光学谐振腔的模式.ppt

知识丰富人生科技振兴中华 光学谐振腔 3 2光学谐振腔的模式 在谐振腔中 光信号能多次反复地沿着腔轴的方向通过工作物质 不断获得光放大 信号越来越强 达到饱和 形成激光输出 1 产生和维持光放大 一 光学谐振腔的作用 2 改善激光方向性 凡是传播方向偏离腔轴方向的光子 很快逸出腔外被淘汰 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 所以输出激光具有很好的方向性 3 改善激光单色性 激光在谐振腔中来回反射 相干叠加 形成以反射镜为波节的驻波 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 q 1 2 或频率 由于两端为波节 所以腔长 二 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 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 横向分布称横模 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损耗 3 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 就可以唯一的确定模的上述特征 1 光学谐振腔的纵模 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2 的整数倍 式中的n是谐振腔内介质折射率 q 1 2 通常把由q值所表示的腔内的纵向场分布称为谐振腔的纵模 不同的q值相应于不同的纵模 从式中可看出 q值决定纵模的谐振腔频率 1 谐振腔的纵模频率 共振频率 为 2 谐振腔内相邻两个纵模频率 共振频率 差值 纵模间隔 为 由此可见 vq与q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排列的 频率梳 讨论 当q值只有1时 称单纵模 当q值个数大于或等于2时 称多纵模 2 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 在腔内引入色散元件 F P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 1 提高激光的单色性方法之一是缩短腔长L 3 每个纵模宽度 c为 氦氖激光器0 6328 m谱线宽度为 总 1 3 109HZ 因此 在 总区间中 可以存在的纵模个数为 2 光学谐振腔的横模 电磁场在腔内横向平面内的各种稳定分布 激光腔内可能存在多个模式 横模 它们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的模 基模 标记为TEM00 其他模式TEMmn可以使用窄的激光介质 反射镜尺寸等来抑制 TEM00模的截面是对称的 强度是高斯分布的 基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同 空间相干性最好 输出光的横向分布 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 因此截面上各点是相关联的 建立了光束的空间相性 光波就成为空间相干的了 作业 思考题 P576 7 9 10 14习题 P578 11 预习 P43 P52 3 3共焦腔中基模的光束特性 再见