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光学谐振腔及其功能介绍

2015-06-12 14:35
潇纵
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  光学谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔,是激光器的必要组成部分。通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外,与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进,并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡,运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的光子将不断增殖,在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束,这就是激光。为把激光引出腔外,可把一面反射镜做成部分透射的,透射部分成为可利用的激光,反射部分留在腔内继续增殖光子。光学谐振腔的作用有:①提供反馈能量,②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模,按频率区分的称纵模,按方向区分的称横模。两反射镜的曲率半径和间距(腔长)决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。

  光学谐振腔由两个或两个以上光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置。两个反射镜可以是平面镜或球面镜,置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%,称为全反镜;另一个镜面反射率稍低些,激光由此镜输出,故称输出镜。两者有时也分别称为高反镜和低反镜。

  光学谐振腔种类

  按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置,可将光学谐振腔区分为:平行平面腔,平凹腔,对称凹面腔,凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上,则称为半共焦腔;如果凹面镜的球心落在平面镜上,便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点,便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心,称为共心腔。如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外,则称该腔为稳定腔,否则称为不稳定腔。上述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的谐振腔为不稳定腔。平凹腔中如腔长太长,使凹球面的球心落在腔内,则腔中除沿光轴的光线外,其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔外,故也为不稳定腔。对称凹面腔中,如腔长太长,使两球面球心分别落在腔中心点靠近自身一侧,也是一种不稳定腔。

  光学谐振腔中任一束傍轴光束离光轴的距离,如果在它来回反射过程中不会无限增加,则这种腔必定是稳定腔。

  谐振腔功能

  谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后,许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态,放出光子。其中,偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现,从而使轴向行进的光子数不断增加,最后从部分反射镜中输出。所以,谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统。
 

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