Добротность открытого резонатора
Как и любую колебательную систему, ОР можно охарактеризовать добротностью. Рассмотрим плоскопараллельный резонатор, в котором каждую моду можно представить как суперпозицию двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях.
Пусть I0-начальная интенсивность одной из этих волн, r1 и r2- коэффициенты отражения (по интенсивности) двух зеркал, Ti- относительные внутренние потери за проход вследствие дифракции. Тогда интенсивность I(t1) в момент времени t1=2L/c, т.е. после одного полного прохода резонатора, запишется в виде: I (t1) =r1r2 (1-Ti)2I0 (1.72)
Интенсивность после m полных проходов, т.е. в момент времени tm=2mL/c равна I(tm)=[r1r2(1-Тi)2]mI0 (1.73)
Если q(t)- полное число фотонов в резонаторе в момент времени t, то, разумеется, оно пропорционально интенсивности, т.е. q(t)~I(t) и в соответствии с (1.73) можно написать следующее выражение:
q(tm) = [r1r2 (1-Тi)2]mq0 (1.74)
где q0-число фотонов, изначально присутствовавших в резонаторе.
С другой стороны, число фотонов в момент времени tm равно
q(tm) =q0exp(-tm/τc), (1.75)
где τc - время жизни фотона в резонаторе
Из сравнения двух последних выражений и с учетом, что получим: [exp(-2L/cτc)]m=[r1r2(1-Ti)2]m.
Отсюда находим: (1.76)
Проведем оценку τс. Например, если выбрать r1=r2=r=0,98 и Ti≈0, то из (1.76) получим: τс=tT/(-lnr)=49,5tT, где tT=L/c. Если положить L=90 см, c=3·108 м/c, то tT=3нс и τс≈150 нс. Из этого примера видно, что время жизни фотона много больше времени одного прохода резонатора.
Если предположить, что соотношение (1.75) справедливо не только в момент времени tm, то и в любой момент t, то можно написать
q (t) ≈q0exp(-t/τc), (1.77)
Тогда временную зависимость электрического поля в произвольной точке внутри или вне резонатора можно представить в виде:
. (1.78)
Определим теперь понятие добротности резонатора. Для любой резонансной системы и в частности для ОР, добротность Q определяется следующим образом.
. (1.79)
В нашем случае запасенная энергия равна q·hν, а энергия, теряемая в течение одного периода колебаний равна: hν(-dq/dt)T=hν(-dq/dt)/ν= -hdq/dt
тогда из (1.79) (1.80)
Из (1.77) dq/dt= и используя соотношение , окончательно получим для добротности: Q=2πντc = ν/∆νc (1.81)
Таким образом, добротность резонатора равна отношению резонансной частоты ν к ширине линии резонатора ∆νс.
Для рассмотренного выше примера τс=150 нс, и положив ν=5·1014 Гц, получим Q≈5·108.
С учетом (1.76) формулу добротности можно представить в виде:
. (1.82)
При Ti 0, ri=1 имеем: (1.82а)
Дата добавления: 2016-11-26; просмотров: 2041;