光學(xué)諧振腔損耗實(shí)用教案

1、光腔的損耗光腔的損耗(snho)及其描述及其描述 光腔的損耗是指光在腔內(nèi)傳播(chunb)時(shí)，由于各種物理因素造成的光強(qiáng)的衰減。第1頁/共21頁第一頁，共22頁。 非激活吸收、散射損耗（內(nèi)部損耗）：工作物質(zhì)對(duì)光有吸收引起的損耗;固體內(nèi)有雜質(zhì)造成(zo chn)散射引起的能量損耗。損耗損耗(snho)的的種類種類鏡面損耗：鏡面損耗：幾何損耗：光線在腔內(nèi)往返幾次，可能逸出腔外，這種損耗稱為幾何損耗。幾何損耗：光線在腔內(nèi)往返幾次，可能逸出腔外，這種損耗稱為幾何損耗。衍射損耗：由于腔的反射口徑有限，光在其上會(huì)發(fā)生衍射，造成一部分能量損失衍射損耗：由于腔的反射口徑有限，光在其上會(huì)發(fā)生衍射，造成一部分能量

2、損失(snsh)，稱為，稱為衍射損耗。衍射損耗。輸出腔鏡的透射損耗：由于腔鏡反射率不為輸出腔鏡的透射損耗：由于腔鏡反射率不為1造成的能量損失造成的能量損失(snsh)。第2頁/共21頁第二頁，共22頁。損耗損耗(snho)的的描述描述用平均單程損耗(snho)因子來定量描述010010102 2 IIIIIIII損耗為：則光在腔內(nèi)往返一次的，后，光強(qiáng)衰減為，在無源腔中往返一次設(shè)初始光強(qiáng)為L(zhǎng)10I II I平均單程損耗因子的定義(dngy)：光在腔內(nèi)單程渡越時(shí)光強(qiáng)的平均衰減百分?jǐn)?shù)第3頁/共21頁第三頁，共22頁。10201 ln21 IIeII得的指數(shù)定義形式)(IeIIIII 21212122

3、 10200010時(shí)：當(dāng)21 ii時(shí)，總損耗為當(dāng)損耗由多種因素引起損耗損耗(snho)的描述的描述單程損耗單程損耗(snho)指數(shù)因子指數(shù)因子第4頁/共21頁第四頁，共22頁。單程(dnchng)損耗的計(jì)算1、諧振腔失調(diào)(shtio)時(shí)的幾何損耗LDmDLmDmLDmLLLmD2 2 )12(.31 2 ) 12(2 . 6 2 2次后逸出腔外，則有，且光在腔內(nèi)往返設(shè)腔鏡的直徑為角時(shí)面構(gòu)成當(dāng)平面腔的兩個(gè)鏡第5頁/共21頁第五頁，共22頁。DLmmm2 21 1單程損耗為往返一次的損耗為：次光逸出腔外往返4 . 0rad102L2D1%,1mL1cm,D 6-2則兩個(gè)鏡面的傾斜角求失調(diào)損耗若要的

4、平平腔腔長(zhǎng)對(duì)于一個(gè)口徑舉例(j l)單程損耗單程損耗(snho)的計(jì)算的計(jì)算第6頁/共21頁第六頁，共22頁。q qLq qL2、衍射(ynsh)損耗 2222 )()( , , 222222222211daLaaLaaLLaLLaLaaLqqqqqqqq而有一部分損失掉了：沒有完全反射回來光由于存在腔鏡的衍射時(shí)光在諧振腔內(nèi)往返傳輸單程單程(dnchng)損耗的計(jì)算損耗的計(jì)算第7頁/共21頁第七頁，共22頁。稱為其中，光，則：忽略第一個(gè)暗環(huán)以外的根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式菲涅耳數(shù)菲涅耳數(shù) 11 61. 0aL1.22 ,22d2LaNNLaaq帶的數(shù)目。帶的數(shù)目。菲涅耳菲涅耳一個(gè)鏡面上可以劃分的一個(gè)

5、鏡面上可以劃分的從一個(gè)鏡面中心看到另從一個(gè)鏡面中心看到另半波半波菲涅爾數(shù)的定義：菲涅爾數(shù)的定義： 單程損耗單程損耗(snho)的計(jì)算的計(jì)算第8頁/共21頁第八頁，共22頁。3、透射(tu sh)損耗212021010ln21 rreIrrIIIrr反射后的光強(qiáng)為：個(gè)鏡子在腔內(nèi)往返一周，經(jīng)兩如圖所示，初始光強(qiáng)1r2r1I0I是輸出鏡透過率式中，時(shí)，當(dāng)TTrrrrr2121ln21 1r121單程損耗單程損耗(snho)的計(jì)算的計(jì)算第9頁/共21頁第九頁，共22頁。 zeIzIdz IdIII dIdz0 :, ：定義衰減量為的介質(zhì)光通過長(zhǎng)設(shè)由于吸收吸收系數(shù)吸收系數(shù)吸收(xshu)損耗leIIll

6、吸單程損耗為因此，介質(zhì)吸收引起的光強(qiáng)為：則光在腔內(nèi)往返一次后介質(zhì)的長(zhǎng)度為的吸收系數(shù)是均勻的，若腔內(nèi)介質(zhì) : 201單程損耗單程損耗(snho)的計(jì)算的計(jì)算第10頁/共21頁第十頁，共22頁。 222 001LLLIIIIdzdI L衰減的百分?jǐn)?shù)為：光強(qiáng)，則光通過單位距離后，腔長(zhǎng)為設(shè)單程損耗為光子(gungz)在腔內(nèi)的平均壽命dtLcIdI LcIdtdI dtcdz 得代入上式將RttLceIeItI00)( 解方程得第11頁/共21頁第十一頁，共22頁。cLR式中，腔的時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)（腔壽命）？ enncLttnentnhtntItntRRtR000)( 0 )( c

7、 )()( 時(shí)：當(dāng)時(shí)刻的光子數(shù)密度表示式中，則時(shí)刻腔內(nèi)光子數(shù)密度為用光子數(shù)表示光強(qiáng)，設(shè)光子(gungz)在腔內(nèi)的平均壽命證明：腔內(nèi)光子的平均壽命(pn jn shu mn)等于時(shí)間常數(shù)！第12頁/共21頁第十二頁，共22頁。tttntenndtttRt ,d , 0 d dd : R0因此它們的壽命為它們就不再腔內(nèi)時(shí)間后再經(jīng)過時(shí)間內(nèi)它們存在于腔內(nèi)個(gè)光子在這度為時(shí)間內(nèi)減少的光子數(shù)密在R0000 1 )(1 dtentndntnRtR：所有光子的平均壽命為光子(gungz)在腔內(nèi)的平均壽命第13頁/共21頁第十三頁，共22頁。iTLctcLiRRRR11 b. 1 . a素時(shí)：當(dāng)腔內(nèi)存在多種損耗因

8、壽命越長(zhǎng)；越大，腔內(nèi)光子的平均越小，光在腔內(nèi)傳輸一次；間）（光子在腔內(nèi)的渡越時(shí)時(shí)，損耗最大，當(dāng)討論(toln)第14頁/共21頁第十四頁，共22頁。單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量?jī)?chǔ)存在腔內(nèi)的總能量腔內(nèi)電磁場(chǎng)的振蕩頻率式中，值的定義：PPQ 2 Q無源腔的品質(zhì)因數(shù)Q值第15頁/共21頁第十五頁，共22頁。VhenVhtntPVnhnVRtR0dddd 為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)光能的減少腔內(nèi)的總儲(chǔ)能為：，則，光子數(shù)密度為為設(shè)腔內(nèi)振蕩光束的體積cLVheVhenPQRRtt2 2 n22 RR00品質(zhì)因數(shù)：無源腔的品質(zhì)因數(shù)Q值第16頁/共21頁第十六頁，共22頁。iiQ.QQQ QQ1111 b. a. 21：當(dāng)腔內(nèi)存

9、在幾種損耗時(shí)腔內(nèi)光子壽命長(zhǎng)。損耗低，值高，腔的儲(chǔ)能性好，腔的儲(chǔ)能及損耗特性。要的物理量，它表征是衡量腔質(zhì)量的一個(gè)重討論(toln)第17頁/共21頁第十七頁，共22頁。RteItI0( 已知腔內(nèi)的光強(qiáng)為無源腔的單模線寬 RteAtA20 光場(chǎng)的振幅為：描述的平方成比例，因此上式光的強(qiáng)度與光場(chǎng)振幅的由于tittieeetAtER20A)()( :而光場(chǎng)可以表示為第18頁/共21頁第十八頁，共22頁。QLcR221 c頻譜寬度，即有有限的式所示的衰減光場(chǎng)將具由傅里葉分析可知，上無源腔的單模線寬無源腔的單模線寬的物理意義：無源腔中一個(gè)本征模式的譜線寬度無源腔中每一個(gè)縱模的譜線寬度無源腔中一個(gè)光子態(tài)所占頻率(pnl)范圍無源腔的單模線寬第19頁/共21頁第十九頁，共22頁。iiicicLc2 b., a.：當(dāng)腔內(nèi)存在多種損耗時(shí)模式的譜線寬度越窄光子在腔內(nèi)的壽命越長(zhǎng)無源腔的損耗越低討論(toln)Hz1006. 121 150 6RRcns時(shí)當(dāng)舉例(j l)第20頁/共21頁第二十頁，共22頁。感謝您的觀看(gunkn)！第21頁/共21頁第二十一頁，共22頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)光腔的損耗及其描述。光腔的損耗是指光在腔內(nèi)傳播時(shí)，由于各種物理因素造成的光強(qiáng)的衰減。非激活吸收、散射損耗（內(nèi)部損耗）：。衍射損耗：由于