清华大学激光原理学习教案.pptx

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1、会计学1清华大学激光清华大学激光(jgung)原理原理第一页，共30页。普通(ptng)光源的光子简并度：为了(wi le)得到强相干光例：=1m，当T=50000K，仅仅(jnjn)因而：普通光源在红外和可见光波段是非相干光源。提高某一个/几个模式的能量密度激光器激光器强强 相干相干光源光的受激辐射放大光波模式的选择谐振腔选模模式损耗第1页/共30页第二页，共30页。2.1 2.1 光腔理论的一般问题光腔理论的一般问题一、光学谐振腔一、光学谐振腔最简单的光学谐振腔：激活物质最简单的光学谐振腔：激活物质+反射镜片反射镜片平行平面腔：法布里平行平面腔：法布里-珀罗干涉仪（珀罗干涉仪（F-PF-P

2、腔）腔）共轴球面腔：具有公共轴线共轴球面腔：具有公共轴线(zhu xin)(zhu xin)的球面镜组成的球面镜组成i.i.开放式光学谐振腔（开腔）开放式光学谐振腔（开腔）：在理论处理时，可以认为没：在理论处理时，可以认为没有侧面边界有侧面边界 （气体激光器）（气体激光器）根据几何逸出损耗的高低分为根据几何逸出损耗的高低分为-稳定腔、非稳腔和临界腔稳定腔、非稳腔和临界腔开放式光腔光波模式的选择谐振腔选模模式间损耗光波模式的选择谐振腔选模模式间损耗(snho)的差异的差异稳定腔共焦腔模式理论(lln)（损耗小，模体积小）非稳腔（高损，大功率激光器）方形镜共焦腔圆形镜共焦腔一般稳定球面腔与共焦腔的

3、等价性产生激光光束的传输问题高斯光束第2页/共30页第三页，共30页。ii.ii.波导激光谐振腔：具有侧面波导激光谐振腔：具有侧面(cmin)(cmin)边界（图边界（图a ca c）半导体激光器半导体激光器由两个以上反射镜构成的腔：由两个以上反射镜构成的腔：折叠腔，环形腔折叠腔，环形腔n2 n1，n2 n3第3页/共30页第四页，共30页。开腔内插入透镜一类光学元件复合腔分布反馈式谐振腔：(Distributed Feedback,DFB)二、腔的模式腔的模式：光学谐振腔内可能存在(cnzi)的电磁场的本征态谐振腔所约束的一定空间内存在(cnzi)的电磁场，只能存在(cnzi)于一系列分立的

4、本征态腔内电磁场的本征态 因此：腔的具体结构 腔内可能存在(cnzi)的模式（电磁场本征态）麦克斯韦(mi k s wi)方程组腔的边界条件分立(fn l)的 振荡频率 和 空间分布第4页/共30页第五页，共30页。模的基本特征主要包括：模的基本特征主要包括：1、电磁场空间分布、电磁场空间分布 E(x,y,z)，包括腔的横截面内的场，包括腔的横截面内的场分布（横模）和纵向场分布（纵模）；分布（横模）和纵向场分布（纵模）；2、谐振频率；、谐振频率；3、在腔内往返一次经受的相对功率损耗、在腔内往返一次经受的相对功率损耗；4、每一个模的激光束发散角、每一个模的激光束发散角。腔的参数腔的参数 唯一确定

5、唯一确定 模的基本特征。模的基本特征。腔的模式腔的模式 也就是腔内可能也就是腔内可能(knng)区分的区分的 光子状态。光子状态。开腔 傍轴 传播模式的 纵模特征傍轴光线(paraxial ray)：光传播方向与腔轴线(zhu xin)夹角非常小，此时可认为sin tan 下面(xi mian)以F-P腔为例，讨论模的基本特征第5页/共30页第六页，共30页。E0-E0E1E2E3开腔 傍轴 传播(chunb)模式的纵模频率间隔(F-P腔，平面波):光波(gungb)在腔内往返一次的相位滞后:光波(gungb)在腔内往返一次的电场变化率（=12）E0E1=E0e-jE2=E1e-jE4E3=E

6、2e-jET=E0+E1+E2+E3+E4+ET当|1的情况下（往返传播次数无限多），只有当=q2时，ET幅度(fd)可以达到第6页/共30页第七页，共30页。腔内纵模需要满足的谐振条件相长干涉条件：腔中某一点出发(chf)的波，经往返一周回到原来位置时，应与初始出发(chf)的波同相位。0真空中的波长(bchng)；L腔的光学长度为腔内介质(jizh)折射率第7页/共30页第八页，共30页。纵模间隔(jin g)多纵模情况下，不同(b tn)的纵模对应腔内不同(b tn)的驻波场分布 纵模序数q 对应驻波场波节个数 在F-P腔中均匀(jnyn)平面波 纵模 场分布的特点场沿腔的轴线方向形成驻

7、波，驻波的波节数为q，波长为q。纵模间隔与序数q无关，在频率尺度上等距排列；“频率梳”纵模间隔大小与腔长成反比。第8页/共30页第九页，共30页。三、光腔的损耗(snho)几何偏折损耗(snho)；衍射损耗(snho)；腔镜反射不完全引入损耗(snho)；材料吸收、散射，腔内插入物所引起的损耗(snho)等。选择损耗(snho)（有选模作用）非选择损耗(snho)（无选模作用）腔内损耗的描述 平均单程损耗因子 定义：无源腔内，初始光强I0往返一次后光腔衰减为I1，则第9页/共30页第十页，共30页。损耗因子也可以用 来定义(dngy)当损耗很小时，两种定义(dngy)方式是一致的对于(duy)

8、由多种因素引起的损耗，总的损耗因子可由各损耗因子相加得到损耗(snho)举例第10页/共30页第十一页，共30页。反射镜反射不完全(wnqun)损耗：衍射损耗（考虑(kol)均匀平面波夫琅和费（Fraunhofer）衍射）：r1r2I0I12aL孔阑传输线 概念第一(dy)衍射极小值：FP腔N 腔的菲涅耳数，表征衍射损耗大小，N，衍射损耗第11页/共30页第十二页，共30页。1、谐振腔的品质因数Q和精细(jngx)度F以F-P腔中的平面波为例，两反射镜反射率分别(fnbi)为R1R2波阻抗E0-E0E1E2E3IinIoutT1,R1T2,R2I0第12页/共30页第十三页，共30页。FP腔透

9、过(tu u)率曲线：第13页/共30页第十四页，共30页。图中，横坐标为纵坐标为F-P腔透过率T。纵坐标可由或表示(biosh)第14页/共30页第十五页，共30页。定义品质因数Q，表示腔的锐度，或者(huzh)频率敏感程度第15页/共30页第十六页，共30页。定义(dngy)：精细度（Finesse）F=自由光谱(gungp)区宽度半高全宽度(kund)对于F-P腔中的平面波传输例：L=1m，R1=R2=0.99,0=632.8nm;则=c/0=4.741014 Hz,1/2=480 kHz;Q=9.88108,F=313。F与腔长,波长无关，由F-P腔端面反射率决定第16页/共30页第十

10、七页，共30页。2、光子在腔内的平均寿命(pn jn shu mn)设，初始光强I0，在腔内往返m次后，光强为Im，则则在 t 时刻时，往返(wngfn)次数则 t 时刻光强物理(wl)意义为腔内光子平均寿命腔的时间常数腔的时间常数第17页/共30页第十八页，共30页。3、光子寿命与无源(w yun)谐振腔的品质因数Q值的联系储存(chcn)在腔内的总能量（E）单位时间(shjin)内损耗的能量（P）谐振腔的损耗越小，Q值越高定义：谐振腔损耗越小，腔内光子平均寿命越长腔内有增益介质，使谐振腔净损耗减小，光子寿命变长不确定关系Q的普遍定义根据前面定义：第18页/共30页第十九页，共30页。2.2

11、 2.2 共轴球面共轴球面(qimin)(qimin)腔的稳定性条件腔的稳定性条件一、几何一、几何(j h)(j h)光学中的光线变换矩阵（光学中的光线变换矩阵（ABCDABCD矩阵）矩阵）1.表示光线的参数 r 光线离光轴的距离(jl)光线与光轴的夹角傍轴光线 dr/dz=tan sinr正,负号规定:0 0 0，相当于凸薄透镜 f0；凸面向着腔内时，R0，相当于凹薄透镜 f0。2、对于同样的光线传播(chunb)次序，往返矩阵T、Tn与初始坐标（r0,0）无关；3、当光纤传播(chunb)次序不同时，往返矩阵不同，但(A+D)/2相同。例：环形腔中的像散-对于(duy)“傍轴”光线对于(duy)平行于x,z平面传输的光线（子午光线），其焦距对于(duy)平行于“光轴”k和y确定的平面传输的光线（弧矢光线），其焦距第28页/共30页第二十九页，共30页。透镜透镜(tujng)的的像散像散子午面和弧矢面上的往返矩阵同时满足稳定(wndng)条件，则该环形腔为稳定(wndng)腔第29页/共30页第三十页，共30页。