光学谐振腔的基本知识

第二章光学谐振腔基本概念 (1)2.1光学谐振腔 (1)2.2非稳定谐振腔及特点 (1)2.3光学谐振腔的损耗 (2)2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2)反射镜面的种类对损耗的影响 (2)腔的结构不同，损耗不同 (2)第二章光学谐振腔基本概念2.1光学谐振腔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。

光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。

由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合，构成各类型光学谐振腔。

光学谐振腔的分类方式很多。

按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。

虽有工作物质，但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔；而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。

2.2非稳定谐振腔及特点非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。

若R1和R2为两反射镜曲率半径，L为两镜间距离，对于非稳腔则g1，g2：满足g1*g2<O或g1*g2>l 非稳腔中光在谐振腔内经有限次往返后就会逸出腔外，也就是存在着固有的光能量可以横向逸出而损耗掉，所以腔的损耗很大。

在高功率激光器中，为了获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，稳定腔不能满足这些要求，而非稳腔是最合适的。

与稳定腔相比，非稳腔有如下几个突出优点：1．大的可控模体积在非稳腔中，基模在反射镜上的振幅分布式均匀的，它不仅充满反射镜，而且不可避免地要向外扩展。

非稳腔的损耗与镜的大小无关，这一点是重要的，因此，只要把反射镜扩大到所需的尺寸，总能使模大致充满激光工作物质。

这样即使在腔长很短时也可得到足够大的模体积，故特别适用于高功率激光器的腔型。

2．可控的衍射耦合输出一般稳定球面腔是用部分透射镜作为输出耦合镜使用的，但对非稳腔来说，以反射镜面边缘射出去的部分可作为有用损耗，即从腔中提取有用衍射输出。

3．容易鉴别和控制横模对于非稳腔系统，在几何光学近似下，腔内只存在一组球面波型或球面一平面波型，故可在腔的一端获得单一球面波型或单一平面波型(即基模)，从而可提高输出光束的定向性和亮度。

环形光学谐振腔环形光学谐振腔是一种可用于实现非线性光学效应的重要器件。

它允许光在环形光路中多次反射，并在中间介质和介质之间来回传播。

这种腔体可以增加光的光程长度，从而增强非线性效应。

本文将介绍环形光学谐振腔的基本原理、应用、制备和优化方法。

1.基本原理环形光学谐振腔是由一段光纤弯曲成圆环形状制成的，两个端面上包含高反射率和低反射率衬底的半反射镜。

当光从光纤传到环形腔中，它将多次自我匹配，形成一个纵向模式。

该谐振腔的光学腔长与波长比是整数倍。

因此，当光线在腔中传播时，它将被放大和稳定，从而导致许多有趣的非线性光学效应。

2.应用环形光学谐振腔广泛应用于光学传感器、光频梳、量子计算等领域。

例如，在光学传感器中，通过改变腔长来改变环形光学谐振腔周围介质的折射率可以确定环境中的折射率，从而实现对气体、液体或固体的检测。

此外，该谐振腔还可以用于测量非线性光学介质中的精细结构、制备光量子态、增强非线性光学效应和产生新颖的非线性光学现象。

3.制备在制备环形光学谐振腔时，首先要从一个通常为光纤的单模光纤制备出间断环的光纤构架。

为了使制备的环形光学谐振腔具有足够的机械强度和耐用性，通常先要在光纤弯曲区域施加一层保护套管。

接下来，使用微切割器和腐蚀剂在光纤的表面上制作微小凸台和凹槽。

最后，通过双面刻蚀技术在光纤末端制作半反射镜，将其形成环形光学谐振腔。

这种方法可以制备出Miniaturized和高度集成的环形光学谐振腔，具有较高的革新性和灵活性。

4.优化方法为了优化环形光学谐振腔的性能，一些非常有效的方法已经被提出。

其中的一个方法是通过使用二分频技术和最佳化二分频晶体的尺寸来增加谐振腔的带宽，从而使它更适用于广域非线性效应。

另一个优化方法包括使用波导耦合全反射和自动相位控制系统来优化谐振腔的耦合和微调。

此外，通过使用具有较高对称性的环形光学谐振腔，也可以优化非线性光学效应的表现，这是因为具有足够高的对称性可以减少过渡辐射流，从而增强非线性光学过程发生的可能性。

光学谐振腔原理一、引言光学谐振腔是一种光学器件，利用反射镜将光束反复地来回传播，形成驻波场，从而增强光的强度。

它广泛应用于激光器、光纤通信等领域。

本文将详细介绍光学谐振腔的原理。

二、基本结构光学谐振腔由两个反射镜组成，其中一个镜子是半透明的，可以将一部分光线透过去。

当激光器发出一束单色激光时，它被反射镜反射回来，在两个反射镜之间来回传播，并在其中形成驻波场。

三、驻波场的形成当激光束从一个反射镜进入谐振腔时，它被反射回来，并在另一个反射镜上发生多次反射。

如果两个镜子之间的距离是整数倍的波长，则会形成一个驻波场。

在这个场中，电磁波的振幅和相位都是固定不变的。

四、增益介质为了使谐振腔中的激光能够不断地增强，需要在腔内加入一个增益介质。

增益介质是一种能够放大光信号的物质，如激光晶体、半导体等。

当激光通过增益介质时，它会被放大，并在反射镜上反射回来。

五、谐振条件为了使光学谐振腔正常工作，需要满足一定的谐振条件。

首先，两个反射镜之间的距离必须是整数倍的波长。

其次，增益介质必须具有足够的增益，以补偿光损失。

六、应用领域光学谐振腔广泛应用于激光器、光纤通信等领域。

在激光器中，它可以使激光输出更加稳定和强大。

在光纤通信中，它可以使信号传输更加远距离和高速。

七、总结本文详细介绍了光学谐振腔的原理和基本结构，以及驻波场的形成、增益介质、谐振条件和应用领域等方面。

通过深入了解这些知识点，我们可以更好地理解光学谐振腔的工作原理，为实际应用提供更加有效的支持。

光学谐振腔光学谐振腔的基本原理光学谐振腔是借助反射和透射来实现对光的反复强度调制的一种微型机械装置。

它利用反射实现光的来回反复传播，因而出现的各种光学现象。

它的工作原理主要包括：一个光源将一定的能量投入，通过反射、衍射和透射进入一个包含玻璃物体的空间，玻璃物体内安装一个能使光束在光路上循环传播的反射面，当光束在空间中循环传播时，空间中的玻璃物体可吸收和折射一部分光能，而另一部分光能被反射，反射的光与玻璃物体的位置有关。

光路的反复传播使其能量发生振荡现象，使光能聚焦到一个点，最后经过空间的一个特定的点附近反射，从而产生特定的光现象。

光学谐振腔的优点1、密封可行：光学谐振腔具有优越的密封性能，能有效防止外界未经控制的特定污染物例如水雾及其他有害气团进入到腔体内部。

2、低成本：光学谐振腔制造制造或者说版印型可以使用相对便宜的材料进行制作，使其可以在短时间内达到高性能的目的。

3、调节准确：光学谐振腔具有完善的调节系统，能够有效地分辨控制和调节光的调节强度，从而达到定位的精度。

4、可扩展性：光学谐振腔凭借其优秀的可扩展性可以灵活的适用不同类型的光学仪器上，并能使其仪器在设计上更加紧凑。

1、激光技术：光学谐振腔可以用来调整激光器发出的波长，获得更好的激光光斑，进而改变激光器发出的光强度。

2、微小型位置测量：光学谐振腔可以用来测量外部物体精确的位置关系，因此可以实现精确的微小型位置测量，使其可以应用于电子产品的测试和实验。

3、光学分析技术：可以利用光学谐振腔对光的性质进行测量和分析，例如利用光学谐振腔来测量光的衍射角度，反射率等参数，进而了解光源的特性。

4、显微镜：光学谐振腔可以用在显微镜中，可以将光源里边射入空气，或者将聚焦光线通过接口腔体传送到显微镜的眼睛，从而使显微镜具有更强的光学放大能力。

光学谐振腔原理引言光学谐振腔是光学研究中的重要实验装置，其原理基于光的干涉现象。

通过将光束限制在一个封闭的空间中来增强干涉效应，可以实现光的长程传输和增强。

光学谐振腔的基本原理1.光学谐振腔是由两个或多个反射镜构成的封闭空间。

其中一个镜子是半透明的，允许部分光线通过。

2.光从半透明镜子进入谐振腔后，会在镜子之间来回多次反射，形成驻波模式。

3.反射次数越多，光在腔内的传播距离越长，干涉效应越强。

谐振腔的性质1. 良好的光束模式光学谐振腔可以选择特定的模式，如基本模式、高斯光束等。

这些模式具有良好的光束质量和光强分布。

2. 谐振频率选择性谐振腔只对特定频率的光具有选择性透过性，对其他频率的光具有反射性。

这种频率选择性可以用来实现光的滤波功能。

3. 谐振增益在谐振腔中，光线多次来回反射，与介质发生交互作用。

如果在腔中加入带有激发能级的介质，可以实现光增益，即光信号的放大。

4. 谐振腔的失谐当谐振腔的频率与输入光的频率不完全匹配时，会出现失谐现象。

失谐会影响光的输出强度和相位。

典型谐振腔结构1. Fabry-Perot腔Fabry-Perot腔是最简单的谐振腔结构，由两个平行的反射镜构成。

光从一个反射镜进入，经过多次来回反射后透过另一个反射镜出射。

2. 球面腔球面腔是两个曲面反射镜构成的谐振腔。

曲面反射镜可以使光具有更高的反射效率和光束质量。

3. 圆柱腔圆柱腔是两个平行平面和一个曲面反射镜构成的谐振腔。

圆柱腔常用于气体激光器和光纤激光器。

谐振腔中的光学效应1. 空腔增强谐振腔可以将光束在腔内进行多次来回反射，使干涉效应加强。

这种空腔增强效应可以增加光的传播距离和光程。

2. 良好的相干性谐振腔中的光在多次反射后，相位关系得到保持，具有良好的相干性。

3. 良好的波长选择性谐振腔对特定波长的光具有选择透过性，可以实现波长选择性的光学元件。

应用领域1. 激光器光学谐振腔是激光器的核心部件，可以实现激光放大和模式选择。

由两块相距上、平行放置的平面反射镜构成3)平面—凹面镜腔。

相距为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，3、谐振腔的作用提供光学正反馈作用)变成(x1,θ1)，则两者间关系为而由光路可逆2当光线在腔内经过n次往返后，其参数变换矩阵可表示为三．谐振腔的稳定性1、稳定腔的概念1　物理意义镜面上任一点发出的近轴光线，往返无限次而不逸出2　数学意义Tn各元素当n →∞时,保持有界2、稳定性条件（证明略）(1) 稳定腔1　0<g1g2<12　g1=g2=0(2) 非稳定1　g1g2>12　g1g2<03　g1=0或g2=04　g1g2=13、稳区图4、g与R的符号关系以两块反射镜的曲率半径为直径做相应反射镜面的两个内切圆（对于凸面反射镜为外，则谐振腔稳定，缘故。

4. 横模的形成机理自再现模或横模：经过足够多次的往返传播之后，腔内形成这样一种稳态场，它的相对分布不再受衍射影响，它在腔内往返一次后能够“自再现”出发时的场分布。

这种稳态场经一次往返后唯一可能的变化，仅是镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。

●这种在腔反射镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定场分布称为在实际情况中，谐振腔的截面是受腔中的其它光阑所限制如气体激光器，放电管孔径就是谐振腔的限制孔。

为了形象地理解开腔中自再现模的形成过程，把平行平面谐振腔中光波来回反射的传播过程，等效于光波在光阑传输线中的传播。

这种光阑传输线如下图所示，它由一系列间距为L、直径为2a的同轴孔径构成，这些孔径开在平行放置无限大、完全吸收的屏上。

5、激光模式的测量方法1)横模的测量方法：不同横模的光强在横截面上有不同的分布。

●对连续可见波段的激光器，只须在光路中放置一个光屏，即可观察激光的横模光斑形状，可粗略地给以判别；●或者利用拍照的方法，小孔或刀口扫描方法也可直接扫描出激光束的强度分布从而确定激光横模的分布形状。