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1、第三章第三章 光学谐振腔光学谐振腔3.1 3.1 3.1 3.1 光学谐振腔的一般问题光学谐振腔的一般问题光学谐振腔的一般问题光学谐振腔的一般问题激光器的构成激光器的构成激光器的构成激光器的构成一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类1. 1. 开腔开腔 最常用的一种谐振腔形式。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通常的气体激光器和大部分固体激光器都采用开腔。采用开腔。 主要特点：主要特点： 侧面敞开，没有光学边界；侧面敞开，没有光学边界； LL，LdLd。一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与
2、分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类2. 2. 闭腔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一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类2. 2. 闭腔闭腔一、光学谐振器的构成与分类一、光学谐振器的构成与分类一、光学谐振器的构成与分类一、光学谐振器的构成与分类2. 2. 闭腔闭腔一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类3. 3. 气体波导腔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一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分
3、类其它腔型其它腔型环形腔环形腔折叠腔折叠腔一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类一、光学谐振腔的构成与分类本课程中：本课程中： 开腔开腔-重点讨论重点讨论 闭腔闭腔-不讨论不讨论 气体波导腔气体波导腔简要介绍简要介绍二、光学谐振腔的作用二、光学谐振腔的作用二、光学谐振腔的作用二、光学谐振腔的作用1. 1. 提供光学反馈提供光学反馈 反馈的效果和特征决定于反馈的效果和特征决定于 （1 1）组成腔的两个反射镜的反射率。）组成腔的两个反射镜的反射率。 （2 2）反射镜的几何形状和它们之间的组合方式）反射镜的几何形状和它们之间的组合方式二、光学谐振腔的作用二、光
4、学谐振腔的作用二、光学谐振腔的作用二、光学谐振腔的作用2. 2. 波形的限制作用波形的限制作用 （1 1）对方向的限制；）对方向的限制； （2 2）对频率的限制；）对频率的限制； （3 3）控制腔内实际振荡的模式数目，提高光子）控制腔内实际振荡的模式数目，提高光子简并度。简并度。三、腔与模的一般联系三、腔与模的一般联系三、腔与模的一般联系三、腔与模的一般联系模模的概念：的概念： 一切被约束在有限空间范围内的电磁场，都只一切被约束在有限空间范围内的电磁场，都只能存在于一系列分立的本征状态之中，场的每一个能存在于一系列分立的本征状态之中，场的每一个本征态就称为一个本征态就称为一个模模。 在激光技术
5、中，电磁场被光学谐振腔部分或者在激光技术中，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的电磁场的本征态称为腔的模式模式，亦即激光器的，亦即激光器的模模式式。三、腔与模的一般联系三、腔与模的一般联系三、腔与模的一般联系三、腔与模的一般联系 给定了腔的具体给定了腔的具体几何结构几何结构，振荡模式的特征就，振荡模式的特征就确定了。确定了。 模的基本特征：模的基本特征： （1 1）每一个模的电磁场分布，特别是腔的横截）每一个模的电磁场分布，特别是腔的横截面内的场分布；面内的场分布； （2 2）模的振荡频率；
6、）模的振荡频率； （3 3）模的损耗情况；）模的损耗情况； （4 4）模的发散角。）模的发散角。对于开腔对于开腔R R1 1，R R2 2，L L四、纵模与横模四、纵模与横模四、纵模与横模四、纵模与横模纵模纵模的概念：的概念： 谐振腔内本征电磁场的纵向光场分布。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）（存在于谐振腔内的驻波光场）q q：纵模序数，决定腔的谐振频率，一个振荡：纵模序数，决定腔的谐振频率，一个振荡频率就是一个纵模频率就是一个纵模。（延轴线的驻波场节点数）（延轴线的驻波场节点数）四、纵模与横模四、纵模与横模四、纵模与横模四、纵模与横模可振荡纵模数：可振荡纵模数：
7、F F为介质的荧光线宽，为介质的荧光线宽， 表示取整。表示取整。例题例题例题例题例题1：一台He-Ne激光器，腔长L=50cm，其增益谱宽为G=1.7109Hz。求：（1）纵模序数q的量级； （2）可震荡纵模数。例题例题例题例题例题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=1.76，求：纵模间隔。例题例题例题例题例题4：有一复合腔，由折射率分别为1、2、3n，对应的长度分别为L1、L2、L3Ln的n种介质组成，求：纵模频率和纵模间隔。四、纵模与横模四、纵模与横模四、纵模与横模四、纵模与横模横模横模的概念：的概念： 谐振腔内本征
8、电磁场的横向光场分布。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）（描述光斑的强度分布）TEMmnTEMmn m,n m,n代表延坐标方向的横模序数。代表延坐标方向的横模序数。五、光学谐振腔的研究方法五、光学谐振腔的研究方法五、光学谐振腔的研究方法五、光学谐振腔的研究方法1.1.直接求解直接求解MaxwellMaxwell方程方程 固体激光器、波导气体谐振腔中波导管内的场。固体激光器、波导气体谐振腔中波导管内的场。2.2.几何光学方法几何光学方法 稳定性问题、非稳腔，忽略衍射效应。稳定性问题、非稳腔，忽略衍射效应。3.3.标量衍射理论标量衍射理论 求解谐振腔的衍射积分方程，不能忽略衍射效应。求解谐振腔的衍射积分方程，不能忽略衍射效应。
