電磁諧振腔

諧振腔的主要參數(shù)是諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q。諧振頻率決定于腔的形狀、尺寸和工作模式。諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL為

諧振腔的損耗包括內(nèi)部損耗和外部損耗，前者為腔壁導(dǎo)體的損耗和腔內(nèi)介質(zhì)的損耗;后者取決于通過耦合孔反映的外電路負(fù)載情況

式中Qi稱為內(nèi)部品質(zhì)因數(shù)(也稱為固有品質(zhì)因數(shù)或無載品質(zhì)因數(shù))，Qe稱為外部品質(zhì)因數(shù)。

常用的電磁諧振腔有同軸腔、重入式同軸腔、矩形波導(dǎo)腔、圓柱形波導(dǎo)腔、微帶腔、介質(zhì)腔和開放腔等類型。

同軸腔 由一段同軸線構(gòu)成，常用作波長計和振蕩回路，腔內(nèi)的最低模式是TEM模，常用的有圖2中的三種形式。

電磁諧振腔

重入式同軸腔 又名凹形腔(圖3)。其外形與電容加載式同軸腔相似,所不同的是:后者的高度L、半徑ρ1、ρ2 都與工作波長λ0屬同一數(shù)量級;而前者的ρ1 和ρ2 均遠(yuǎn)小于λ0。從電磁場分布的觀點看,電場主要集中在圖中的B區(qū),可等效為一個電容;而磁場主要集中在A區(qū),可等效為一個電感。因此，這種諧振腔可等效為并聯(lián)諧振電路。

矩形波導(dǎo)腔 在矩形波導(dǎo)兩端用導(dǎo)電壁短路而構(gòu)成，其諧振頻率為

式中c為光速，m、n、l為整數(shù)(對于TE模,其中之一可為零，對于TM模，三者均不能為零)。

圓柱形波導(dǎo)腔 在圓波導(dǎo)兩端用導(dǎo)電壁短路而構(gòu)成。在圓柱形波導(dǎo)腔中,與圓波導(dǎo)主模TE11相應(yīng)的最低諧振模式是TE111。由于圓波導(dǎo)中TE01模的損耗小,相應(yīng)的諧振腔模式為TE011，它沒有縱向電流，管壁損耗小,其Q值可比TE111模高2~3倍，是圓柱形諧振波長計的工作腔中最有用的模式，但它不是最低模, 而且與TM111模簡并,須特別注意耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計。林為干在1950年發(fā)現(xiàn)圓柱形波導(dǎo)腔中至少存在五個簡并模，此外，還發(fā)現(xiàn)了球形腔中的簡并模。

介質(zhì)腔 由低耗高介電常數(shù)的介質(zhì)構(gòu)成。利用電磁波在介質(zhì)分界面上的全反射現(xiàn)象，使能量限制在介質(zhì)內(nèi)而不向外輻射。這種腔的Q值可高達(dá)10000。介質(zhì)腔的外形可以做成角柱形、圓柱形和球形等。

開放式諧振腔 由兩塊線度遠(yuǎn)大于工作波長的金屬板對置而成，金屬板的形狀可以是平面鏡、球面鏡或拋物面鏡,通過端板上的小孔與波導(dǎo)耦合。這種腔的Q值可高達(dá)數(shù)萬。

在理想的無耗諧振腔內(nèi)，任何電磁擾動一旦發(fā)生就永不停歇。當(dāng)擾動頻率恰使腔內(nèi)的平均電能和平均磁能相等時便發(fā)生諧振，這個頻率稱為諧振頻率。腔內(nèi)的電磁場可根據(jù)諧振腔的邊界條件求解麥克斯韋方程組而得出，它是一組具有一定正交性的電磁場模式的疊加。按波導(dǎo)兩端被短路的觀點，腔內(nèi)的電磁場也可認(rèn)為是波在腔壁上來回反射而形成的駐波場。當(dāng)腔長等于某種模式的1/2波導(dǎo)波長整數(shù)倍時,該模式發(fā)生諧振，稱為諧振模。諧振腔與外電路的能量耦合方式有:環(huán)耦合、探針耦合和孔耦合。

最新研究的典型環(huán)形諧振腔自相似光纖激光器有:孤子-自相似子光纖激光器;耗散孤子自相似全正二階色散光纖激光器;全光纖環(huán)拉曼拋物自相似脈沖激光器;自相似矢量孤子光纖激光器;G raphene 鎖模自相似光纖激光器等。以下簡要描述這些激光器腔型結(jié)構(gòu)、動力學(xué)機(jī)制、鎖模方法和實驗結(jié)果。

2010 年,B .Oktem 等研究的最新的"孤子-自相似子"光纖激光器是單環(huán)腔, 采用非線性偏轉(zhuǎn)演化被動鎖模方法, 其實驗裝置如圖3 所示, 其中QWP 是1/4 波片, PBS 是偏振分束器。

2010 年,W .H .Renning er 等研究了單環(huán)腔"全正二階色散自相似光纖激光器"的特性, 即ANDi 光纖激光器, 其結(jié)構(gòu)由三大主要部分構(gòu)成:增益光纖(摻Y(jié)b 光纖)、NPE 鎖模元件和光柵濾波器。該裝置的最大特點是不采用負(fù)GVD 的色散補(bǔ)償光纖對自相似進(jìn)行整形, 而是用負(fù)啁啾函數(shù)的光柵對自相似啁啾脈沖進(jìn)行濾波, 從而減少了非線性效應(yīng)和高階效應(yīng)對脈沖演化的影響。

他們首先采用的單模保偏光纖, 在忽略偏振模色散(線性偏振)效應(yīng)而僅僅考慮自相似脈沖演化非線性偏振分量的耦合作用的條件下, 運用耦合的N LSE 進(jìn)行表征和數(shù)值計算所示。在5 m 長的增益介質(zhì)演化過程中, 脈沖功率譜趨于自相似拋物線包絡(luò).但是, 他們的研究結(jié)論沒有指出由于脈沖功率變化可能引起的正交偏振分量的耦合效應(yīng)(比如,交叉相位調(diào)制)或者不出現(xiàn)耦合效應(yīng)時脈沖的閾值, 這兩個問題都是大功率自相似光纖激光器運行中不可回避的實際問題。

為了研究自相似光纖激光器重復(fù)頻率的穩(wěn)定性問題,Wei-Wei Hsiang 等把一個摻Y(jié)b 單環(huán)形腔自相似光纖激光器(其二階色散為+0 .068 ps2)和一個摻Er 單環(huán)形腔自相似光纖激光器(其二階色散為-0 .182 ps2)通過波分復(fù)用耦合器耦合成雙環(huán)形腔自相似光纖激光器。其中M2 為半反射鏡,GP 是光柵對壓縮器。

兩個單環(huán)形腔各自采用偏振控制加成鎖模P-APM方式實現(xiàn)鎖模, 雙環(huán)形腔依賴兩個單環(huán)激光器脈沖的交叉相位效應(yīng)實現(xiàn)鎖模。通過測量雙脈沖序列的重復(fù)頻率, 實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):雙環(huán)形腔的交叉相位鎖模與兩個單環(huán)形偏振加成鎖模可以同時實現(xiàn), 獲得了穩(wěn)定重復(fù)頻率的雙波長輸出。摻Y(jié)b 單環(huán)形腔鎖模激光脈沖的中心波長在1035 nm(其二階色散約為+0 .068 ps2), 從5 %輸出耦合器輸出的脈沖的頻譜如圖9(a)所示, 在頻譜的中心附近是拋物形狀, 前后沿非常陡, 可以判斷081409-748 , 081409是脈沖自相似演化的結(jié)果, 其中的小插圖是通過偏振分束器輸出5 %的自相似激光脈沖的頻譜, 所需要補(bǔ)償?shù)倪绷考s為-0 .182 ps2 , 補(bǔ)償整形后的脈沖寬度約為3 ps 。通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)光纖長度和波片的方位, 摻Er單環(huán)形腔也同步實現(xiàn)了脈沖鎖模, 摻Er 光纖長度是該腔單模光纖的1/3 , 但是由于摻Er 光纖對于1560 nm中心波長的脈沖應(yīng)當(dāng)具有負(fù)的二階色散, 所以, 脈沖在腔內(nèi)進(jìn)行的是呼吸孤子(又稱為拉伸孤子)脈沖演化,形成耗散孤子, 其頻譜形狀如圖9(b)所示, 其中的小插圖是由該腔內(nèi)PBS 輸出5 %的耗散孤子激光脈沖的頻譜。兩種波長同步輸出, 形成相同重復(fù)頻率的雙波長激光脈沖的穩(wěn)定輸出。

如果繼續(xù)增加抽運功率, 實驗發(fā)現(xiàn), 雙波長激光脈沖會發(fā)生相互"碰撞"作用, 形成有邊帶結(jié)構(gòu)、中心波長約為1550 nm 激光脈沖, 其產(chǎn)生的物理機(jī)制需要做進(jìn)一步研究。但是, 該激光器的實驗沒有給出輸出脈沖的能量、脈寬以及峰值功率, 也沒有給出具體的重復(fù)頻率值。

由于人們對腔內(nèi)GVD 的大小和正負(fù)缺乏準(zhǔn)確地測量, 對結(jié)果的理解和對實驗結(jié)論的解釋缺乏一致性;同時, 其輸出脈沖的能量、脈寬和峰值功率, 以及重復(fù)率大小與實際應(yīng)用還有一定的距離。

把耗散孤子光纖激光器歸類為自相似光纖激光器, 是因為其信號脈沖的增益過程實際上是自相似演化過程, 即脈沖的能量增益階段是在正的二階色散區(qū)域完成的---自相似演化, 該自相似脈沖繼續(xù)傳輸?shù)角粌?nèi)的負(fù)色散區(qū)域后, 自動進(jìn)行了整形(可能使輸出頻譜偏離了自相似脈沖的頻譜特征)。由于腔內(nèi)各種復(fù)雜參數(shù)(已知的和未知的)的作用, 整形后的脈沖特性與自相似脈沖、耗散孤子脈沖、色散管理孤子等有很大的差別。2010 年, Liu Xueming采用18 m 長的摻Er 光纖和雙偏振控制器的加成鎖模單環(huán)形腔耗散孤子---自相似光纖激光器的特性。

本書是美國大學(xué)本科生電磁場理論課程的教科書。全書共分12章，主要內(nèi)容有：概論、矢量分析、靜電場、恒定電流、靜磁場、靜態(tài)場的應(yīng)用、時變電磁場、平面波的傳播、傳輸線、波導(dǎo)與諧振腔、天線和電磁場的計算機(jī)輔助分析等。第2版增加了有限長的無損耗傳輸線，并對練習(xí)題進(jìn)行了整合。書中包含大量插圖和例題，各章后附有練習(xí)題和習(xí)題，有助于學(xué)生對所學(xué)知識加深理解。

本書可作我國高等院校電力、電信和相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材，也可供有關(guān)學(xué)科的教師科研工作者及工程技術(shù)人員參考。