最新光學(xué)諧振腔的模式

1、知識(shí)豐富人生科技振興中華光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔3.2 3.2 光學(xué)諧振腔的模式光學(xué)諧振腔的模式 在諧振腔中在諧振腔中, ,光信號(hào)能多次反復(fù)地沿著光信號(hào)能多次反復(fù)地沿著腔軸的方向通過工作物質(zhì)腔軸的方向通過工作物質(zhì), ,不斷獲得光放不斷獲得光放大大, ,信號(hào)越來越強(qiáng)信號(hào)越來越強(qiáng), ,達(dá)到飽和達(dá)到飽和, , 形成激光輸形成激光輸出。出。 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔全反射全反射反射反射99%. .輸出激光束輸出激光束1.1.產(chǎn)生和維持光放大。產(chǎn)生和維持光放大。一、一、光學(xué)諧振腔的作用：光學(xué)諧振腔的作用： 2. 2.改善激光方向性。改善激光方向性。 凡是傳播方向偏離腔軸方向的光子凡是傳播方向偏離腔軸方向的光子,

2、 ,很快逸很快逸出腔外被淘汰出腔外被淘汰, ,只有沿著腔軸方向傳播的光子才只有沿著腔軸方向傳播的光子才能在管中不斷地往返運(yùn)行而得到光放大能在管中不斷地往返運(yùn)行而得到光放大, ,所以輸所以輸出激光具有很好的方向性。出激光具有很好的方向性。 3. 3.改善激光單色性。改善激光單色性。 激光在諧振腔中來回反射，相干疊加，形激光在諧振腔中來回反射，相干疊加，形成以反射鏡為波節(jié)的駐波。成以反射鏡為波節(jié)的駐波。 只有滿足上式波長的光才可能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的只有滿足上式波長的光才可能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩而不斷得到加強(qiáng)，其它波長的光很快就會(huì)衰減而振蕩而不斷得到加強(qiáng)，其它波長的光很快就會(huì)衰減而淘汰。諧振腔的這種選

3、頻作用（共振頻率），極大地淘汰。諧振腔的這種選頻作用（共振頻率），極大地提高了輸出激光的單色性。提高了輸出激光的單色性。qlq2q =1,2,.qcq2nl或頻率或頻率q=1q=2q=3.l由于兩端為波節(jié)由于兩端為波節(jié), , 所以腔長：所以腔長：二、二、光學(xué)諧振腔的模式：光學(xué)諧振腔的模式：光學(xué)諧振腔的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光的波長，因此光學(xué)諧振腔的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光的波長，因此必須研究光的電磁場在諧振腔內(nèi)的分布問題，必須研究光的電磁場在諧振腔內(nèi)的分布問題，即所謂諧振腔的模式問題。即所謂諧振腔的模式問題。 激光電磁場空間分布情況（模式）與腔結(jié)激光電磁場空間分布情況（模式）與腔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，光場穩(wěn)定的縱向

4、分布稱縱模，構(gòu)之間的關(guān)系，光場穩(wěn)定的縱向分布稱縱模，橫向分布稱橫模。橫向分布稱橫模。所謂模的基本特征，主要指的是：所謂模的基本特征，主要指的是：（1）每一個(gè)模的電磁場分布，特別是在腔的橫）每一個(gè)模的電磁場分布，特別是在腔的橫 截面內(nèi)的分布；截面內(nèi)的分布；（2）每一個(gè)模在腔內(nèi)往返一次經(jīng)受的相對功率）每一個(gè)模在腔內(nèi)往返一次經(jīng)受的相對功率損耗；損耗；（3）與每一個(gè)模相對應(yīng)的激光束的發(fā)散角。）與每一個(gè)模相對應(yīng)的激光束的發(fā)散角。原則上說，只要知道了腔的參數(shù)，就可以唯一原則上說，只要知道了腔的參數(shù)，就可以唯一的確定模的上述特征。的確定模的上述特征。1.光學(xué)諧振腔的縱模：光學(xué)諧振腔的縱模：反射鏡反射鏡光的振

5、幅光的振幅反射鏡反射鏡q2l為了能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，要求光波能為了能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，要求光波能夠因干涉而得到加強(qiáng)。因此，光波從某點(diǎn)出夠因干涉而得到加強(qiáng)。因此，光波從某點(diǎn)出發(fā)，在腔內(nèi)往返一次再回到原位時(shí)，應(yīng)與初發(fā)，在腔內(nèi)往返一次再回到原位時(shí)，應(yīng)與初始光波同相位，即入射波與反射波相位差是始光波同相位，即入射波與反射波相位差是22的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。式中的式中的n n是諧振腔內(nèi)介質(zhì)折射率。是諧振腔內(nèi)介質(zhì)折射率。022nlq 20qnlqq22qcq2nlq =1,2,.通常把由通常把由q q值所表示的腔內(nèi)的縱向場分布稱為諧振腔值所表示的腔內(nèi)的縱向場分布稱為諧振腔的的縱?？v模，不同的不同的q

6、 q值相應(yīng)于不同的縱模值相應(yīng)于不同的縱模。從式中可看。從式中可看出，出，q q值決定縱模的值決定縱模的諧振腔頻率諧振腔頻率。（1）諧振腔的縱模頻率（共振頻率）為：諧振腔的縱模頻率（共振頻率）為：qq 1qcq2nlc(q1)2nlc2nl（2）諧振腔內(nèi)相鄰兩個(gè)縱模頻率（共振頻率）諧振腔內(nèi)相鄰兩個(gè)縱模頻率（共振頻率） 差值（差值（縱模間隔縱模間隔）為：）為：由此可見，由此可見，vvq q與與q q值無關(guān)，對于給定的諧振腔來說，縱值無關(guān)，對于給定的諧振腔來說，縱橫間隔是個(gè)常數(shù)，因此，諧振腔的縱模的頻譜是等距離橫間隔是個(gè)常數(shù)，因此，諧振腔的縱模的頻譜是等距離排列的排列的-頻率梳頻率梳 。討論：討論：

7、當(dāng)當(dāng)q q值只有值只有1 1時(shí)，稱單縱模；當(dāng)時(shí)，稱單縱模；當(dāng)q q值個(gè)數(shù)大于或等值個(gè)數(shù)大于或等于于2 2時(shí)，稱多縱模。時(shí)，稱多縱模。2）縮短腔長會(huì)使激光輸出功率降低，頻率不）縮短腔長會(huì)使激光輸出功率降低，頻率不穩(wěn)。解決方法：縱模選擇技術(shù)，如：在腔內(nèi)穩(wěn)。解決方法：縱模選擇技術(shù)，如：在腔內(nèi)引入色散元件（引入色散元件（f-p標(biāo)準(zhǔn)具），或采用復(fù)合腔標(biāo)準(zhǔn)具），或采用復(fù)合腔結(jié)構(gòu)；在半導(dǎo)體激光器中注入鎖定技術(shù)。結(jié)構(gòu)；在半導(dǎo)體激光器中注入鎖定技術(shù)。 1）提高激光的單色性方法之一是縮短）提高激光的單色性方法之一是縮短腔長腔長l。（3）每個(gè)縱模寬度每個(gè)縱模寬度c為：為：cc1 v2nl氦氖激光器氦氖激光器 0.6

8、328 m 譜線寬度為譜線寬度為 總總 =13109 hz因此，在因此，在 總總區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為98q1.3 10n81.5 102.光學(xué)諧振腔的橫模：光學(xué)諧振腔的橫模：電磁場在腔內(nèi)橫向電磁場在腔內(nèi)橫向平面內(nèi)的各種穩(wěn)定分布。平面內(nèi)的各種穩(wěn)定分布。激光腔內(nèi)可能存在多個(gè)模式（激光腔內(nèi)可能存在多個(gè)模式（橫模橫模），它們），它們是經(jīng)過一次往返傳輸能夠再現(xiàn)的穩(wěn)定電磁場是經(jīng)過一次往返傳輸能夠再現(xiàn)的穩(wěn)定電磁場分布。一般的人們愿意使用具有最高對稱性分布。一般的人們愿意使用具有最高對稱性的模（的模（基模基模），標(biāo)記為），標(biāo)記為temtem0000。其他模式。其他模式tem

9、mntemmn可以使用窄的激光介質(zhì)，反射鏡尺寸等來抑可以使用窄的激光介質(zhì)，反射鏡尺寸等來抑制。制。temtem0000模的截面是對稱的，強(qiáng)度是高斯分模的截面是對稱的，強(qiáng)度是高斯分布的。布的?；鶛M模在激光光束基橫模在激光光束的橫截面上各點(diǎn)的的橫截面上各點(diǎn)的位相相同，空間相位相相同，空間相干性最好。干性最好。輸出光的橫向分布：輸出光的橫向分布： 衍射使光的能量受到損失，但卻為衍射使光的能量受到損失，但卻為激光的空間相干性創(chuàng)造了條件，如開始激光的空間相干性創(chuàng)造了條件，如開始時(shí)光波是空間不相干的，那么由于衍射時(shí)光波是空間不相干的，那么由于衍射的結(jié)果，在多次衍射后，光束截面上一的結(jié)果，在多次衍射后，光束截面上一點(diǎn)的光，不僅與原光束的一個(gè)點(diǎn)相聯(lián)系點(diǎn)的光，不僅與原光束的一個(gè)點(diǎn)相聯(lián)系，而是和整個(gè)截面有聯(lián)系，因此截面上，而是和整個(gè)截面有聯(lián)系，因此截面上各點(diǎn)是各點(diǎn)是相關(guān)