光学谐振腔的三个作用

1光学谐振腔作用？谐振腔的作用是提供正反馈，使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射所提供的增益超过损耗时，在腔内得到放大，建立并维持自激振荡。

它的另一个重要作用是控制腔内振荡光束的特性，使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式内的光子数量，获得单色性好，方向性好的强相干光。

2光学谐振腔的构成要素有哪些，各自有哪些作用？（1）激活介质：用于补偿腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗，使之满足阈值条件。

（2）两个镀有高反射率膜的反射镜：使得激活介质中产生的辐射能多次通过介质获得增益，同时控制光束的输出。

3光学谐振腔的稳定条件是什么，有没有例外？稳定条件的导出根据何在？光学谐振腔的稳定条件为，即，没有例外。

因为谐振腔稳定性的这一判据，是要求腔内傍轴光线不会因腔镜的反射偏折而逃出谐振腔，没有考虑光波的衍射逃逸损失，只考虑几何损失，属于对谐振腔稳定性的最低要求。

由于没有限定光线往返的次数，这一最低要求实际上是一严苛的要求，从而成为谐振腔稳定性的判据。

4 什么样的光学谐振腔腔内存在焦点？特别的稳定腔时若腔镜的中心在腔内则腔内存在焦点，一般的若高斯光束的束腰在腔内则对应的光学谐振腔腔内存在焦点。

5试分析ABCD定律在光学谐振腔分析中的作用。

因为ABCD定律可以描述任意近轴光线在谐振腔内的往返传播行为，与初始坐标无关，但若给出了初始坐标，根据ABCD定律就可以得到行进的最终坐标。

6一般稳定球面镜谐振腔与其等价共焦谐振腔，有什么相同，有什么不同？任何一个共焦腔与无数多个稳定球面腔等价。

而任何一个稳定的球面腔唯一的等价于一个共焦腔。

共焦腔属于临界腔，而稳定球面腔属于稳定腔。

7 非稳腔的优点是什么？非稳腔的优点是：（1）具有大的可控模体积，是适用于高功率激光器的腔型。

（2）可从腔中提取有用衍射耦合输出。

（3）容易鉴别和控制横模。

（4）易于得到单端输出和准直的平行光束。

8 几何损耗存在于哪一类型的谐振腔中？主要存在于非稳定的谐振腔中。

浅谈光学谐振腔摘要：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。

本文从光的传播矩阵推导了谐振腔的稳定条件和光腔损耗，并解释了横模形成的原因。

最后介绍了自由电子激光器谐振腔、微腔和X 射线激光腔。

关键词：激光；谐振腔；自由电子激光腔；微腔1激光1.1激光简介激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。

激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。

激光具有方向性好、单色性好能量集中、相干性好等特点。

正因为激光器具备的这些突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破[1]。

1.2激光器的分类（1）按工作物质分类：根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃）；②气体激光器；③液体激光器；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。

（2）按激励方式分类：①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。

（3）按运转方式分类：由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。

①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④可调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器[2]。

（4）按输出波段范围分类：根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种：①远红外激光器；②中红外激光器；③近红外激光器；④可见激光器；⑤近紫外激光器；⑥真空紫外激光器；⑦X射线激光器，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[1]。

1.3激光器的组成任何一种激光器,其基本结构都可以分为三部分:(1)工作物质,用来产生受激发射；(2)激励(泵浦)装置,用来激励工作物质以获得粒子数反转；(3)光学共振腔,用来维持受激发射的持续振荡,并限制产生振荡的光子的特征(行进方向、波长等)。

光学谐振腔的三个作用引言光学谐振腔是一种光学设备，广泛应用于光学通信、激光器、量子光学等领域。

它通过反射和干涉的原理，显著地改变光的传播性质。

光学谐振腔具有三个主要作用，本文将详细探讨这三个作用以及其在不同应用领域中的意义和应用。

一、增强光与物质相互作用光学谐振腔可将光与物质的相互作用增强到极高的程度，这是其最重要的作用之一。

通过将光反复来回反射在腔内，光场与物质之间的相互作用长度可以被增加数倍甚至数百倍，大大提高了光与物质的相互作用强度。

1. 提高光吸收率光在材料中的吸收与材料本身的吸收率相关，光学谐振腔可以将光场多次反射回材料中，从而增加光在物质中的传播距离，提高光的吸收率。

这对于敏感的光学测量或光催化反应等方面尤为重要。

2. 增强非线性光学效应光学谐振腔还可以增强物质中的非线性效应，如二次谐波和三次谐波产生。

非线性效应通常具有很小的效应，需要高强度的光场才能观察到。

光学谐振腔提供了一种有效的方式来增强非线性光学效应，使其易于观察和应用。

3. 增加光与物质的耦合效率光学谐振腔可以通过调整腔内的模式和腔内介质的折射率，提高光与物质之间的耦合效率。

这对于一些需要高效能量传输或高灵敏度测量的应用非常重要。

二、选择性光谱滤波光学谐振腔具有高品质因子（Q-factor），可以选择性地过滤出特定频率的光。

这个作用在光通信和光传感领域中具有重要意义。

1. 光通信中的应用光学谐振腔可以用作光通信中的滤波器，通过选择性地传输或反射特定频率的光，实现光信号的调制和解调。

这样可以增强光信号的传输效率和抗干扰能力。

2. 光传感中的应用光学谐振腔可以选择性地增强某些特定波长的光信号，从而提高传感器的响应灵敏度。

例如，在光纤传感中，通过将光传输到光学谐振腔中，可以增强传感器对目标物理量的响应信号。

3. 光谱分析中的应用光学谐振腔提供了一种高分辨率的光谱分析技术。

通过调整光学谐振腔的结构参数，可以实现对特定波长的高精度光谱分析。

光学谐振腔与激光特性分析随着科学技术的发展，光学在各个领域得到了广泛应用，尤其是在激光技术领域。

光学谐振腔是一种重要的激光器件，具有很高的光学品质因子和储能能力，被广泛应用于激光放大器、激光干涉仪、光频标准等方面。

本文将从光学谐振腔结构、光学谐振腔的工作原理以及激光特性三个方面进行分析。

光学谐振腔是一种由两个反射镜构成的闭合光学腔。

其中一面镜为半透镜，另一面镜为高反射镜，构成了光学腔的镜子。

通过精确调节两个镜子之间的距离，可以将光子限制在腔内来回反射，形成谐振波的积累。

这种积累使得光子的能量得以储存，并且可产生放大效应，从而形成激光。

光学谐振腔的工作原理是基于光子的干涉效应。

当光子在腔内被反射时，根据镜面的反射特性，光子会在镜面上发生干涉，形成驻波模式。

通过选择合适的腔长和镜面属性，可以实现特定的谐振频率。

当外界的激发能量与谐振频率匹配时，谐振腔内的光子将被激发，形成受激辐射，从而产生激光。

光学谐振腔的激光特性主要包括模态特性、增益特性和输出特性。

模态特性是指光学谐振腔中的模式分布情况，即不同频率的驻波模式。

对于腔内的模态进行分析，可以了解到激光器输出光的频率范围和模式结构。

增益特性是指光学谐振腔中的增益效应，即外界输入能量被吸收并积累在腔内的光子上，通过受激辐射形成激光。

增益特性的分析有助于评估光学谐振腔的激光输出能力。

输出特性则是指激光器从谐振腔中输出的光的特性，包括光的功率、频率、空间分布等。

通过对输出特性的分析，可以评估激光器的输出效果和性能。

此外，光学谐振腔还可以通过改变反射镜的属性或插入透明介质来调节谐振频率，实现激光的调谐。

通过调整反射镜的折射率、材料厚度等参数的变化，可以改变反射镜的反射特性，从而改变光学谐振腔的谐振频率。

利用介质的光学非线性效应，也可以实现光学谐振腔的调谐。

总之，光学谐振腔作为一种重要的激光器件，在光学技术领域发挥着重要的作用。

通过对光学谐振腔的结构、工作原理以及激光特性的分析，我们可以更加深入地了解激光器件的工作原理和性能特点。

光学谐振腔光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一。

组成：在简单情况下，它是在激活物质两端适当地放置两个反射镜。

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。

光学谐振腔的理论：近轴光线处理方法的几何光学理论、波动光学的衍射理论无源腔：又称为非激活腔或被动腔，即无激活介质存在的腔。

有源腔(激活腔或主动胺)：当腔内充有工作介质并设有能源装置后。

一、构成、分类及作用1、谐振腔的构成和分类构成：最简单的光学谐振腔是在激光工作物质两端适当位置放置两个镀高反射膜的反射镜。

与微波腔相比光频腔的主要特点是：侧面敞开没有光学边界，以抑制振荡模式，并且它的轴向尺寸(腔长)远大于振荡波长：L》λ，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。

开式谐振腔是最重要的结构形式----气体激光器、部分固体激光器谐振腔2、激光器中常见的谐振腔的形式1)平行平面镜腔。

由两块相距上、平行放置的平面反射镜构成2)双凹球面镜腔。

由两块相距为L，曲率半径分别为R1和R2的凹球面反射镜构成当R1＝R2＝L时，两凹面镜焦点在腔中心处重合，称为对称共焦球面镜腔；当R1+R2＝L表示两凹面镜曲率中心在腔内重合，称为共心腔。

3)平面—凹面镜腔。

相距为L的一块平面反射镜和一块曲率半径为R的凹面反射镜构成。

当R＝2L时，这种特殊的平凹腔称为半共焦腔4)特殊腔。

如由凸面反射镜构成的双凸腔、平凸腔、凹凸腔等，在某些特殊激光器中，需使用这类谐振腔5)其他形状的3、谐振腔的作用(1) 提供光学正反馈作用谐振腔为腔内光线提供反馈，使光多次通过腔工作物质，不断地被放大，形成往复持续的光频振荡；取决因素：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；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。

上述因素的变化会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束能量损耗的变化。

(2) 对振荡光束的控制作用主要在方向和频率的限制，其功能为：①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沿轴向、且满足往返一次位相变化为2π的整数倍的光子状态中，提高了光子简并度，从而获得单色性好、方向性好及相干性强的优异辐射光。

激光原理复习题第一章电磁波1、麦克斯韦方程中麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。

在方程组中是如何表示这一结果？答：每个方程的意义：1）第一个方程为法拉第电磁感应定律，揭示了变化的磁场能产生电场。

2）第二个方程则为Maxwell的位移电流假设。

这组方程描述了电荷和电流激发电磁场、以及变化的电场与变化的磁场互相激发转化的普遍规律。

第二个方程是全电流安培环路定理，描述了变化的电场激发磁场的规律，表示传导电流和位移电流（即变化的电场）都可以产生磁场。

第二个方程意味着磁场只能是由一对磁偶极子激发，不能存在单独的磁荷（至少目前没有发现单极磁荷）3）第三个方程静电场的高斯定理：描述了电荷可以产生电场的性质。

在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。

4）第四个方程是稳恒磁场的高斯定理，也称为磁通连续原理。

2、产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？答：赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理设计的电磁波发生器实验。

（赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。

当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。

瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。

有麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。

他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。

因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。

所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。

赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。

赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。

激光器中光学谐振腔的作用光学谐振腔是激光器中至关重要的元件之一，它在激光器的工作中发挥着重要的作用。

本文将从光学谐振腔的定义、原理、特点以及在激光器中的作用等方面加以阐述。

一、光学谐振腔的定义和原理光学谐振腔是由两个或多个反射镜组成的光学装置，其内部形成一系列的光学谐振模式。

反射镜的反射率决定了光学谐振腔的性能。

在光学谐振腔中，光波来回反射，形成了驻波，从而增强了光的强度。

光学谐振腔的工作原理是利用反射镜反射光波，使得光波在空间中多次来回传播，从而增加光的强度。

当光波在光学谐振腔中反射时，如果满足相干条件，光波将会形成驻波，驻波的节点和腹部分别对应着光波的消光和增强。

二、光学谐振腔的特点1. 高品质因子：光学谐振腔的品质因子是衡量光学谐振腔性能的重要指标，它反映了光在腔内的损耗情况。

高品质因子意味着光在腔内的损耗小，能够有效地存储和放大光能。

2. 频率选择性：光学谐振腔能够选择性地放大特定频率的光波，而对其他频率的光波进行衰减。

这是因为光波只有在满足谐振条件时才能在光学谐振腔中得到增强。

3. 光学谐振模式：光学谐振腔中的光波可以形成多种不同的谐振模式，如基模、高阶模等。

这些不同的谐振模式具有不同的空间分布和频率特性，可以满足不同应用需求。

三、光学谐振腔在激光器中的作用光学谐振腔在激光器中发挥着至关重要的作用，主要有以下几个方面：1. 提供正反馈：光学谐振腔能够提供正反馈，使得激光器产生连续的激光输出。

当激发源产生的光波进入光学谐振腔后，满足谐振条件的光波将得到增强，从而形成激光输出。

2. 光波放大：光学谐振腔中的光波经过多次反射，与激光介质发生相互作用，从而实现光波的放大。

光波在激光介质中的放大过程受到谐振腔的限制，只有满足谐振条件的光波才能得到增强。

3. 频率选择：光学谐振腔能够选择性地放大特定频率的光波，从而实现激光器的单色性。

通过调整谐振腔的结构和参数，可以选择性地放大某个特定频率的光波，并实现单频或多频激光输出。

.第三章光学谐振腔理论一、学习要求与重点难点学习要求1．了解光学谐振腔的构成、分类和模式等基本知识，及其研究方法。

2．理解腔的损耗和无源腔的单模线宽。

3．掌握传播矩阵和光学谐振腔的稳定条件。

4．理解自再现模积分本征方程，了解针对平行平面腔模的数值迭代解法，理解针对球面对称共焦腔模式积分本征方程的近似方法及其解。

5．掌握等价共焦腔方法，掌握谐振腔的模式概念和光束特性。

6．了解非稳腔的模式理论。

重点1．谐振腔的作用，谐振腔的构成和分类，腔和模的联系；2．传播矩阵分析方法；3．光学谐振腔的稳定条件；4．模自再现概念；5．自再现模积分本征方程的建立，及其近似；6．球面对称共焦腔积分本征方程的近似方法，及其解；7．谐振腔的横纵模式和光束特性；8．稳定谐振腔的等价共焦腔。

难点1．传播矩阵的近似；2．非稳腔；3．模自再现概念；4．自再现模积分本征方程的建立5．球面对称共焦腔积分本征方程的近似方法，及其解；6．谐振腔的横纵模式和光束特性；WORD 专业.二、知识点总结,,mnq TEM m n q ⇔⎧⎧⎫→−−−−→⎪⎪→⎪⎨⎬⎪→→→−−−−→⎪⎪⎨⎩⎭⎪⇔--⎪⎩→驻波条件自再现模分立的本征态有限范围的电磁场形成驻波纵模光的频率（振荡频率，空间分布）模式的形成反映腔内光场的分布谐振腔的作用腔和模的联系衍射筛选横模光场横向能量分布腔内存在的电磁场激光模式模式的表示方法：横模指数，纵模指数衍射理论：不同模式按场分布，损耗，谐振频率来区分，理论方法几何光学＋干涉仪理12121212()11)12()10101,1A D A D A D g g or g g L L g g R R ⎧⎨⎩+<+>⇒+±<<==⇒=-=-论：忽略镜边缘引起的衍射效应，不同模式按传输方向和谐振频率区分－粗略但简单明了光腔的损耗－光子的平均寿命－无源腔的Q值－无源腔的线宽1-1<稳定腔2（非稳定腔适用任何形式的腔，只要列出往返矩阵就能判断其稳定与否1共轴球面腔的稳定条件：稳定判据＝临界腔2只使用于简单的共轴球面镜腔⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩（直腔）1． 谐振腔衍射积分方程推导⎧⎧⎫→−−−−−−→−−−−→→⎨⎬⎨⎩⎭⎩自再现模的概念求解方法引进复常数因子解析解：特殊腔（对称共焦腔）本征函数－振幅和相位分布（等相位面）菲涅尔基尔霍夫积分公式推广到谐振腔自再现模积分方程数值求解（数值迭代法）本征值－模的损耗、相移和谐振频率WORD 专业.⎧⎧22/0000(1)(1)2(,)N 11[4(,1)(,1)]arg (1)2x y L mn mn om on mn mn mn x y c e NR C R C kL m n λπμδγπφγφ+-⎧⎪=⎪→→⎨⎪⎪⎩=-=-→→∆==-+++∆基模：角向长椭球函数；本征函数振幅和相位高阶横模不是很小时，厄密～高斯函数相位分布：反射镜构成等相位面方形镜：对单程损耗：称本征值径向长椭球函数单程相移：共焦谐振频率：谐振条件2＝-腔的自再现模2/0000[2(1)]4(,)N arg (21)2mnq r L mn mn mn c q m n L x y c e kL m n λππνμπφγφ-⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⋅→=+++⎪⎪⎩⎩⎧⎪=⎪→→⎨⎪⎪⎩→∆==-+++∆q 2基模：超椭球函数；本征函数振幅和相位高阶横模不是很小时，拉盖尔～高斯函数相位分布：反射镜构成等相位面圆形镜：单程损耗：只有精确解能够给出。