给定的谐振腔来说，纵值无关，对于给定的谐振腔来说，纵横间隔是个常数，因此，谐振腔的纵模的频谱是等距离横间隔是个常数，因此，谐振腔的纵模的频谱是等距离排列的排列的-频率梳频率梳。11讨论：讨论：当当q q值只有值只有1 1时，称单纵模；当时，称单纵模；当q q值个数大于或等值个数大于或等于于2 2时，称多纵模。时，称多纵模。2）缩短腔长会使激光输出功率降低，频率不）缩短腔长会使激光输出功率降低，频率不稳。解决方法：纵模选择技术，如：在腔内稳。解决方法：纵模选择技术，如：在腔内引入色散元件（引入色散元件（F-P标准具），或采用复合腔标准具），或采用复合腔结构；在半导体激光器中注入锁定技术。结构；在半导体激光器中注入锁定技术。1）提高激光的单色性方法之一是缩短）提高激光的单色性方法之一是缩短腔长腔长L。（3）每个纵模宽度每个纵模宽度c为：为：12氦氖激光器氦氖激光器 0.6328 m 谱线宽度为谱线宽度为 总总=13109 HZ因此，在因此，在 总总区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为132.光学谐振腔的横模：光学谐振腔的横模：电磁场在腔内横向电磁场在腔内横向平面内的各种稳定分布。平面内的各种稳定分布。14激光腔内可能存在多个模式（激光腔内可能存在多个模式（横模横模），它们），它们是经过一次往返传输能够再现的稳定电磁场是经过一次往返传输能够再现的稳定电磁场分布。一般的人们愿意使用具有最高对称性分布。一般的人们愿意使用具有最高对称性的模（的模（基模基模），标记为），标记为TEMTEM0000。其他模式。其他模式TEMmnTEMmn可以使用窄的激光介质，反射镜尺寸等来抑可以使用窄的激光介质，反射镜尺寸等来抑制。制。TEMTEM0000模的截面是对称的，强度是高斯分模的截面是对称的，强度是高斯分布的。布的。基横模在激光光束基横模在激光光束的横截面上各点的的横截面上各点的位相相同，空间相位相相同，空间相干性最好。干性最好。15输出光的横向分布：输出光的横向分布：16 衍射使光的能量受到损失，但却为衍射使光的能量受到损失，但却为激光的空间相干性创造了条件，如开始激光的空间相干性创造了条件，如开始时光波是空间不相干的，那么由于衍射时光波是空间不相干的，那么由于衍射的结果，在多次衍射后，光束截面上一的结果，在多次衍射后，光束截面上一点的光，不仅与原光束的一个点相联系，点的光，不仅与原光束的一个点相联系，而是和整个截面有联系，因此截面上各而是和整个截面有联系，因此截面上各点是点是相关联相关联的，建立了光束的空间相性，的，建立了光束的空间相性，光波就成为光波就成为空间相干空间相干的了。的了。17作业：作业：思考题：思考题：P57 6、7、9、10、14习习 题：题：P57 8、11、预预 习：习：P43-P52 3.3 共焦腔中基模的光束特性共焦腔中基模的光束特性18再见再见19