光學(xué)諧振腔的損耗PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1光學(xué)諧振腔的損耗光學(xué)諧振腔的損耗光腔的損耗及其描述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。第1頁(yè)/共21頁(yè) 非激活吸收、散射損耗非激活吸收、散射損耗（內(nèi)部損耗）：（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)造成散射引起的能量損耗。損耗的種類(lèi)損耗的種類(lèi)鏡面損耗：鏡面損耗：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(chēng)為幾何損耗。衍射損耗衍射損耗：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，稱(chēng)為衍射損耗。輸出腔鏡的透射損耗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。第2頁(yè)/共21頁(yè)損耗的描

2、述損耗的描述用平均單程損耗因子來(lái)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(wú)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定義：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(yè)/共21頁(yè)10201 ln21 IIeII得的指數(shù)定義形式)(IeIIIII 21212122 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的描述損耗的描述單程損耗指數(shù)因子單程損耗指數(shù)因子第4頁(yè)/共21頁(yè)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

3、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(yè)/共21頁(yè)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)損耗若要的平平腔腔長(zhǎng)對(duì)于一個(gè)口徑單程損耗的計(jì)算單程損耗的計(jì)算第6頁(yè)/共21頁(yè)q qLq qL 2222 )()( , , 222222222211daLaaLaaLLaLLaLaaLqqqqqqqq而有一部分損失掉了：沒(méi)有完全反射回來(lái)光由于存在腔鏡的衍射時(shí)光在諧振腔內(nèi)往返傳輸單程損耗的計(jì)算單程損耗的計(jì)算第7頁(yè)/共21頁(yè)。稱(chēng)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) 1

4、1 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)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： 單程損耗的計(jì)算單程損耗的計(jì)算第8頁(yè)/共21頁(yè)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(guò)率式中，時(shí)，當(dāng)TTrrrrr2121ln21 1r121單程損耗的計(jì)算單程損耗的計(jì)算第9頁(yè)/共21頁(yè) zeIzIdz IdIII dIdz0 :, ：定義衰減量為的介質(zhì)光通過(guò)長(zhǎng)設(shè)由于吸收吸收系數(shù)吸收系數(shù)leII

5、ll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單程損耗的計(jì)算單程損耗的計(jì)算第10頁(yè)/共21頁(yè) 222 001LLLIIIIdzdI L衰減的百分?jǐn)?shù)為：光強(qiáng)，則光通過(guò)單位距離后，腔長(zhǎng)為設(shè)單程損耗為dtLcIdI LcIdtdI dtcdz 得代入上式將RttLceIeItI00)( 解方程得第11頁(yè)/共21頁(yè)cLR式中，腔的時(shí)間常數(shù)（腔壽命）？ enncLttnentnhtntItntRRtR000)( 0 )( c )()( 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)光子在腔內(nèi)的平均壽命證明

6、：腔內(nèi)光子的平均壽命等于時(shí)間常數(shù)！第12頁(yè)/共21頁(yè)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(guò)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在腔內(nèi)的平均壽命第13頁(yè)/共21頁(yè)iTLctcLiRRRR11 b. 1 . a素時(shí)：當(dāng)腔內(nèi)存在多種損耗因壽命越長(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)?shù)?4頁(yè)/共21頁(yè)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第15

7、頁(yè)/共21頁(yè)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(wú)源腔的品質(zhì)因數(shù)Q值第16頁(yè)/共21頁(yè)iiQ.QQQ QQ1111 b. a. 21：當(dāng)腔內(nèi)存在幾種損耗時(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)重第17頁(yè)/共21頁(yè)RteItI0( 已知腔內(nèi)的光強(qiáng)為 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(yè)/共21頁(yè)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(wú)源腔的單模線寬無(wú)源腔的單模線寬的物理意義：F無(wú)源腔中一個(gè)本征模式的譜線寬度F無(wú)源腔中每一個(gè)縱模的譜線寬度F無(wú)源腔中一