[激光原理与应用-20]：《激光原理与技术》-6- 谐振腔的结构、作用、工作原理

目录

第1章 谐振腔简介

1.1 什么是谐振腔

1.2 什么是光学谐振腔

1.3 谐振腔的作用

1.4 什么是镜片镀膜

第2章 谐振腔的结构与工作原理

2.1 谐振腔的结构

2.2 谐振腔的分类

2.3 激活介质与谐振腔的工作原理 

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第1章 谐振腔简介

1.1 什么是谐振腔

谐振腔，是用以使高频电磁场在其内持续振荡的金属空腔。由于电磁场完全集中于腔内，没有辐射损耗，故具有较高的品质因数。谐振腔的形式很多，最常见的是矩形谐振腔和圆柱形谐振腔。在谐振腔内，电磁场可以在一系列频率下进行振荡，其频率大小与谐振腔的形状、几何尺寸及谐振的波型有关。

谐振腔，也叫共振腔。微波波段中用作谐振电路的金属空腔。品质因数很高，可达数千或数万。是磁控管和速调管等微波电子管中主要的组成部分。有空心金属和同轴腔两种。前者有矩形、圆柱形、环形等。谐振腔的品质因数很高，可达几千或几万。在微波测量中可用于测量波长

谐振腔是在微波频率下工作的谐振元件，它是一个任意形状的由导电壁（或导磁壁）包围的，并能在其中形成电磁振荡的介质区域，它具有储存电磁能及选择一定频率信号的特性。和低频LC振荡回路相似，它在微波技术中有广泛的应用。如在各种微波振荡器中用它作为能量交换和选频元件，在微波倍频和放大器中用作选频元件，微波谐振腔还可直接构成微波波长计，微波滤波器用于微波测量和微波通讯中。高Q谐振腔在雷达设备中用作回波箱，用以检测雷达发射和接收系统的性能等。

1.2 什么是光学谐振腔

光学谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。

为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。

1.3 谐振腔的作用

光学谐振腔有两大作用，一个是提供正反馈，一个是控制腔内振荡光束的特征。

（1）成倍加长光学传播通路，提供反馈能量

提供光学反馈能力，以形成受激辐射的持续振荡，使光束在有限的物理空间内，提供成倍的信号传输通路。

（2）光路自身放大的功能

谐振腔通过反复传播反馈光速，使得光信号进过反复的干涉，提供了对

只提供光信号的震动传播，但谐振腔结合光路放大介质，提供对光信号的放大。

（3）成倍放大的功能

谐振腔得光束能够多次经过同一个增强的晶体，相当于起到了幅度多次放大器的功能。

（4）频率和方向选择

限制光束的方向与频率，使输出光束具有极好的方向性和单色性。

光学谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。

谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称纵模，按方向区分的称横模。

两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。

不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。

1.4 什么是镜片镀膜

无论树脂或玻璃镜片其本身的透光率都只有91%左右，会有部分光线被镜片的两个表面反射回来。镜片的反射可使光线透过率减少并在视网膜形成干扰像而影响成像的质量，并影响配戴者的外观。如镜片外观涡旋明显，照相反光，看不到配戴者的眼睛等等。

镜片镀膜是在镜片的表面，镀上非常薄的透明薄膜。镀膜镜片是利用光学薄膜及真空的新技术，镀上一定厚度的单层或多层光学薄膜，使镜片获得一些新的、原本不具备的优良性能，以改善镜片反射光线的能力，起到增强或减少光线透过的作用使镜片的透光率增加到98%。

所镀的膜层主要有硬膜、多层减反射膜、抗污膜等。

各膜层的主要作用是：

• 1）加硬膜：增加镜片表面的硬度，使其更加耐磨损。
• 2）抗污膜：因减反射膜的技术需要，该膜分子间空隙较大，镜片表面容易藏污纳垢，而抗污膜的物质分子颗粒小、分子之间空隙小，使镜片表面更加光洁，增加了防水、防雾、防尘等等防污染等功能。
• 3）减反射膜：增加镜片可见光的透过率和防紫外线、防辐射光通过的功能。
• 目的是希望减少光的反射，增加透光率，抗紫外线并抑低耀光、鬼影；
• 不同颜色的镀膜，也使的成像色彩平衡的不同。
• 4）镀膜尚可延迟镜片老化、变色的时间。

眼镜镀膜常用药品：

• 二氧化锆（ZrO）
• 二氧化硅。

镜片镀膜后的主要优点有：

• 镀膜眼镜可以降低镜片表面的反射光，视物清楚，减少镜面反射光，增加了光线透过率，也解决戴眼镜在强光下照像的难题，还增加美感。
• 镀膜眼镜能防止紫外线、红外线、X线对视力的伤害。配戴镀膜眼镜眼镜不易疲劳。对荧光屏前工作人员的视力可受到保护。如果普通的镜片可以看得很清楚，就不需要加膜，如果要加，树脂镜片可以加减反射膜，也可以加硬膜，玻璃镜片一般只加减反射膜。
• 市场上所出现的加膜镜片，一般都进行过多层膜处理的，使其具有多种功能。

第2章 谐振腔的结构与工作原理

2.1 谐振腔的结构

谐振腔由如下组件组成：

（1）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。

（2）放大介质：通常是能够放大光信号的晶体。

（3）激励能源：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。

2.2 谐振腔的分类

按组成谐振腔的两块反射镜的形状及它们的相对位置，可将光学谐振腔分为：平行平面腔，平凹腔、对称凹面腔、凸面腔等。

平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；

如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。

对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。

如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。

如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。

2.3 激活介质与谐振腔的工作原理 

激活介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。

谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光通过激活介质进行优先放大。而把其他频率和方向的光加以抑制，如下图所示：

• 凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与激活介质不再接触。
• 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。
• 为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。

备注：

更加能量守恒，谐振腔自身其实并不能“真正”对光进行放大，对方放大是通过激活介质（晶体）来完成的。

谐振腔自身的最主要的目的，是使得光在腔体内来回震荡，能够多次穿越激活介质！！！！