《光学谐振腔》PPT课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光学谐振腔,能实现粒子反转的物质， 受激辐射过程吸收过程,受激辐射除了与吸收过程相矛盾外还与自发辐射相矛盾。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。,受激辐射光子数,自发辐射光子数,两种过程光子数之比,如果要使 ，能量密度必须很大，而普通光源中，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。,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，使得在该特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。,光学谐振腔,部分反射镜,工作物质,全反射镜,原理图,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、容纳工作物质和输出激光的作用。,研究光学谐振腔的主要理论包括：,几何光学理论；,波动光学理论；,菲涅尔,-,基尔霍夫衍射积分,放大元件,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。偏离轴向的光子很快逸出谐振腔，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。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，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、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，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，而在部分反射镜中输出。,光学谐振腔的构成与分类,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。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。,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，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。,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。,按构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔。,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,。,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。,典型的开放式光学谐振腔,不稳定谐振腔：由两块凸球面镜组成的谐振腔中，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，经过几次反射后就会逸出腔外。,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,( ),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，始终不会逸出腔外。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，使光束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，激光束在腔内没有聚焦，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，对准精度要求高，装调困难,典型的开放式光学谐振腔,稳定谐振腔,共心腔,由两个相同的凹球面镜组成。反射镜的曲率中心重合。通过球心的光线经过反射后，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。反射镜的焦点重合。平行于谐振腔轴线的光线自A发出后，循着A-B-C-D-A的路线，经过4次发射后，又与起始光线重合。这样，平行于轴向的光线将始终不会逸出腔外,C,F,F,F F,A,B,C,D,典型的开放式光学谐振腔,广义共焦腔,典型的开放式光学谐振腔,图一,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，而且由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,M,M,A,B,D,E,A-B-D-B-A-E-A,A-B-C-D-E-G-A,C F,C F,A,B,C,F,D,E,G,F,稳定谐振腔的条件,图中（0g,1,g,2,1）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，有了能实现粒子束反转的工作物质，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，但是在光学谐振腔内还存在许多损耗因素,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，只有通过部分反射镜而透射出的才是我们需要的，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，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，对于光放大必须满足一定的条件-阈值条件,增益系数,用M1、M2表示两块反射镜，其间距为L，透射率和折射率分别为T1、R2和T2、R2。假设所有损耗都包含在折射率T1、T2中。,当z=0时，光强为 ，经过整个长度为的工作物质到达第二块反射镜M2时，光强为,其中 称为工作物质的增益系数,