平行平面腔结构示意图
同心球面腔的优势： 同心球面腔 1）衍射损耗低 2）易于安装调整
同心球面腔的劣势： 1）模体积小 2）腔内产生光辐射聚焦现象
同心球面主要应用于连续工作的染料激光器泵浦激光器
同心球面腔结构示意图
共焦谐振腔 共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间， 其特点如下： 1）镜面较易安装、调整； 2）较低的衍射损耗； 3）腔内没有过高的辐射聚焦现象； 4）模体积适度；
典型的激光器谐振腔 模体积
激光模式在腔内所能扩展的空间范围。
模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子数就多 就可能获得大的输出功率；
谐振腔的选择：
衍射损耗 模体积 腔体镜面的安装
平行平面腔 平行平面腔的优势
1） 模体积大、 2）腔内激光辐射没有聚焦现象 平行平面腔的劣势
1）衍射损耗高 2）镜面调整难度高 平行平面腔主要应用于高功率脉冲激光器
q
l3
l2
l1
折叠腔
谐振腔作用：提供光学正反馈，控制光束特征 (模式,功率,光斑)
2.光腔的两种理论方法
• 衍射理论: 不同模式按场分布,损耗, 谐振频率来区分, 给出
不同模式的精细描述, 适用菲涅尔数不大, 衍射效应明显 • 几何光学+干涉仪理论: 忽略反射镜边缘引起的衍射效应,
不同模式按传输方向和谐振频率来区分, 粗略但简单明了
共焦谐振腔一般应用于连续工作的激光器
共焦谐振腔示意图
长半径球面腔
长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点 如下： 1） 中等的衍射损耗；2）较易安装调整； 3）模体积很大； 4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；
长半径球面谐振腔适于连续工作的激光器
长半径球面腔示意图
半球型谐振腔 半球型谐振腔的特点：
(1) 稳定腔
➢双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，R1>L,R2>L对应图中1区;R1<L,R2<L, 以及R1+R2>L对应图中2、3和4区
如图(2-2)所示，图中没有斜线的部分 是谐振腔的稳定工作区，其中包括坐 标原点。图中画有斜线的阴影区为不 稳定区，在稳定区和非稳区的边界上 是临界区。对工作在临界区的腔，只 有某些特定的光线才能在腔内往返而 不逸出腔外。
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类
2.利用稳定条件可将球面腔分类如下:
影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素： 组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及 它们之间的组合方式。
2. 产生对振荡光束的控制作用 主要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。改变腔的 参数如：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置
1. 有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性 好、方向性强的相干光
易于安装调整、衍射损耗低、成本低 半球型谐振腔主要应用于低功率氦氖激光器
半球型谐振腔
平凹稳定腔 平凹稳定腔的特点：
模体积较大 且具有价格优势 平凹稳定腔一般应用与连续激光器；大多数情况下
R1 > 2L
平凹稳定腔示意图
非稳定腔 一连续高功率二氧化碳激光器的非稳定谐振腔
➢光学谐振腔的作用
1.提供光学正反馈作用 ：使得振荡光束在腔内行进一次 时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起 的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多 次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。
稳定腔、非稳定腔和临界腔 看在腔内是否存在稳定振荡的高斯光束
* 常见的谐振腔形式
平行平面腔 由两块相距为L、平行 放置的平面反射镜构成
双凹球面镜腔： 由两块相距为L，曲率半径 分别为R1和R2的凹球面反
射镜构成
R1=R2=L
R1+R2=L
一般球面腔 R<L<2R
由两个以上的 反射镜构成
平凹腔和凹凸与双凸腔等
1. 规定曲率半径为R，焦距为f，物距s和象距s´在反射镜前面为正，在 反射镜后面的为负，则有：
1) 对于凹透镜，R>0，f=R/2>0 2) 对于凸透镜，R<0，f=R/2<0
3) 对于平面镜，R,f
2.成像公式为:
1 1 1 s s f
3.如图(2-1)所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球 面反射镜的曲率半径R1、R2，和腔长即与光轴相交的反射镜面上的两个 点之间的距离L。可以证明共轴球面腔的稳定性条件是:
01RL11RL2 1
图(2-1) 共轴球面腔结构示意图
2.1.2 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类
1.常常稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件 ， 定义： g 1 1 L R 1 及 g 2 1 L R 2共轴球面谐振腔的稳定性条件可改写为:
0g1g21
➢当 0g1g21时，共轴球面谐振腔为稳定腔 ➢当 g 1g20 或 g 1g21时，共轴球面谐振腔为非稳腔 ➢当 g 1g20 或 g 1g21时，共轴球面谐振腔为临界腔
2. 可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、 谐振频率及光束发散角
3. 可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能 控制激光束的输出功率
研究光学谐振腔的目的
通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光 器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的 要求
Chapter2 激光器的工作原理
2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件
谐振腔的使用特点（1）可使输出光有良好的方向性。（2）
限制模式和选择频率的作用。
§2.1 谐振腔
1.腔的构成与分类
(a) 闭腔 (b) 开腔 (c)气体波导腔
h
半导体激光器
h
h
介质波导腔
另：折叠腔、环形腔 复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等
按谐振腔的几何逸出损耗分类：稳定腔，非稳定腔，临界腔
一般由三部分组成：工作物质、激励源和谐振腔
激励能源
激光
全反射镜R11
３． 光学谐振腔
部分反射镜R2<1
一个是全反射镜，另一个是部分透射镜（输出镜）
谐振腔的作用正是加强介质中的受激放大作用，使得受激辐
射成为介质中占优势的一种辐射。在光学谐振腔内，工作物 质吸收能量发射光波，沿谐振腔轴线的那一部分光波在谐振 腔内来回振荡，多次通过处于激活状态的工作物质，“诱发” 激活的工作物质发光，光被放大。当光达到极高的强度，就 有一部分放大的光通过部分透过率反射镜输出，这就是激光， 而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外。