激光技术——激光谐振腔
激光谐振腔的调整步骤
激光谐振腔的调整步骤如下：1、检查基准光源红色的氦氖激光是整个光路的基准，必须首先确保其准确性。
用一个简易的高度规检查红光是否与光具座导轨顶面平行，并处于光具座两条导轨间的中心线上，如出现偏差，可以通过6个紧固螺钉进行调整。
调整好后注意再检查一遍所有紧固螺钉是否已经完全拧紧。
2、调整输出镜（输出介质膜片）位置调整输出镜前，应将激光晶体拿开，以免因光路中晶体的折射偏差影响调整的准确性。
输出镜的准确位置应该是使红光位于其中心位置并能将红光完全反射回红光的出射孔，否则应通过膜片架的旋钮进行仔细调整。
注意调整完后应将膜片架调节旋钮上的锁紧圈完全锁紧，确保其位置的稳定性，然后再一次检查其反射光的位置是否保持在原位。
3、检查激光晶体的安装位置用透明胶纸分别贴在激光晶体的两端，观察红光光斑是否在激光晶体的正中间位置，如有偏差，应通过调整激光晶体的位置加以修正。
然后观察激光晶体的反射光位置，应与红光的出射孔重合，否则在兼顾红光尽可能保持在晶体中心位置的前提下调整其角度位置，使反射光尽量与出射孔靠拢，至少应保证调整到与出射孔的偏差小于1mm。
4、调整全反镜（全反介质膜片）位置第一步：检查红光是否在全反镜的中间位置，否则应调整全反镜镜架的安装位置使红光在全反镜的中心。
第二步：粗调全反镜镜架旋钮，使红光反射回出射孔。
第三步：开启980nm激光，此时用完全曝光的全黑像纸放在输出镜前，可以观察到有激光输出，反复调全反镜架的两个旋钮，进一步反复仔细地微调旋钮，尽可能使打到像纸上的光斑最圆且最强部分集中在光斑中心。
第四步：检查激光是否与红光重合，将像纸固定在激光输出镜的前端并尽量远离输出镜的位置，发出一个激光脉冲，观察像纸上的光斑中心是否与红光中心重合，如不重合，可以微调输出镜和全反镜，使光斑与红光重合，然后再将像纸固定在离激光器输出镜800~1000mm的地方，再次检查光斑是否与红光重合。
如能较好地重合，激光器即调整到了最佳状态。
He-Ne激光器与激光谐振腔
He-Ne激光器与激光谐振腔一．实验目的通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入的了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。
二．实验仪器1.光学实验导轨：1000毫米一根2.准直光源：二维可调半导体激光器，650纳米3.5mW 一个3.小孔光栏屏一个4.激光管调整架：由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整。
一个5.半内腔氦氖激光管：波长633nm，最大输出功率≥2mW（硬封长寿命管）一个6.激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8毫安一个7.二维反射镜架：精密细牙调整螺钉（含硬膜半反射镜）。
一付8.二维可调扩束镜一付9.激光功率指示计：3位半数子表头，测量范围：200微瓦、2、20、200毫瓦、可调档，含半导体激光电源。
一套10.显示屏：80毫米×100毫米一块三．实验原理1、半导体发光原理a.我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白色连续光谱。
b.发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。
c.在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。
这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。
光的自发辐射、受激发射和吸收补充知识与举例：1)自发辐射---LED工作原理a.如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；射b.当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为 hv。
c.电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫 LED。
e.当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。
因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。
f.同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。
第三章激光原理光学谐振腔理论(ABCD矩阵)
g1 g 2
0 g1g2 1
L
L
g1,2
1 2 f1,2
1
R1,2
rs为实数 rs Ce js C*e js
or
rs rmax sins
r0 rmax sin
r1 Ar0 B0 rmax sin
2、每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗 ； 3、每一个模的激光束发散角 。
腔的参数 唯一确定 模的基本特征。
开腔 傍轴 传播模式的纵模特征
傍轴光线 (paraxial ray) ：光传播方向与腔轴线夹角非常小，此时 可认为sin tan
开腔 傍轴 传播模式的纵模频率间隔(F-P腔，平面波)
单位时间内损耗的能量（P）
Q的普 遍定义
E NhV P hV dN
dt
t
N N0e R
Q R
2
nL
c
前面定义 Q 1 2
R 1 2 1 不确定关系
Q
R
1
谐振腔的损耗越小，Q值越高
第二节 共轴球面腔的稳定性条件
一、几何光学中的光线传输矩阵（ABCD矩阵）
纵模间隔
q
q1
q
q
1 c
2L
q
c 2L
c 2L
•纵模间隔与序数q无关，在频率尺度上等距排列；
•纵模间隔大小与腔长成反比。
三、光腔的损耗
1、损耗的种类及举例
a.几何偏折损耗； b.衍射损耗；
选择损耗
（有选模作用）
c.腔镜反射不完全引入损耗；
激光谐振腔的作用
激光谐振腔的作用
激光谐振腔是一种先进的光学元件，它的作用是将激光光束通过反射镜反复叠加，使光束放大并产生一种振荡效应。
激光谐振腔具有一定的宽度和长度，而其核心就是将多次反射制成一种振荡状态。
一般情况下，激光谐振腔里内置一个反射镜，其中一端反射镜是完全反射镜，另一端是半透明镜，中间有一个有限宽度的空腔，有一个自由空气孔。
激光谐振腔的作用主要有以下几点：
1、放大激光能量：激光谐振腔可以把输入的微弱的激光能量，在空腔的反复叠加作用下，使其持续地反复反射，然后输出一团强大的激光能量源。
整个激光谐振腔的设计原理就是将小的能量值叠加起来，从而得到一定的输出能量。
2、调整激光束的形状：由于激光谐振腔中有反射镜，可以把输入的激光能量调节成一定的形状，例如定圆度，定椭圆等。
3、调整激光束的方向：由于激光谐振腔有反射镜，可以把输入的激光能量进行定向，使其达到一定的方向。
4、以低的激光能量产生广泛的应用：激光谐振腔可以以极低的激光能量输入，通过叠加，然后输出一团强大的激光能量源，可以用于激光焊接、激光机床等领域。
激光谐振腔是一种重要的光学元件，它的应用非常广泛。
它不仅用于研究和实验室应用，也可以用于医疗、检测等领域。
随着科技的发展，激光谐振腔在各个领域的应用也会变得越来越广泛。
总之，激光谐振腔是一种先进的光学元件，它可以把输入的激光能量调节成一定的形状，可以以极低的激光能量输入，然后输出一团强大的激光能量源，具有实际应用价值。
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。
激光谐振腔的matlab实现
激光谐振腔的matlab实现
1 激光谐振腔基础理论
激光谐振腔是激光器的重要组成部分，其中光就像在两个镜子之间反复跳跃一样，在腔体内不断往返，产生增幅作用，形成强烈的光束输出。
理解和分析激光
谐振腔的物理模型，是设计和优化激光器的关键步骤，对于实现激光器性能的提升有着重要的影响。
2 Matlab在激光谐振腔中的应用
Matlab作为一种高效的数值计算编程语言，在激光谐振腔的研究中也找到了广泛的应用。
在Matlab环境下，我们可以通过建立数学模型来模拟腔体内部的光场
分布、激光输出的特性等，并且可以通过改变模型中的参数，完成对激光谐振腔不同工作状态的模拟实验。
3 Matlab实现激光谐振腔模拟的步骤
首先，我们需要定义与激光腔体相应的一组物理参数，如镜背的曲率、镜面间距离等。
然后，根据物理理论，写出描述腔体光场的基本方程，并转化为差分形式。
最后，利用Matlab的数值计算功能，以这些方程为基础，进行一系列的计算和模拟。
4 算例展示
例如，我们要模拟一个简单的平面-平面腔体。
设镜面间距为d，激活介质厚度为L，初始激光场为单色平面波，初始功率为P0，我们可以先计算激光场在腔内的能量分布，再将该能量分布转化为光电流，最后将光电流转化为光强分布，得到激光输出。
以上是用Matlab实现激光谐振腔模拟的基本步骤，具体的代码和参数需要根
据实际问题实际分析。
总之，凭借Matlab强大的数值计算能力和可视化功能，我
们可以有效地模拟和优化激光谐振腔，进一步提升激光器的性能。
北交大激光原理-第4章-谐振腔部分
——等相位面为平面
(共焦腔基模光束)远场发散角： [弧度]
5．一般稳定球面腔问题
可以借助于其等价共焦腔行波场的解析解的特性表达出来，此处可参考教科书。
6．非稳定谐振腔问题
关于非稳定谐振腔的问题主要包括求出共轭像点 和 的位置；计算非稳腔的能量损耗率、几何放大率等。
共轭像点 和 的位置分别为 ，由球面镜成像公式
而对于环形腔和折叠腔〔非共轴球面腔〕，由于象散，球面镜在子午面和弧矢面的焦距不共点。其中子午面为环形回路所在平面，弧矢面为包含回路一边长，垂直于子午面的平面。对于在由光轴组成的平面内传输的子午光线， 。对于在与此垂直的平面内传输的弧矢光线， ， 为光轴学谐振腔积分方程的特征值 ，它的实部决定腔损耗，特征值 的虚部决定光波的单程相移。将特征值代入 中得： 。即 表示腔内经单程度越后自再现模的振幅衰减。即 的实部决定腔损耗， 表示每经一次度越的相位滞后，所以 的虚部决定的单程相移。
14.如下列图所示三镜环形腔，已知l，试画出其等效透镜序列图，并求球面镜的曲率半径R在什么范围内该腔是稳定腔。图示环形腔为非共轴球面镜腔，在这种情况下，对于在由光轴组成的平面内传输的子午光线，f =Rcos/2，对于在于此垂直的平面内传输的弧矢光线，f =R/(2cos)，为光轴与球面镜法线的夹角。
解得：
几何放大率
镜 的单程放大率
镜 的单程放大率
非稳腔对几何自再现波型在腔内往返一周的放大率
对望远镜非稳定腔〔实共焦腔和虚共焦腔〕
平均单程能量损耗
往返能量损耗
四、思考题
1.光学谐振腔的作用是什么？
2.光学谐振腔的构成要素有哪些，各自有哪些作用？
3.光学谐振腔有哪些常用研究方法？
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。
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平行平面腔中平面波的往返传播
q 驻波条件(光波波长和平行平面腔腔长)： L q 2 q 2
谐振频率(频率和平行平面腔腔长)：
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Байду номын сангаас
2L q 2
光腔中的驻波
C q q 2L
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纵模-纵向的稳定场分布
激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布 整数q称为纵模的序数，驻波系统在腔的轴线上零场强度的数目
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一般球面腔 R<L<2R
5
第一节 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。
2. 产生对振荡光束的控制作用
光学谐振腔的构成
光学谐振腔的种类
谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔 开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、 非稳定腔 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，简单腔与复 合腔
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2
闭腔、开腔、气体波导腔
这是激光技术历史上最早提 出的平行平面腔（F-P腔）。 后来又广泛采用了由两块具 有公共轴线的球面镜构成的 谐振腔。从理论上分析这些 腔时，通常认为侧面没有光 学边界，因此将这类谐振腔 称为开放式光学谐振腔，简 称开腔
第一节 光学谐振腔的构成
最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射 镜构成。
常用的基本概念： 光轴：光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个 端面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。
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q 0.5 109 Hz
单频激光器和多模激光器
L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器
q 1.5109 Hz
L=10厘米的He-Ne气体激光器
L=30厘米的He-Ne气体激光器 Ne原子的中心频率： Ne原子的中心波长： 荧光光谱线宽：
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激光谐振腔内低阶纵模分布示意图
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激光纵模分布示意图
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横模-横向X-Y面内的稳定场分布
激光的模式用符号： TEMmnq
q为纵模的序数(纵向驻波波节数)，m,n (p,l)为横模的序数。 对于方形镜，M表示X方向的节线数， N表示Y方向的节线数； 对于圆形镜， p 表示径向节线数，即暗环数，l表示角向节线数，即暗直径数
基模(横向单模)： m=n=0, 其它的横模称为高阶 横模 方形反射镜和圆形反射镜的横模图形
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(a) TEM00
(b) TEM10
(c) TEM02
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(d) TEM03
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横模电场分布及强度示意图
(a) TEM00
(b) TEM10
q 0.5109 Hz
4.74 1014 / s
6328À
q 1.5 109 Hz
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激光器中出现的纵模数
工作原子自发辐射 的荧光线宽越大， 可能出现的纵模数 越多。 激光器腔长越大， 相邻纵模的频率间 隔越小，同样的荧 光谱线线宽内可以 容纳的纵模数越多。
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.
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.
3.
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 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 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
光学谐振腔的模式: 谐振腔内可能存在的电磁场本征态。
模式与腔的结构之间具有依赖关系 光学谐振腔的模式分为：纵模和横模
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谐振条件和驻波条件
驻波的定义：二振幅相同的相干波，在同一 直线上反向传播时迭加的结果称为驻波。
相位差：
光学长度：
q 2 / 2L 2L
C q阶纵模频率可以表达为： q q 2L C 基纵模的频率可以表达为： 1 2L
谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍） 纵模的频率间隔：
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q q 1 q
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C 2L
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腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的
激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图
闭腔
固体激光器的工作物质通 常具有比较高的折射率， 因此在侧壁上将发生大量 的全反射。如果腔的反射 镜紧贴激光棒的两端，则 在理论上分析这类腔时， 应作为介质腔来处理。半 导体激光器是一种真正的 介质波导腔。这类光学谐 振腔称为闭腔 2009
气体波导腔
另一类光腔为气体波导激光谐 振腔，其典型结构是一段空心 介质波导管两端适当位置放置 反射镜。这样，在空心介质波 导管内，场服从波导中的传播 规律，而在波导管与腔镜之间 的空间中，场按与开腔中类似 的规律传播。 3
开腔
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稳定腔和非稳定腔
看在腔内是否存在稳定振荡的高斯光束
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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
由两块相距为L、 平行放置的平面反 射镜构成
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由两个以上的 反射镜构成 平凹腔和凹凸 与双凸腔图22-1书中58页
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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
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第二节 光学谐振腔的模式(波型)
在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分 立的本征态之中，场的每种本征态将具有一定的振荡频率 和空间分布。