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1、教学单位 物理与信息技术系 学生学号 200791014023 编 号 WL2011WL023 本科毕业论文（设计） 题目 激光谐振腔 学生姓名 高 子 杰 专业名称物 理 学 指导教师岳 喜 成 2011 年 5 月 12日目 录一、论文正文1引言12光谐振腔及其特性12.1激光谐振腔的作用22.2谐振腔构成22.3谐振腔的稳定条件32.4稳定腔与非稳腔类型42.5谐振腔的损耗53光学谐振腔的模式73.1纵模73.2横模93.3激光谐振腔和模频率114激光模式的测量方法135关于激光器谐振腔的改进146总结17参考文献18谢辞19二、附录1任务书202中期检查报告223指导教师指导记录表23
2、4结题报告245成绩评定及答辩评议表266答辩过程记录（附页）28激光谐振腔摘要：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。本文介绍了激光谐振腔及其特性、激光模式的一些基本知识，过对激光谐振腔的结构、原理的学习，对激光谐振腔有了初步的了解，同时能用FP扫描干涉仪对激光器的输出激光模式进行测量和分析，最后对激光谐振腔进行了简单的设计和改进，从理论上对激光谐振腔作了系统性阐述。关键词：激光；谐振腔特性；激光器；激光谐振腔Laser resonatorAbstract: Optical
3、resonator laser is one of the basic part, is designed to enhance the brightness, adjust output laser laser wavelength and selected from the device, and the direction of vacuum uv to far infrared laser systems are used most of the optical resonator. This paper introduces laser resonator and its chara
4、cteristics, some basic knowledge of laser mode of laser resonator, the structure, principle of study, of laser resonator have primary understanding, also can use F - P scanning of the laser output laser interferometer model was measured and analyzed, finally to laser resonator make a simple design a
5、nd improvement of laser, theoretically, the paper made a systematic resonator.Key words: Laser; Resonator characteristics; Laser; Laser resonant cavity目 录1引言12光谐振腔及其特性12.1激光谐振腔的作用22.2谐振腔构成22.3谐振腔的稳定条件32.4稳定腔与非稳腔类型42.5谐振腔的损耗53光学谐振腔的模式73.1纵模73.2横模93.3激光谐振腔和模频率114激光模式的测量方法135关于激光器谐振腔的改进146总结17参考文献18谢辞1
6、9III1引言自1960年世界第一台红宝石固态激光器问世以来，作为一种新光源，激光器具有方向性、亮度高、单色性和相干性好的特点，称为激光的四性。实际上，这四性本质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强。激光的这一特性正是由于受激辐射的本性和光腔的选模作用才得以实现的。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。光学谐振腔（经常简称为“谐振腔”）是激光器的重要组成部分，它的主要作用有两个方面：提供轴向光波的光学正反馈；控制振荡模式的特性。激光器所采用的谐振腔，都属于“开放式谐振腔”。在激光技术发展历史上最早提
7、出的是所谓平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。这种装置在光学上称为法布里-珀罗干涉仪，简记为F-P腔。随着激光技术的发展，以后又广泛采用由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔，称为共轴球面腔；其中一个反射镜为(或两个都为)平面的腔是这类腔的特例。由两个以上的反射镜构成谐振腔的情况也是常见的，折叠腔和环形腔就是这类谐振腔。只有具有一定的振荡频率和一定的空间分布的特定光束能够在腔内形成“自再现”振荡。在激光技术的术语中，通常将光学谐振腔内可能存在的这种特定光束称为腔的模式。不同的谐振腔具有不同的模式，因此选择不同的谐振腔就可以获得不同的输出光束形式。 谐振腔是激光系统的关键部件之一，从真空紫外
8、到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。研究激光谐振腔的目的，就是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。2光谐振腔及其特性光学谐振腔是激光器的重要组成部分。光谐振腔的作用是提供轴向光波模的正反馈及保证激光器的单模振荡。在激光研究中主要讨论开放式光腔的模式问题。模式问题在激光技术中具有重要的理论和实践意义。它是理解激光的相干性、单色性等一系列重要特征，指导激光器件的设计和装腔的理论基础，也是研究和掌握激光技术和应用的理论基础。2.1激光谐振腔的作用光谐振腔是激光器的重要组成部分之一，对大多数激光工作物质，适当结构的谐振腔产生激光视必不可
9、少的。其主要作用表现在下列两个方面：（1）光学正反馈作用 受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射诱导的受激辐射，在腔内多次往返而形成的持续的相干振荡。腔的正反馈作用是使得振荡光束在腔内进行一次时。除了由腔内损耗和通过反射镜输出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震荡。 光学反馈作用取决于两个因素：一时组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强；二是反射镜的几何形状以及它们之间的组成方式。上述两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束耗损的变化。（2）产生对振荡光束的控制作用 主
10、要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。由于激光束的特性与光腔结构有密切联系，因而可用改变腔的参数（反射镜、几何形状、曲率半径。镜面反射率及配置）方法来达到控制激光束的目的。具体的说，可达到以下几个方面的控制作用：a.有效地控制腔内实际振荡的模式数目，使大量的光子集结在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好，方向性强的相干光；b.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等；c.可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率。2.2谐振腔构成最简单的光学谐振腔是在激活介质（工作物质）两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成（如下图）。与微波腔
11、相比光频腔的主要特点是:侧面敞开的、设有光学边界以抑制振荡模式，并且它的轴向尺寸（腔长）远大于振荡波长，一般也远大于横向尺寸即反射镜的线度。，因此这类腔为开放式光学谐振腔，简称开腔。通常的气体激光器和部分固体激光器谐振腔都具有开腔的特性。开放式共轴球面光学谐振腔的构成：图1 最简单的光学谐振腔结构（1）激活介质两端设置两面反射镜 (全反、部分反)。（2）开放式: 除二镜外其余部分开放共轴: 二镜共轴球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)2.3谐振腔的稳定条件根据几何偏折损耗的高低，开放式光腔可以分为稳定腔、临界腔和非稳腔。稳定腔的几何偏折损耗很低，绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。用几何光学
12、方法分析谐振腔的实质是研究光线在腔内往复反射的过程。轴模(即近轴光线)在腔内往返无限多次不逸出腔外的条件, 即近轴光线几何光学损耗为零, 其数学表达式为：。（g参数的定义：）在什么情况下傍轴光线能在腔内往返任意多次而不致横向逸出腔外。引入所谓g参数，所满足条件 2-1式2-1的共轴球面腔都称为稳定腔。稳定腔虽有损耗低的优点，但由于其基横模模体积大小和横模鉴别能力低，难以同时实现高功率输出和基横模运转。因此高功率激光器中常采用模体积大和横模鉴别能力高的非稳腔，以获得性能优良的高功率激光。对共轴球面腔，下式永远成立 2-2所满足条件 2-3的腔都为非稳腔。非稳腔的特点是，傍轴光线在腔内经有限次往返
13、后必然从侧面逸出腔外，因而这类腔具有较高的几何损耗，其损耗主要是傍轴光线的发散损耗，单程损耗可达百分之几十。所满足条件 2-4的共轴球面腔称为临界腔。临界腔属于一种极限情形，它们在谐振腔的理论研究和实际应用中均具有重要意义。下面举几种有代表性的临界腔。（1） 平行平面腔。此时有，从而满足条件（2-4）二式。（2） 共心腔。满足条件 2-5的谐振腔称为共心腔，因为这时腔的两个镜面的曲率中心互相重合。其。大多数临界腔，如平行平面腔、共心腔等，其性质界于稳定腔与非稳腔之间。以平行平面而论，腔中沿轴线方向进行的光线能往返无限多次而不致逸出腔外，且一次往返即实现简并（形成闭合光路），这与稳定腔的情况类似
14、。但仅仅轴向光线有这种特点，所有沿非轴向行进的光线在经有限次往返后，必然从侧面逸出腔外，这又与非稳腔相像。2.4稳定腔与非稳腔类型 (一）稳定腔: 1.双凹稳定腔:由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹腔。这种腔的稳定条件有两种情况。其一为： 且 ，所以：其二为：， 且 即， 。如果 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳定条件可以合并成一个，即： 2.平凹稳定腔:由一个凹面发射镜和一个平面发射镜组成的谐振腔称为平凹腔。其稳定条件为： 可得：3.凹凸稳定腔:由一个凹面反射镜和一个凸面反射镜组成的共轴球面腔为凹凸腔.它的稳定条件是: ,，且。可以证明：(二).非稳腔 : 或 1.双凹非稳腔:由两个凹面镜组成的共轴球面腔为双凹非稳腔.这种腔的稳定条件有两种情况.其一为: ， ，可证：其二为: ，即 2.平凹非稳腔稳定条件: ， 3.凹凸非稳腔：凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:其一是: ，可以证明: 其二是: ，可以证明: 4.双凸非稳
