激光原理2.1谐振腔
浅谈光学谐振腔
浅谈光学谐振腔摘要：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，从真空紫外到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。
本文从光的传播矩阵推导了谐振腔的稳定条件和光腔损耗，并解释了横模形成的原因。
最后介绍了自由电子激光器谐振腔、微腔和X 射线激光腔。
关键词：激光；谐振腔；自由电子激光腔；微腔1激光1.1激光简介激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。
激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。
激光具有方向性好、单色性好能量集中、相干性好等特点。
正因为激光器具备的这些突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破[1]。
1.2激光器的分类（1）按工作物质分类：根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃）；②气体激光器；③液体激光器；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。
（2）按激励方式分类：①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。
（3）按运转方式分类：由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。
①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④可调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器[2]。
（4）按输出波段范围分类：根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种：①远红外激光器；②中红外激光器；③近红外激光器；④可见激光器；⑤近紫外激光器；⑥真空紫外激光器；⑦X射线激光器，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[1]。
1.3激光器的组成任何一种激光器,其基本结构都可以分为三部分:(1)工作物质,用来产生受激发射；(2)激励(泵浦)装置,用来激励工作物质以获得粒子数反转；(3)光学共振腔,用来维持受激发射的持续振荡,并限制产生振荡的光子的特征(行进方向、波长等)。
激光原理第三章 华中科技大学课件 光学谐振腔幻灯片课件
开腔内插入光学元件的复合腔； • 对于常用的共轴反射镜腔，当满足前面得到的稳定性条件 0 g1g2 1
时，称为稳定腔；
• 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为非稳腔； • 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为临界腔；
严格的理论证明，只要满足条件 a2 / L 1 ，则腔 内损耗最低的模式仍可以近似为平面波，而 a2 / L
是光腔的菲涅尔数，它描述了光腔衍射损耗的大小。
3.2.1自由空间中的驻波
沿z方向传播的平面波可以表示为： 沿-z方向传播的平面波为：
e1(z,t) E0 cos 2 (t z / )
发生重叠时的电磁场分布为：
–分别以两个反射镜的曲率半径 为直径，圆心在轴线上，作反 射镜的内切圆，该圆称为σ圆；
–若两个圆有两个交点，则为稳 定腔；
–若没有交点，则为非稳腔； –若只有一个交点或者完全重合，
则为临界腔；
3.2光学谐振腔的模式
• 3.2.1平平腔的驻波
– 均匀平面波近似 一般的开放式光学谐振腔都满足条件：a , L 在满足该条件时，可以将均匀平面波认为是腔内存在 的稳定电磁场的本征态，为平行平面腔内的电磁场提 供一个粗略但是形象的描述；
• 自再现模经一次往返所发生的能量损耗定 义为模的往返损耗，它等于衍射损耗；
• 自再现模经一次往返所产生的相位差定义 为往返相移，往返相移应为2π的整数倍， 这是由腔内模的谐振条件决定的。
3.4.1开腔模式的物理概念
• 孔阑传输线
• 开腔物理模型中衍射的作用
– 腔内会随机的产生各种不同的模，而衍射效应将其中可以实现自 再现的模式选择出来；
光学谐振腔与激光工作原理
光学谐振腔与激光工作原理在现代科技发展的浪潮中，激光技术成为了各个领域中不可或缺的重要工具。
而要理解激光的工作原理，我们首先需要了解光学谐振腔的概念和作用。
光学谐振腔是一种能够增强光场的装置，它由两个反射镜构成，其中一个镜子是半透明的，允许一部分光线透过。
当光线进入谐振腔后，会在两个反射镜之间来回反射，形成一个闭合的光学回路。
这种来回反射的过程会导致光线在谐振腔内积累，形成一个强光场。
谐振腔的光场强度与谐振腔的品质因子（Q因子）有关。
Q因子是一个衡量谐振腔能量损耗程度的参数，它越大，能量损耗越小，光场在谐振腔内积累的时间越长，光场强度也越高。
在激光器中，光学谐振腔扮演着至关重要的角色。
激光器由一个激发介质和一个光学谐振腔组成。
激发介质可以是气体、固体或液体，它能够吸收外界能量并将其转化为光子能量。
当激发介质受到外界激发时，它会产生一束光线，这束光线会被光学谐振腔反复反射，形成一个强光场。
光学谐振腔的另一个重要作用是选择性放大。
在谐振腔内，只有与谐振频率相匹配的光波才能得到放大，其他频率的光波则会被衰减。
这种选择性放大使得激光器能够产生单色、相干的激光。
激光的工作原理可以通过三个过程来解释：激发、放大和反馈。
首先是激发过程。
在激光器中，激发介质受到外界能量激发后，其内部的原子或分子会处于一个激发态。
当激发态的原子或分子回到基态时，它们会释放出能量，这些能量以光子的形式传播出来。
接下来是放大过程。
在光学谐振腔中，光子会被不断反射，与激发介质相互作用。
当光子与激发介质发生相互作用时，激发介质会将能量传递给光子，使其能量增强。
这个过程称为光子与激发介质的相互作用，也是激光放大的基础。
最后是反馈过程。
在光学谐振腔中，部分光子透过半透明镜子逸出，形成激光输出。
而逸出的光子也会被反射回来，继续参与放大过程。
这种反射和放大的循环使得激光得以持续输出。
激光的特点是单色性、相干性和定向性。
单色性指的是激光的频率非常纯粹，只有一个特定的频率。
现代激光应用技术知识第三章激光谐振腔与模式
04
功率计
频谱分析仪
05
用于产生激光，常用的有固体激光器、气体激光器和半导体 激光器等。 用于反射激光，形成谐振腔，通常使用高反射率的反射镜。
用于测量激光的光束质量，包括光束直径、发散角等参数。
用于测量激光的功率。
用于测量激光的频率和线宽。
实验步骤与方法
1. 准备实验设备与器材，搭建实验装置。
03
激光谐振腔的设计与优化
谐振腔的设计原则与步骤
高效输出
谐振腔应能将尽可能多的光束限制在 激光介质中，以提高光束输出效率。
单模输出
为了获得高相干性和高光束质量，谐 振腔应能实现单模工作。
谐振腔的设计原则与步骤
• 稳定性：谐振腔应具有足够的稳定性，以抵抗外部扰动和内部热效应。
谐振腔的设计原则与步骤
反射镜间距
合适的反射镜间距可以控制谐 振腔的长度，进而影响输出波 长和模式质量。
反射镜曲率
通过调整反射镜的曲率，可以 改变光束在谐振腔内的反射路 径，进而影响输出光束的形状 和大小。
光束截面形状
优化光束截面形状可以提高光 束质量和减少热效应，例如使 用圆形或矩形截面。
谐振腔的稳定性分析
热效应
激光工作过程中产生的热量会导致光束漂移和折 射率变化，进而影响谐振腔的稳定性。
结论
根据实验结果，可以得出激光谐振腔的性能参数 和应用范围，为后续的激光应用提供参考和依据 。
05
激光谐振腔的应用与发展趋势
激光谐振腔的应用领域
通信与光通信
激光谐振腔在光纤通信中作为信号源，实现高速、大容量、长距离的 通信。
工业制造
激光谐振腔用于激光切割、焊接、打标等工业制造领域，提高加工精 度和效率。
激光器中的谐振腔结构
激光器中的谐振腔结构激光器是一种利用受激发射原理产生的一束相干光的设备。
而激光器中的谐振腔结构则是激光器能够实现受激发射的关键组成部分之一。
本文将深入探讨激光器中的谐振腔结构的原理及其影响激光输出的几个重要参数。
首先，我们需要了解什么是谐振腔。
谐振腔是一个封闭的结构，由两个或多个具有反射能力的镜片组成。
其中一个镜片是半透明的，允许一部分光通过，而另一个镜片是完全反射的。
当光进入谐振腔后，在内部来回多次反射，形成多次穿过半透明镜片的光束。
这样，光线可以在谐振腔内不断积累能量，形成高度相干的激光束。
其次，谐振腔的两个镜片对激光器的输出特性影响很大。
首先是输出功率。
谐振腔的长度将直接决定激光器的输出频率，而反射镜片的反射率和传输率将影响激光器的输出功率。
反射率越高，参与谐振的光返还到谐振腔中的能量越多，因此输出功率越高。
而传输率则影响谐振腔中光线通过半透明镜片的速率，进而影响激光器的输出功率稳定性。
其次，谐振腔的长度也会影响激光器的输出频率。
谐振腔的长度决定了在腔内来回穿梭的光束可以形成哪个特定的共振模式。
对于某一频率的激光器，如果谐振腔长度发生微小变化，就会导致激光器的输出频率发生变化。
因此，我们需要在设计激光器时，根据所需的输出频率，来选择合适的谐振腔长度。
另外，谐振腔的形状也对激光器的性能起着关键作用。
传统的激光器谐振腔通常采用圆柱形，这是因为圆柱形能够达到最高的输出功率和频率稳定性。
而近年来，随着技术的进步，一些新型谐振腔结构被提出。
例如，狭缝型谐振腔可以产生非常窄的线宽，用于一些精密测量和光谱学的应用。
除了上述的影响因素，激光器中的谐振腔结构还受到其他一些因素的影响。
其中之一就是温度的变化。
温度的变化会导致谐振腔长度的微小变化，进而影响激光器的输出频率和稳定性。
为了解决这个问题，一些激光器会采用温度稳定性更好的材料来制造谐振腔。
总而言之，激光器中的谐振腔结构是激光器能够实现受激发射的关键组成部分之一。
光学谐振腔原理
光学谐振腔原理一、引言光学谐振腔是一种光学器件，利用反射镜将光束反复地来回传播，形成驻波场，从而增强光的强度。
它广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
本文将详细介绍光学谐振腔的原理。
二、基本结构光学谐振腔由两个反射镜组成，其中一个镜子是半透明的，可以将一部分光线透过去。
当激光器发出一束单色激光时，它被反射镜反射回来，在两个反射镜之间来回传播，并在其中形成驻波场。
三、驻波场的形成当激光束从一个反射镜进入谐振腔时，它被反射回来，并在另一个反射镜上发生多次反射。
如果两个镜子之间的距离是整数倍的波长，则会形成一个驻波场。
在这个场中，电磁波的振幅和相位都是固定不变的。
四、增益介质为了使谐振腔中的激光能够不断地增强，需要在腔内加入一个增益介质。
增益介质是一种能够放大光信号的物质，如激光晶体、半导体等。
当激光通过增益介质时，它会被放大，并在反射镜上反射回来。
五、谐振条件为了使光学谐振腔正常工作，需要满足一定的谐振条件。
首先，两个反射镜之间的距离必须是整数倍的波长。
其次，增益介质必须具有足够的增益，以补偿光损失。
六、应用领域光学谐振腔广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
在激光器中，它可以使激光输出更加稳定和强大。
在光纤通信中，它可以使信号传输更加远距离和高速。
七、总结本文详细介绍了光学谐振腔的原理和基本结构，以及驻波场的形成、增益介质、谐振条件和应用领域等方面。
通过深入了解这些知识点，我们可以更好地理解光学谐振腔的工作原理，为实际应用提供更加有效的支持。
激光原理2.1谐振腔
l3
l2
l1
折叠腔
谐振腔作用：提供光学正反馈，控制光束特征 (模式,功率,光斑)
2.光腔的两种理论方法
• 衍射理论: 不同模式按场分布,损耗, 谐振频率来区分, 给出
不同模式的精细描述, 适用菲涅尔数不大, 衍射效应明显 • 几何光学+干涉仪理论: 忽略反射镜边缘引起的衍射效应,
不同模式按传输方向和谐振频率来区分, 粗略但简单明了
易于安装调整、衍射损耗低、成本低 半球型谐振腔主要应用于低功率氦氖激光器
半球型谐振腔
平凹稳定腔 平凹稳定腔的特点：
模体积较大 且具有价格优势 平凹稳定腔一般应用与连续激光器；大多数情况下
R1 > 2L
平凹稳定腔示意图
非稳定腔 一连续高功率二氧化碳激光器的非稳定谐振腔
➢光学谐振腔的作用
1.提供光学正反馈作用 ：使得振荡光束在腔内行进一次 时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起 的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多 次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。
n n 2 n 1 R 22 ( 1 R 1 2 B R 2 2 )1 f1 ( 2 ν B )2f1 (ν ) (R 1 R 2 )1
R1 2 22(B R 21 1fR (ν2))112 Bn 201f(ν)
2.2.4 小信号工作时的粒子数密度反转分布
1. 由式 n n 2 n 1R 1 2 2 2 ( B R 2 1 1 fR (ν 2 ) )1 1 2 B n 201 f(ν )
典型的激光器谐振腔 模体积
激光模式在腔内所能扩展的空间范围。
模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子数就多 就可能获得大的输出功率；
激光原理2.1光学谐振腔结构与稳定性(2014)
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
稳定区: 由 (二直线) g1= 0、g2= 0 和(二支双曲
线) g1g2 = 1 线(黄色)所围区域(不含边界)
*(图上浅蓝色的区域)
临界区: 边界线(红绿黄线)
非稳区: 其余部份 *(阴影区)
高福斌
21/42
• 一球面腔(R1 ,R2 , L)相应的(g1 ,g2)落在稳定区, 则为 稳定腔；
⎫
⎪⎪ ⎬
1
⎪ ⎪⎭
⇒
g1g 2
>0
∵ R1 < 0 ⇒ R1 = − R1 ∵ R1 > R2 − L ⇒ R1 = − R1 > R2 − L ⇒ R1 + R2 < L
∵ R1 + R2 < ∵ R1R2 < 0
L
⎫ ⎬
⇒
⎭
g1 g 2
<1−
L R1 R2
L+
L2 R1 R2
=1
高福斌
13/42
激光原理
高福斌
2014.10.9 gaofubin@
高福斌
1/42
教学用书
著者：陈家璧 电子工业出版社
出版日期：2008-08
教师联系方式： Email： gaofubin@ 办公室：D433
高福斌
22/42
第2章 激光器的工作原理
回顾 ——产生激光的三个必要条件： 1. 工作物质 2. 激励能源 3. 光学谐振腔
¾对称共焦腔
R1＝R2＝L， 因而，g1=0， g2=0， 对应图中的坐 标原点。
L F
R1
R2
高福斌
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
26/42
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
同心球面腔的优势： 同心球面腔 1）衍射损耗低 2）易于安装调整
同心球面腔的劣势： 1）模体积小 2）腔内产生光辐射聚焦现象
同心球面主要应用于连续工作的染料激光器泵浦激光器
同心球面腔结构示意图
共焦谐振腔 共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间， 其特点如下： 1）镜面较易安装、调整； 2）较低的衍射损耗； 3）腔内没有过高的辐射聚焦现象； 4）模体积适度；
典型的激光器谐振腔 模体积
激光模式在腔内所能扩展的空间范围。
模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子数就多 就可能获得大的输出功率；
谐振腔的选择：
衍射损耗 模体积 腔体镜面的安装
平行平面腔 平行平面腔的优势
1） 模体积大、 2）腔内激光辐射没有聚焦现象 平行平面腔的劣势
1）衍射损耗高 2）镜面调整难度高 平行平面腔主要应用于高功率脉冲激光器
q
l3
l2
l1
折叠腔
谐振腔作用：提供光学正反馈，控制光束特征 (模式,功率,光斑)
2.光腔的两种理论方法
• 衍射理论: 不同模式按场分布,损耗, 谐振频率来区分, 给出
不同模式的精细描述, 适用菲涅尔数不大, 衍射效应明显 • 几何光学+干涉仪理论: 忽略反射镜边缘引起的衍射效应,
不同模式按传输方向和谐振频率来区分, 粗略但简单明了
共焦谐振腔一般应用于连续工作的激光器
共焦谐振腔示意图
长半径球面腔
长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点 如下： 1） 中等的衍射损耗；2）较易安装调整； 3）模体积很大； 4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；
长半径球面谐振腔适于连续工作的激光器
长半径球面腔示意图
半球型谐振腔 半球型谐振腔的特点：
(1) 稳定腔
➢双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，R1>L,R2>L对应图中1区;R1<L,R2<L, 以及R1+R2>L对应图中2、3和4区
如图(2-2)所示，图中没有斜线的部分 是谐振腔的稳定工作区，其中包括坐 标原点。图中画有斜线的阴影区为不 稳定区，在稳定区和非稳区的边界上 是临界区。对工作在临界区的腔，只 有某些特定的光线才能在腔内往返而 不逸出腔外。
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类
2.利用稳定条件可将球面腔分类如下:
影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素： 组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及 它们之间的组合方式。
2. 产生对振荡光束的控制作用 主要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。改变腔的 参数如：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置
1. 有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性 好、方向性强的相干光
易于安装调整、衍射损耗低、成本低 半球型谐振腔主要应用于低功率氦氖激光器
半球型谐振腔
平凹稳定腔 平凹稳定腔的特点：
模体积较大 且具有价格优势 平凹稳定腔一般应用与连续激光器；大多数情况下
R1 > 2L
平凹稳定腔示意图
非稳定腔 一连续高功率二氧化碳激光器的非稳定谐振腔
➢光学谐振腔的作用
1.提供光学正反馈作用 ：使得振荡光束在腔内行进一次 时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起 的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多 次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。
稳定腔、非稳定腔和临界腔 看在腔内是否存在稳定振荡的高斯光束
* 常见的谐振腔形式
平行平面腔 由两块相距为L、平行 放置的平面反射镜构成
双凹球面镜腔： 由两块相距为L，曲率半径 分别为R1和R2的凹球面反
射镜构成
R1=R2=L
R1+R2=L
一般球面腔 R<L<2R
由两个以上的 反射镜构成
平凹腔和凹凸与双凸腔等
1. 规定曲率半径为R，焦距为f，物距s和象距s´在反射镜前面为正，在 反射镜后面的为负，则有：
1) 对于凹透镜，R>0，f=R/2>0 2) 对于凸透镜，R<0，f=R/2<0
3) 对于平面镜，R,f
2.成像公式为:
1 1 1 s s f
3.如图(2-1)所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球 面反射镜的曲率半径R1、R2，和腔长即与光轴相交的反射镜面上的两个 点之间的距离L。可以证明共轴球面腔的稳定性条件是:
01RL11RL2 1
图(2-1) 共轴球面腔结构示意图
2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类
1.常常稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件 ， 定义： g 1 1 L R 1 及 g 2 1 L R 2共轴球面谐振腔的稳定性条件可改写为:
0g1g21
➢当 0g1g21时，共轴球面谐振腔为稳定腔 ➢当 g 1g20 或 g 1g21时，共轴球面谐振腔为非稳腔 ➢当 g 1g20 或 g 1g21时，共轴球面谐振腔为临界腔
2. 可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、 谐振频率及光束发散角
3. 可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能 控制激光束的输出功率
研究光学谐振腔的目的
通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光 器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的 要求
Chapter2 激光器的工作原理
2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件
谐振腔的使用特点（1）可使输出光有良好的方向性。（2）
限制模式和选择频率的作用。
§2.1 谐振腔
1.腔的构成与分类
(a) 闭腔 (b) 开腔 (c)气体波导腔
h
半导体激光器
h
h
介质波导腔
另：折叠腔、环形腔 复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等
按谐振腔的几何逸出损耗分类：稳定腔，非稳定腔，临界腔
一般由三部分组成：工作物质、激励源和谐振腔
激励能源
激光
全反射镜R11
３． 光学谐振腔
部分反射镜R2<1
一个是全反射镜，另一个是部分透射镜（输出镜）
谐振腔的作用正是加强介质中的受激放大作用，使得受激辐
射成为介质中占优势的一种辐射。在光学谐振腔内，工作物 质吸收能量发射光波，沿谐振腔轴线的那一部分光波在谐振 腔内来回振荡，多次通过处于激活状态的工作物质，“诱发” 激活的工作物质发光，光被放大。当光达到极高的强度，就 有一部分放大的光通过部分透过率反射镜输出，这就是激光， 而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外。