探究干涉现象与F-P谐振腔的构成方式

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：变速恒频双馈异步风力发电机构成的风电场，只是多种风电场类型中的一种。图2-26和图2-27所示是其他类型风电场的拓扑结构。其仿真方法与变速恒频永磁风力发电机构成风电场的仿真方法类似。式中，F称为谐振腔的精细度，它随着谐振腔损耗的减小而增加。精细度越大，模式峰值越尖锐。精细度是模间隔Δνm对频谱宽度δνm的比。

干涉就是两列波或多列波叠加时因为相位关系有时相互加强，有时相互削弱的一种波的基本现象。例如，分别在水池中相隔不远的两处同时投进一块石头，就会产生同样的水波，都向四周传播，仔细观察两列水波会合处的情景，即可发现其幅度时而因相长干涉增大，时而因相消干涉减小，如图3-5所示。这就是波的干涉现象，光作为一种电磁波也有这种现象。

图3-5 水池中两列水波的干涉波纹

在了解光波的干涉现象之前，让我们先回忆一个已知的力学问题——长L的一根弦线两端被夹住时所作的各种固有振动方式，如图3-6所示。在振动弦线中，边界条件要求弦线两端各有一个节点，也就是说，选择波长λ时一定要使半波长的整数倍等于弦线的长度，即

或者说，波长λ因其要满足式（3-1）而被整数化了。弦线的波扰动可用驻波来描述，图3-6表示m=1，2，3时的三种振动方式驻波的振幅函数曲线。

图3-6 ·一根长L的绷紧弦线三种可能的振动方式

与电谐振一样，光也有谐振，光波在谐振腔内也存在相长干涉和相消干涉，谐振时也可以通过谐振腔存储能量并选出所需波长的光波。

基本的谐振腔是由置于自由空间的两块平行镜面M₁和M₂组成的，如图3-7 a所示。光波在M₁和M₂间反射，导致这些波在空腔内相长干涉和相消干涉。从M₁反射的A光向右传输，先后被M₂和M₁反射，也向右传输变成B光，它与A光的相位差是k（2L），式中，k为波矢量，如果k（2L）=2mπ（m为整数），则B光和A光发生相长干涉，其结果是在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们把它称为驻波。因为在镜面上（假如镀金属膜）的电场必须为零，所以谐振腔的长度是半波长的整数倍，即

图3-7 法布里-珀罗（F-P）谐振腔及其特性

a）反射镜干涉 b）只有特定波长的驻波才能在谐振腔内存在 c）不同反射系数的驻波电场和频率的关系

由式（3-2）可知，不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波的，对于给定的m，只有满足式（3-2）的波长才能形成驻波，并记为λ_m，称为腔模式，如图3-7 b所示。因为光频和波长的关系是ν=c/λ，所以对应这些模式的频率ν_m是谐振腔的谐振频率，即

式中，ν_f是基模（m=1）的频率，在所有模式中它的频率最低。两个相邻模式的频率间隔是ν_m=ν_m+1-ν_m=ν_f，称为自由频谱范围（FSR）。图3-7 c说明了谐振腔允许形成驻波模式的相对强度与频率的关系。假如谐振腔没有损耗，即两个镜面对光全反射，那么式（3-3）定义的频率ν_m的峰值将很尖锐。如果镜面对光不是全反射，一些光将从谐振腔辐射出去，ν_m的峰值就不尖锐，而具有一定的宽度。显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。

镜面反射系数R越小，意味着谐振腔的辐射损耗就越大，从而影响到腔体内电场强度的分布。R越小，峰值展宽越大，如图3-7c所示，该图也定义了法布里-珀罗谐振腔的频谱宽度δν_m，它是单个腔模式曲线半最大值的全宽（FWHM），当R＞0.6时，可用下面的简单表达式计算：

式中，F称为谐振腔的精细度，它随着谐振腔损耗的减小而增加（因R增加）。精细度越大，模式峰值越尖锐。精细度是模间隔Δν_m对频谱宽度δν_m的比。

探究干涉现象与F-P谐振腔的构成方式

相关推荐