高二物理竞赛光学谐振腔的作用课件

一般由一对相距为的反射镜（平面或球面）组成。平面谐振腔中：一个全反射镜的，另一个的。1．光学谐振腔的作用1）光学谐振腔的结构相当于法布里－珀罗标准具。2）谐振腔实现光的定向连锁放大作用（1）初始阶段：自发辐射的光子是向各方向发射的，引起的受激辐射的方向也是随机的。（2）只有沿轴向传播的光才能在反射镜之间多次反射，形成雪崩式的连续光放大，（3）一部分激光穿透部分反射镜输出，形成稳定的激光。（4）谐振腔的作用保证了激光输出的稳定性和极好的方向性。3）谐振腔的阈值条件（1）增益使光强变大（2）损耗（它包括光在端面上的吸收、透射以及衍射等）使光强变小（3）增益大于损耗才能获得激光输出（4）阈值条件和阈值增益谐振腔内光的增益与损耗

M1M2I1I2I4I3I5相应的增益称为谐振腔的阈值增益，记作：要求：，至少应当：，称为谐振腔的阈值条件

（2）实际增益随光强的增大下降（1）实际增益大于时，光强才能不断增强。讨论：（3）当下降到时，谐振腔内光强就维持稳定了。（4）激光器产生激光的必要条件：工作物质的粒子数布居反转，谐振腔满足阈值条件。辐射线宽定义：以中心频率输出的激光所具有的频率半宽度。1）激光输出的辐射线宽2）造成激光谱线增宽的因素（1）自然线宽定义：由发射波列的持续时间决定的谱线宽度能级（亚稳态）上的寿命相当于粒子发射波列的持续时间。由时间相干反比公式可知：因此，自然线宽：（数量级），

甚至更小。（2）碰撞展宽定义：粒子间碰撞引起的辐射谱线加宽粒子间的碰撞可加速跃迁，从而缩短了能级的寿命粒子碰撞的频率越大，碰撞展宽也越大。激光器的碰撞展宽：

（3）多普勒展宽定义：由多普勒频移效应引起的谱线展宽粒子的速率分布服从麦克斯韦速率分布，故多普勒展宽的线型与麦克斯韦分布函数曲线相似。，相当于：激光器的多普勒展宽：

单色性较好由，可知2．谐振腔的选频作用1）纵模及间隔纵模：纵模间隔：单模线宽：2）激光器谐振腔的选频作用将激活物质产生的宽谱线激光变成了许多等间隔的窄谱线的输出激光3）纵模个数愈小，愈大，纵模个数愈少。

例题：若或求纵模个数？这种激光器称为多纵横（或多频）激光器。这种激光器称为单纵模（或单频）激光器。若解：4）He－Ne激光器的腔长与纵模间隔的数据实例3．激光的横模1）定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式，2）激光横模的表示法：TEM是“横电磁”的英文字头缩写，为纵模序数，通常略去不写。

和分别表示在水平（）和竖直（）方向出现的暗区数下图画出了几种横模图形。或者：表示沿半径方向出现的暗环数，表示出现的暗直径条数3）纵模和横模的物理意义：谐振腔所允许的激光光场的各种纵向和横向的稳定分布模式最常用的是最低阶模，这时光束具有最好的空间相干性。§6激光的特性和应用1．激光的主要特点较好的激光源的单色性表征量的量值约数量级，1）高单色性好的可高达的数量级。2）高定向性光束沿空间极小的立体角范围（一般为球面度）向前传输。3）高相干性具有高度的时间相干性和高度的空间相干性。激光的相干性、单色性及方向性均最好。单纵模及横模运行时，4）高强度自然界中最强的光源要属太阳，它的亮度值约为，而目前大功率激光器输出亮度可达2．激光的应用1）利用激光的高强度打孔、焊接、切割，激光手术刀，作为激光武器，引发激光核聚变，进行非线性光学的研究等。2）利用激光的高相干性进行高精度大范围测量，测量天文尺度的长距离，测40