第二章 光学谐振腔基本理论

第二章光学谐振腔基本概念 (1)
2.1光学谐振腔 (1)
2.2非稳定谐振腔及特点 (1)
2.3光学谐振腔的损耗 (2)
2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2)
反射镜面的种类对损耗的影响 (2)
腔的结构不同，损耗不同 (2)
第二章光学谐振腔基本概念
2.1光学谐振腔
光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一，是用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方
向的装置。

光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。

由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合，构成各类型光学谐振腔。

光学谐振腔的分类方式很多。

按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。

虽有工作物质，但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔；而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。

2.2非稳定谐振腔及特点
非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。

若R1和R2为两反射镜曲率半径，L为两镜间距离，对于非稳腔则g1，g2：满足g1*g2<O或g1*g2>l 非稳腔中光在谐振腔内经有限次往返后就会逸出腔外，也就是存在着固有的光能量可以横向逸出而损耗掉，所以腔的损耗很大。

在高功率激光器中，为了获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，稳定腔不能满足这些要求，而非稳腔是最合适的。

与稳定腔相比，非稳腔有如下几个突出优点：
1．大的可控模体积
在非稳腔中，基模在反射镜上的振幅分布式均匀的，它不仅充满反射镜，而且不可避免地要向外扩展。

非稳腔的损耗与镜的大小无关，这一点是重要的，因此，只要把反射镜扩大到所需的尺寸，总能使模大致充满激光工作物质。

这样即使在腔长很短时也可得到足够大的模体积，故特别适用于高功率激光器的腔型。

2．可控的衍射耦合输出
一般稳定球面腔是用部分透射镜作为输出耦合镜使用的，但对非稳腔来说，以反射镜面边缘射出去的部分可作为有用损耗，即从腔中提取有用衍射输出。

3．容易鉴别和控制横模
对于非稳腔系统，在几何光学近似下，腔内只存在一组球面波型或球面一平面波型，故可在腔的一端获得单一球面波型或单一平面波型(即基模)，从而可提高输出光束的定向性和亮度。

进一步分析表明，非稳腔中(N不大情况下)仍可能有结构复杂的高阶模存在。

但是，即使对于大的模直径和大菲涅耳数N的非稳腔，低阶模和高阶模损耗的差异也是较大的，因此容易得到单横模振荡输出。

4．易于得到单端输出和准直的平行光束
通常非稳腔的两个反射镜都是做成全反射的，只要把其中一个反射镜做得比另一个大得多，以满足单端输出条件，就可以实现单端输出。

处于应用目的，可用透镜或其它光学系统把非稳腔单端输出球面波准直成平行光束。

非稳腔的缺点是：输出光束截面成环状，即在近场中心处有暗斑：在远场暗斑消失，光束强度分布不均匀，显示出某种衍射环。

2.3光学谐振腔的损耗
由于腔内存在各种各样的损耗，即使有了稳定的谐振腔和合适的工作物质，也不一定能产生激光。

光腔损耗的大小是评价谐振腔品质因数的重要指标，在激光振荡过程中，光学谐振腔的损耗决定了振荡的阈值、线宽和激光器的输出功率。

本文对光学谐振腔的损耗作了简单的分析和讨论，对于设计和应用光学谐振腔，特别是对于控制各种损耗的能力和操纵各类光学元件是有意义的。

几何损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗、非激活吸收、散射等其他损耗
2.4减小无源稳定腔损耗的途径
反射镜面的种类对损耗的影响
若谐振腔的反射镜用平面镜，存在的缺陷有二：首先，光在两平面镜之间多次反射后会偏折出去，达不到稳定条件；其次，若两镜面不是完全平行，有一个很小的夹角时，其损耗见(2)式。

若令D一1cm，L=1m，要求艿<o．1时，p≤41”。

精确度要求很高，在实验中很难难操作；若用凸面镜作为反射镜的话，凸面镜对光线具有发散作用，用凸面镜引起的几何偏折损耗比较大。

如果从稳定性条件分析，由于它的g。

92>1，不符合腔的稳定条件。

因此，一般在稳定腔不采用它作反射镜，而在非稳腔中采用；而由于凹面镜对光线有会聚作用且它的g。

g。

<1，用它作为反射镜，引起的偏折比较小。

因此在其他损耗相同的条件下，特别是在稳定腔中通常采用凹面镜作为反射镜。

腔的结构不同，损耗不同
虽然同属临界腔，但腔的结构不同，损耗不同。

如。