3.1 光学谐振腔的一般问题
激光原理与技术：第二章
➢光学谐振腔的种类：
谐振腔的开放程度: 闭腔、开腔、波导腔 开腔通常可以分为: 稳定腔、非稳定腔、临界腔 反射镜形状: 球面腔与非球面腔，端面反射腔与分
布反馈腔 反射镜的多少: 两镜腔与多镜腔（折叠腔、环形
r00
T
r00
共轴球面镜腔 往返传输矩阵：
L A 1
f2
C
1 f1
1 f2
1
L f1
B L 2
L f2
D
L f1
1
L f1
1
L f2
•往返矩阵T与光线的初始坐标参数r0和
轴光线在腔内往返传播的行为
0
无关，因而它可以描述任意近
例：
L 3 R2 4
g1
1
L R1
1;
g2
1
L R2
1 4
§2.1.3. 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，在激光振荡中， 光腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量，也是腔 模理论的重要研究课题
➢光腔的损耗：
1. 几何损耗
选择性损耗、对不同模式，损耗不同
2. 衍射损耗 3. 腔镜反射不完全引起的损耗
非选择性损耗
4. 腔内介质不均匀引起的损耗
Q 2v R
Q
2v
R
2v
L'
C
❖腔的品质因数Q值是衡量腔质量的一个重要的物理量，它
表征腔的储能及损耗特征。
总之，腔平均单程损耗因子、光子寿命、与腔的品质因数三个 物理量之间是关联的，腔平均单程损耗因子越小，光子寿命越 长，腔的品质因数越高。
激光原理课后习题 陈鹤鸣 赵新彦
������ ������
1 ������ ] = [− 2 ������ ������1
0 1 ������ 1 2 ] [ ] [ 1 0 1 − ������ 2
0 1 1] [0
������ ] 1
由题，������1 = ������2 = L （本题的共焦腔代指对称共焦腔） 2������ ������1 A=1− =− = −1 ������2 ������2 B = 2L (1 −
2 2 ������ ������2 − ������1 )= =0 ������2 2������2 2 2 2������ C = − [ + (1 − )] = 0 ������1 ������2 ������1
2L 2������ 2������ ������2 D = − [ − (1 − ) (1 − )] = − = −1 ������1 ������1 ������2 ������1 1 0 故������ 2 = [ ]为单位矩阵，光线往返两次自行闭合，系统稳定。 0 1 注：因为已证明光线往返自行闭合，所以稳定性不用再考虑 AD。
W = Pt = nhν 当 λ = 10μm 时， ν = = 3 × 1013 Hz
λ c
n = 5.03 × 1019 n = 2.51 × 1018
当 λ = 500nm 时， ν = = 6 × 1014 Hz
λ
c
当 ν = 3000MHz 时， n = 5.03 × 1023
2.4 设一对激光能级为������������ 和������������ (������������ = ������������ ),相应频率为������（波长为������） ，能级上的粒子 数密度分别为������������ 和������������ ，求：
第3章光学谐振腔理论
•
•
凹面向着腔内， R>0，相当于凸薄透镜 f>0；
凸面向着腔内时，R<0，相当于凹薄透镜 f<0。
2、对于同样的光线传播次序，往返矩阵T、Tn与初始坐 标（r0,0）无关；
3、当光线传播次序不同时，往返矩阵不同，但(A+D)/2 相同。
23
例：环形腔中的像散-对于“傍轴”光线 对于平行于x,z平面传输的光线（子午光线），其焦距
k0 2 L'
2
0
2 L' q 2
q为整数
(2.1.1)
0—真空中的波长；L’—腔的光学长度
0 q 2 L' q
L' q
0q
q
L' L
q q
c
c
2
0q
2L
c q 2 L
( 2.1.4)
为腔内介
质折射率
Lq
q
2
定义无源腔内，初始光强I0往返一次后光腔衰减为I1，则
I1 I 0e
2
I0
I1
9
1 I0 ln 2 I1
对于由多种因素引起的损耗，总的损耗因子可由各损耗因子相 加得到
i 1 2 3
损耗因子也可以用 来定义， 当损耗很小时，两种定义方式是一致的
20
A B 1 T 1 C D f 1
L A 1 f2
0 1 L 1 1 1 0 1 f2
L B L 2 f2 L D f1
0 1 L 1 0 1
3
二、腔的模式
腔的模式：光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态 谐振腔所约束的一定空间内存在的电磁场，只能存在于一 系列分立的本征态 腔内电磁场的本征态 因此： 腔的具体结构 腔内可能存在的模式（电磁场本征态） 麦克斯韦方程组
光学谐振腔的稳定性问题资料课件
减小腔镜间距
减小腔镜间距可以减小光 束在腔内的损耗，从而降 低谐振腔对外部环境的敏 感性。
优化腔镜形状
采用合适的腔镜形状，如 球面或抛物面，可以减少 光束在腔内的散射和折射 ，提高谐振腔的稳定性。
采用新型材料和制造工艺
采用高反射率材料
采用反射率更高的材料制 作腔镜，可以减小光束在 腔镜上的反射损失，提高 谐振腔的稳定性。
在这一领域中，光学谐振腔的 稳定性问题主要体现在如何减 小测量误差和提高测量精度。
为此，需要采取一系列技术措 施来提高光学谐振腔的稳定性 ，如采用高精度位移台、光学 锁相等技术。
05
CATALOGUE
未来展望与研究方向
深入研究稳定性问题的物理机制
01
深入研究光学谐振腔的稳定性问 题，需要深入理解其物理机制， 包括光场与物质相互作用的细节 、光学元件的散射和损耗等。
稳定性问题的重要性
光学谐振腔在激光雷达、光学通信、光学传感等领域具有广泛应用，其稳定性 问题直接影响到这些领域的应用效果和性能。因此，解决稳定性问题对于提高 光学谐振腔的应用性能和可靠性具有重要意义。
光学谐振腔稳定性的影响因素
01
环境因素
温度、湿度、振动等环境因素对光学谐振腔的稳定性产生影响。这些因
素会导致光学元件的位置和角度发生变化，从而影响光束的输出质量和
稳定性。
02
光学元件的加工和装配精度
光学元件的加工和装配精度对光学谐振腔的稳定性也有重要影响。元件
的加工和装配误差会导致光束的聚焦位置、模式质量和光束指向发生变
化，从而影响光束的输出质量和稳定性。
03
光学谐振腔的设计
光学谐振腔的设计参数也会影响其稳定性。例如，腔长、反射镜曲率、
第3章光学谐振腔与激光模式
第3章光学谐振腔与激光模式光学谐振腔是一种能够限制光传播方向的设备，由一对透明的反射面（通常为镜子）组成。
当光线进入谐振腔后，会在腔内来回反射，形成驻波模式。
这些驻波模式中的一部分具有特定的频率和空间分布，称为激光模式。
本章将介绍光学谐振腔的基本原理和激光模式的特性。
3.1光学谐振腔的基本原理光学谐振腔的基本原理是利用反射面对光的反射和透射的性质来实现光的限制和增强。
最简单的光学谐振腔由两面平行的镜子组成，光线在镜子之间来回反射。
当光线以特定的角度入射时，会形成驻波模式，这些模式中的一小部分就是激光模式。
3.1.1反射率和透射率光学谐振腔的镜子通常具有高反射率和透射率。
反射率表示光线被镜子反射回来的能力，透射率表示光线通过镜子透射出去的能力。
光学谐振腔中，镜子的反射率远大于透射率，这样就能够限制光线的传播方向。
3.1.2相位和波面光学谐振腔中，入射光经反射后改变了传播方向，并且与反射面之间的距离也发生了变化。
这样就会引入相位差，相位差会决定光线的相位和波面的位置。
光学谐振腔产生的驻波模式有着特定的相位和波面位置。
3.1.3腔长和频率光学谐振腔的腔长决定了光线来回反射的次数，也决定了驻波模式中的相位差。
当光线来回反射一次，相位差为2π，驻波模式的频率就是传播速度和腔长的比值。
3.2激光模式的特性激光模式是光学谐振腔中驻波模式中的一部分，具有特定的空间分布和频率。
激光模式的特性决定了激光器的输出特性和性能。
3.2.1模式间距和频宽光学谐振腔支持的激光模式的频率是离散的，相邻两个激光模式之间的频率差称为模式间距。
模式间距决定了激光器的频率稳定性和波长选择性。
激光器的频宽则决定了激光输出的光谱宽度和相干性。
3.2.2模式体积和光强分布激光模式的体积决定了激光束的大小。
通常情况下，激光模式的体积越小，激光束越窄。
激光模式的光强分布决定了激光束的空间分布和光功率分布。
3.2.3模式竞争和多模腔当光学谐振腔支持的激光模式过多时，模式之间会发生竞争。
光子晶体的光学谐振腔
光子晶体的光学谐振腔光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在光学领域中有着广泛的应用。
光子晶体由相同或不同折射率的介质构成，通过调控结构的周期性，可以产生光子禁带，即在一定频率范围内禁止光的传播。
而光学谐振腔则是光子晶体中的一个重要组成部分，它可以将光束暂时地“困”在某个位置上，并产生高质量因子的光子模式。
本文将对光子晶体的光学谐振腔进行探讨，并介绍其在光学器件中的应用。
光学谐振腔是一种能够使光束在空间中产生反射和干涉的结构。
它通常由两个反射镜和一个聚焦器组成。
当光束进入光学谐振腔时，它会在两个反射镜之间来回传播，并与自身干涉。
只有当光束的频率与谐振腔中的谐振频率相匹配时，光束才能够在谐振腔中积累能量，并形成稳定的光子模式。
这种模式具有高质量因子，能够长时间存储能量。
光子晶体中的光学谐振腔与传统的光学谐振腔有一些不同之处。
在传统的光学谐振腔中，反射镜通常是金属构成的，而光子晶体中的光学谐振腔则由周期性的介质构成，其结构通过改变介质的折射率来实现。
这种结构的周期性可以通过微纳加工等方法来实现，使得光子晶体中的光学谐振腔在波长尺度上具有空间周期性。
光子晶体的光学谐振腔具有许多独特的特性。
首先，光子晶体的周期性结构使得谐振腔的频率可以在较宽的范围内调谐。
这使得光子晶体的光学谐振腔可以适应不同频率的光信号，并在不同的应用中发挥作用。
其次，光子晶体的光学谐振腔具有高质量因子，这意味着光束在谐振腔中能够长时间存储能量，从而增强了光与物质的相互作用。
因此，光子晶体的光学谐振腔可以用于增强光学效应，如增强拉曼散射、增强荧光等。
光子晶体的光学谐振腔在光学器件中有着广泛的应用。
例如，在量子光学中，光子晶体的光学谐振腔可以用作量子比特的存储和传输通道，以实现量子信息的传输和处理。
在光子学中，光子晶体的光学谐振腔可以用作激光器的增益介质，从而实现高效率、高品质的激光输出。
在传感器领域，光子晶体的光学谐振腔可以用于检测微弱的光信号，从而实现高灵敏度、高分辨率的传感器。
第5章光学谐振腔的基本理论
B sin n
sin
D sin n sin (n 1)
sin
arccos
1 2
(A
D)
1、值是实数（-1<cos<1）时, Tn各元素有界谐
振腔为稳定腔。 2、值有虚部时（-1>cos或者cos>1），旁轴 光线往返有限次后便会逸出谐振腔，谐振腔为非
稳腔。
3、值等于0或者π(cos=±1)，Tn各项元素的值
38
§3 谐振腔的衍射理论基础
激光器中所使用的谐振腔是一种开腔， 在这种没有侧面边界的区域内是否存在电磁 场的本征态，即不随时间而变化的稳态场分 布?如何求出这种场分布?这些问题需要用谐 振腔的衍射理论来解决。本节首先给出理想 开腔的模型——孔阑传输线，在此基础上引 入稳态场分布——自再现模的概念。
T
2 R1
10
1 0
L 1
1 2
R2
10
1 0
L 1
1 L 1 L
2 R1
1
2L R1
2 R2
1
2L R2
2L
1 R2
2 R1
2 R2
4L R1R2
2L2
2L R1
2L R2
(1 2L )(1 R1
2L R2
)
=
A C
B
D
15
A
1
2L R2
2(1
L R2
)
1
2g2
1
2L2
L
B 2L R2 2L(1 R2 ) 2Lg2
4L 2 2 2 L L 2L2
C
( )
R1R2 R1 R2
L R1 R2 R1R2
《激光原理》3.1光学谐振腔的衍射理论(新)
条状腔经过1次和300次传播后镜面上的振幅的分 布和相位分布
• 理解激光的空间相干性：即使入射在第一个 孔面上的光是空间非相干的，但由于衍射效 应，第二个孔面上任一点的波应该看作是第 一个孔面上所有各点发出的子波的叠加，这 样，第二个孔面上各点波的相位就发生了一 定的关联。在经过了足够多次衍射之后，光 束横截面上各点的相位关联越来越紧密，因 而空间相干性随之越来越增强。在开腔中， 从非相干的自发辐射发展成空间相干性极好 的激光，正是由于衍射的作用。
我们更关心镜面上的场
激光输出直接与镜面上的场相联系。镜面上稳态 场分布的形成可以看成是光在两个镜面间往返传 播的结果。因此，两个镜面上的场必然是互相关 联的：一个镜面上的场可以视为另一个镜面上的 场所产生，反之亦然。
在开腔中存在怎样的电磁场本征态（即：不 随时间变化的稳态场分布）?如何求场分布?
u(x, y) ik u(x', y') eik (1 cos )ds'
4 M '
(1 cos ) 2 L
(3-5)
将以上近似代入(3-5)， 得到自再现模所满足的积分方程
（不受衍射影响的稳态场分布函数）
积分方程 的核
mnumn(x, y) K(x, y, x', y')uq (x', y')ds' (3-6)
• 由不同的初始入射波所得到的最终稳态场分布可能 是各不相同的，这预示了开腔模式的多样性。实际 的物理过程是，开腔中的任何振荡都是从某种偶然 的自发辐射开始的，而自发辐射服从统计规律，因 而可以提供各种不同的初始分布。（特点2：多样性）
(1)自再现模：往返一次能再现自身的稳态场分布。
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本征态就称为一个模。
在激光技术中，电磁场被光学谐振腔部分或者 全部地约束在腔内，我们将光学谐振腔内可能存在 的电磁场的本征态称为腔的模式，亦即激光器的模 式。
三、腔与模的一般联系
对于开腔—R1，R2，L
给定了腔的具体几何结构，振荡模式的特征就
确定了。
模的基本特征：
频率就是一个纵模。
（延轴线的驻波场节点数）
四、纵模与横模
可振荡纵模数：
F m 1 q
ΔνF为介质的荧光线宽，[…]表示取整。
例题
例题1：一台He-Ne激光器，腔长L=50cm，其增益
谱宽为Δ ν G=1.7×109Hz。
求：（1）纵模序数q的量级；
（2）可震荡纵模数。
反馈的效果和特征决定于
（1）组成腔的两个反射镜的反射率。 （2）反射镜的几何形状和它们之间的组合方式
二、光学谐振腔的作用
2. 波形的限制作用
（1）对方向的限制；
（2）对频率的限制；
（3）控制腔内实际振荡的模式数目，提高光子
简并度。
三、腔与模的一般联系
模的概念：
一切被约束在有限空间范围内的电磁场，都只
例题
例题2：上题的激光器，如果腔长L=5cm
求：可震荡纵模数。
例题3：一台红宝石激光器，腔长L=10cm，介质折
射率η =1.76，求：纵模间隔。
例题
例题4：有一复合腔，由折射率分别为η 1、η 2、
η 3……η n，对应的长度分别为L1、L2、L3……Ln
的n种介质组成，求：纵模频率和纵模间隔。
（1）每一个模的电磁场分布，特别是腔的横截 面内的场分布； （2）模的振荡频率； （3）模的损耗情况； （4）模的发散角。
四、纵模与横模
纵模的概念：
谐振腔内本征电磁场的纵向光场分布。
（存在于谐振腔内的驻波光场）
c q q ; 2L
c q 2L
q：纵模序数，决定腔的谐振频率，一个振荡
2. 闭腔
一、光学谐振器的构成与分类
2. 闭腔
一、光学谐振腔的构成与分类
3. 气体波导腔
气体波导腔示意图
一、光学谐振腔的构成与分类
其它腔型
环形腔
折叠腔
一、光学谐振腔的构成与分类
本课程中： 开腔--------重点讨论 闭腔--------不讨论 气体波导腔—简要介绍
二、光学谐振腔的作用
1. 提供光学反馈
四、纵模与横模
横模的概念：
谐振腔内本征电磁场的横向光场分布。 （描述光斑的强度分布） TEMmn m,n代表延坐标方向的横模序数。
五、光学谐振腔的研究方法
1.直接求解Maxwell方程
固体激光器、波导气体谐振腔中波导管内的场。
2.几何光学方法
稳定性问题、非稳腔，忽略衍射效应。
3.标量衍射理论
求解谐振腔的衍射积分方程，不能忽略衍射效应。
第三章 光学谐振腔
3.1 光学谐振腔的一般问题
激光器的构成
一、光学谐振腔的构成与分类
1. 开腔 最常用的一种谐振腔形式。
通常的气体激光器和大部分固体激光器都 采用开腔。
主要特点：
侧面敞开，没有光学边界； L>>λ，L>>d。
一、光学谐振腔的构成与分类
2. 闭腔
半导体激光器原理示意图
一、光学谐振腔的构成与分类