深入了解光學諧振腔

 光學諧振腔是光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔,是激光器的必要組成部分。通常由兩塊與工作介質軸線垂直的平麵或凹球麵反射鏡構成。工作介質實現了粒子數反轉後就能產生光放大。諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優先的放大,而把其他頻率和方向的光加以抑製。凡不沿諧振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外,與工作介質不再接觸。沿軸線運動的光子將在腔內繼續前進,並經兩反射鏡的反射不斷往返運行產生振蕩,運行時不斷與受激粒子相遇而產生受激輻射,沿軸線運行的光子將不斷增殖,在腔內形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束,這就是激光。為把激光引出腔外,可把一麵反射鏡做成部分透射的,透射部分成為可利用的激光,反射部分留在腔內繼續增殖光子。光學諧振腔的作用有:①提供反饋能量,②選擇光波的方向和頻率。諧振腔內可能存在的頻率和方向稱為本征模,按頻率區分的稱縱模,按方向區分的稱橫模。兩反射鏡的曲率半徑和間距(腔長)決定了諧振腔對本征模的限製情況。不同類型的諧振腔有不同的模式結構和限模特性。光纖端麵處理對光纖激光器的影響

  光學諧振腔由兩個或兩個以上光學反射鏡麵組成、能提供光學正反饋作用的光學裝置。兩個反射鏡可以是平麵鏡或球麵鏡,置於激光工作物質兩端。兩塊反射鏡之間的距離為腔長。其中一個鏡麵反射率接近100%,稱為全反鏡;另一個鏡麵反射率稍低些,激光由此鏡輸出,故稱輸出鏡。兩者有時也分別稱為高反鏡和低反鏡。

  光學諧振腔種類

  按組成諧振腔的兩塊反射鏡的形狀以及它們的相對位置,可將光學諧振腔區分為:平行平麵腔,平凹腔,對稱凹麵腔,凸麵腔等。平凹腔中如果凹麵鏡的焦點正好落在平麵鏡上,則稱為半共焦腔;如果凹麵鏡的球心落在平麵鏡上,便構成半共心腔。對稱凹麵腔中兩塊反射球麵鏡的曲率半徑相同。如果反射鏡焦點都位於腔的中點,便稱為對稱共焦腔。如果兩球麵鏡的球心在腔的中心,稱為共心腔。如果光束在腔內傳播任意長時間而不會逸出腔外,則稱該腔為穩定腔,否則稱為不穩定腔。上述列舉的諧振腔都屬穩定腔。用兩塊凸麵鏡組成的諧振腔為不穩定腔。平凹腔中如腔長太長,使凹球麵的球心落在腔內,則腔中除沿光軸的光線外,其它方向光束經多次反射後必然會逸出腔外,故也為不穩定腔。對稱凹麵腔中,如腔長太長,使兩球麵球心分別落在腔中心點靠近自身一側,也是一種不穩定腔。

  光學諧振腔中任一束傍軸光束離光軸的距離,如果在它來回反射過程中不會無限增加,則這種腔必定是穩定腔。

  諧振腔功能

  諧振腔中包含了能實現粒子數反轉的激光工作物質。它們受到激勵後,許多原子將躍遷到激發態。但經過激發態壽命時間後又自發躍遷到低能態,放出光子。其中,偏離軸向的光子會很快逸出腔外。隻有沿著軸向運動的光子會在諧振腔的兩端反射鏡之間來回運動而不逸出腔外。這些光子成為引起受激發射的外界光場。促使已實現粒子數反轉的工作物質產生同樣頻率、同樣方向、同樣偏振狀態和同樣相位的受激輻射。這種過程在諧振腔軸線方向重複出現,從而使軸向行進的光子數不斷增加,最後從部分反射鏡中輸出。所以,諧振腔是一種正反饋係統或諧振係統。

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