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第二章 光学谐振腔理论
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光学谐振腔 在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场,使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值,从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率.光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜,有一个是全反射镜,另一个是部分反射镜.在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下,谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转.这时产生受激辐射,在产生的受激辐射光中,沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质,不断引起新的受激辐射,使轴向行进的该频率的光得到放大,这个过程称为光振荡.这是一种雪崩式的放大过程,使谐振腔内沿轴向的光骤然增强,所以辐射场能量密度大大增强,受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出,它就是激光.沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔,不能被继续放大.而自发辐射产生的频率也得不到放大.因此,从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性.
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光学谐振腔的图解 分析与设计方法
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光学谐振腔的图解 分析与设计方法
官方公共微信1光学谐振腔作用_中华文本库
第2页/共2页
光振荡所要求的增益系数阈值，就是要求激光器中介质的增益至少要能够补偿均分到单位长度上的损耗，当介质中小信号增益
系数至少超过该阈值时才可能实现激光振荡。25激光振荡所需的最小阈值泵浦功率密度，与什么有关？激励泵浦速率达到激光
起振所必须阈值时:对于四能级系统：
，它与荧光效率，泵浦量子效率，激光波长、线宽、折射率、
单程损耗因子、激光量子效率有关。对于三能级系统：
，它与荧光效率，泵浦量子效率。泵浦频率
介质粒子密度n、激光量子效率有关。26 列速率方程组时初区分单模和多模情形外，为什么还要将不同的能级系统类型分开来
讨论？由单模速率方程的对比，我们可以看到三四能级系统在单模激光场光子数φ的增长速率，与激光上下能级粒子数密度差
的大小成正比，受模损耗制约。在布居反转的变化上面，三四能级系统显现出不同。三能级系统I的布居反转随时间的变化率
多了两个负项，说明在激光器中三能级系统I的布居反转需要比四能级系统I的克服更大的障碍。27建立多模激光器速率方程
组时需要做什么近似，为什么？脱耦近似假设：忽略各模式频率和横向模场分布不同所带来的差异，采用如下近似假设：l．各
模式腔损耗
、光子寿命
，近似相同。2．各模式光子所引起的受激跃迁速率近似相等。也就是说，各个模式光子与物质的作
用近似相同。其原因在于空间和频域的不同分布，构成了激光器中的各个振荡模式；不同横模在腔损耗和模体积有明显差别，
不同纵模在与介质相互作用时会有不同的跃迁速率。讨论多模广场与激活截止间的互相作用，须写出每个振荡模各自关于其光
子数密度的速率方程，这涉及每个振荡模与工作能级上粒子的分别相互作用。通常情况下，各振荡模并不完全独立，存在耦合，
因此，这是一件十分复杂和困难的工作，只能在一定的条件或近似模型下进行简化处理和定性讨论。28 什么时候使用小信号增
益系数，什么时候使用大信号增益系数？如何获得大信号增益系数？如果入射光强
为饱和光强。此时使用小信号
增益系数。小信号增益系数的函数形状完全取决于线型函数
，和入射光频率有关，与光强无关。如果
相比拟时，增益系数与光强有关。此时使用大信号增益系数。无论对于均匀、非均匀、还是综合加宽的大信号增益系数，都能
通过速率方程理论导出其表达式。如均匀加宽情况下的大信号增益系数为：.
可以看出，为了确定大信号增益系数，实验手段也必不可少。如：
决定于工作物质特性及激发速率，由实验测出。而且
分母中多了
一项，其中饱和光强也需要由实验测出，最终才能确定大信号增益系数。29
激光器中是不是总存在增益
饱和？为什么？不是。在脉冲激光器中由于光增益时间很短，小于激励时间，所以有可能在工作中不出现增益饱和现象。或在
非均匀加宽中，当与入射光频率
相应的增益曲线上
频率处的增益系数恰好等于损耗时，不存在增益饱和。30 均匀加宽介
质中有纵模竞争吗，为什么？有。因为在均匀加宽介质中，当数个纵模同时起振时，各模式光场获得的增益是不同的，一个模
式所获得的净增益由介质增益曲线在该模式频率处超过增益阈值线上的那部分大小来决定，靠近介质频率中心的纵模光场获得
的净增益最大。随着各模光强的增加，出现饱和作用，激活介质的增益曲线均匀下降，不断有模式退出，直至仅存一个振荡模
式。31如果腔模偏离原子谱线中心，则在增益曲线上对称的烧出两个孔。“这两个孔对应两种光场频率，因此激光输出双色光。”
对吗，为什么？不对。因为在激光器中，激光光波受谐振腔反射双向传播。沿z方向传播、频率为
的光波，只会激发z向分
粒子群的受激辐射。其中，
为运动粒子的中心频率。而沿负z方向传播、频率为
的光波，应只会激发z
向分速度为
粒子群的受激辐射。可见，增益曲线上对称地烧出的两个孔对应粒子的表观中心频率，它们对称的分布在
激光器工作介质的中心频率两侧，而光场频率始终为
，即激光输出单色光。32增益曲线上的烧孔是如何形成的，激光输出的
稳定性与它有没有关系？增益曲线上的烧孔是由非均匀加宽增益饱和效应产生的。由于非均匀加宽线型函数是众多的均匀加宽
线型函数的包迹函数，当频率为
、光通量为
的准单色光入射到非均匀加宽的增益介质时，使中心频率为
的那群反转粒
子发生饱和，对中心频率
远离的反转粒子不发生作用。饱和后的反转粒子对总的非均匀加宽增益曲线
处的增益贡献减小，
处出现一个增益凹陷，好像是
在增益曲线上烧了一个孔一样，这称为增益曲线的烧孔效应。激光输出光强的不稳定，
事实上是烧孔面积产生变化的反映。而烧孔面积之所以产生变化，原因在于激光谐振频率的不稳定，导致原来谐振频率为
模式变化为
，而使得原来
处的增益饱和效应逐渐消失，而
处则由于增益饱和效应而产生频域烧孔，这时相应于
孔面积必然相对原来
处的烧孔面积有变化，所以说激光输出的稳定性与增益曲线的烧孔有关系。33 “没有隔离器也不一定就
形成驻波，因为正反方向的光波的相位不一定相关。” 对吗，为什么？人们使用环形腔来避免空间烧孔带来的多纵模输出，还
用到使光束单方向通过的隔离器。试设想出一种隔离器来。对。因为如果是理想的光学器件组成的谐振腔，可以使两个镜面的
反射率极高，从而容易形成驻波；但实际情况由于镜面反射作用并不很强，因此不容易形成驻波。双通道光隔离器输入输出端
口为双尾纤，并有与双尾纤对应的透镜对，在这些新器件的应用基础上，双折射晶体及旋光器等器件的功能复用，使得双通道
光隔离器在单尾纤光环行器具有的高隔离度和低插入损耗的良好性能参数上，大幅度降低光隔离器的相对制造成本和占空比．隔
离器一般都需要起偏器、双折射晶体、旋光器作为组成器件，起偏器将入射光变为线偏振光，经双折射晶体与加有磁场的旋光
器后，偏振面旋转45°，当经过反射镜再次通过隔离器时，偏振面继续向同一方向转动45°，使得光线不能再次通过起偏器，
从而实现光的单方向传播。34什么是空间烧孔？它发生在什么类型的介质中，理由何在？烧孔有几种形式，各有什么弊端和可
利用之处？空间烧孔：强激励下激活介质出现局部增益饱和，使激活介质的增益和振荡模光场的空间分布不均匀，称为空间烧
孔。空间烧孔发生在固体工作物质与液体激光器中。因为在固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶格上，借助粒子和晶格的能
量交换完成激发态的空间转移，激发态在空间转移半个波长所需的时间远远大于激光形成所需的时间，所以空间烧孔不易消除。
在液体激光器中，由于激发态的空间转移时间也很长，因此烧孔取得反转粒子束密度消耗量不能由临近区域激活粒子的移入来
抵消，空间烧孔也不能消除。烧孔有纵向烧孔和横向烧孔两种形式。A．纵向烧孔弊端：建立起多纵模的稳态振荡，需用严格
的模式选择技术才能可靠地实现单模稳态振荡。可供利用之处：采用“锁模技术”，使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把
它们的相位相互联系起来，激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲。而超短脉冲所形成的fs量级的光脉冲是对微
观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。B、横向烧孔弊端：当激励足够强时，增大输出激光的发散角，降低激光束
的方向性。可供利用之处：（1）为选横模提供装置；（2）由于横向烧孔与光功率过大相关，故在腔内放入光折边晶体，可产生
光折边现象；（3）若希望得到大功率输出，横向烧孔可提供较大功率激光。35非均匀加宽介质中有模竞争吗，为什么？模式竞
争的本质含义是什么？非均匀加宽激光器中有模竞争。因为在非均匀加宽介质激光器中，若纵模频率间距较小，出现烧孔重叠，
也存在模竞争现象。若激励较强，介质增益大，烧孔深，烧孔宽度大，使得相邻烧孔部分重叠，产生纵模之间竞争。模式竞争
的本质含义：振荡模通过受激辐射，使介质增益饱和，从而使得受影响的模式光场的净增益也被压缩、下降。不断有模式退出
振荡，直到仅存增益值未被压缩到损耗线以下的振荡模式为止。
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