Optische Resonatoren und Kavitätsmoden

Ein optischer Resonator begrenzt Licht zwischen Spiegeln und unterstützt diskrete longitudinale und transversale Moden, die das Spektrum und den Strahl eines Lasers formen.

Definition

Eine Anordnung von Spiegeln, die Licht in stehenden oder zirkulierenden Wellen einfängt und einen diskreten Satz resonanter longitudinaler und transversaler Moden unterstützt, die durch ihre Frequenzen, räumlichen Profile und Verluste gekennzeichnet sind.

Scope

Dieses Thema behandelt optische Kavitäten, die in Lasern Rückkopplung liefern und als Spektralfilter wirken. Es umfasst Fabry-Perot- und Konfokalresonatoren, die durch die Umlaufphasenbedingung festgelegten longitudinalen Moden und deren Abstand, die transversalen Moden und deren Gauß- und Hermite-Gauß-Profile, die Stabilitätsbedingung für Zwei-Spiegel-Kavitäten, den Gütefaktor und die Photonenlebensdauer, die Finesse und den freien Spektralbereich sowie die Beziehung zwischen Resonatorverlusten und Laserlinienbreite. Es wird erläutert, wie die Kavität bestimmt, welche Frequenzen und räumlichen Muster schwingen.

Core questions

• Welche Frequenzen und räumlichen Muster können in einer gegebenen Kavität resonieren?
• Welche Bedingungen machen einen Zwei-Spiegel-Resonator stabil?
• Wie charakterisieren Finesse, Gütefaktor und Photonenlebensdauer einen Resonator?
• Wie wählt der Resonator die longitudinalen und transversalen Moden des Lasers aus?

Key concepts

• Fabry-Perot-Resonator
• longitudinale Moden
• transversale Moden
• freier Spektralbereich
• Finesse
• Gütefaktor
• Kavitätsstabilitätsbedingung
• Photonenlebensdauer

Key theories

Longitudinale Moden und die Resonanzbedingung

Nur Wellenlängen, für die der optische Weg des Umlaufs eine ganze Zahl von Wellenlängen ist, resonieren, was einen Kamm longitudinaler Moden ergibt, deren Abstand durch die Kavitätenlänge festgelegt wird.

Transversale Moden und Kavitätenstabilität

Das transversale Feld bildet Gaußsche und höherrangige Hermite- oder Laguerre-Gaußsche Moden; eine Zwei-Spiegel-Kavität unterstützt stabile, begrenzte Moden nur dann, wenn ihre Spiegelkrümmungen und ihr Abstand die Resonatorstabilitätsbedingung erfüllen.

Clinical relevance

Das Resonatordesign legt die Wellenlänge, Linienbreite und Strahlqualität medizinischer und diagnostischer Laser fest, und optische Kavitäten mit hoher Finesse dienen als frequenzselektive Elemente in spektroskopischen Sensoren, die für die Atem- und Blutanalyse verwendet werden.

History

Das Fabry-Perot-Interferometer aus den 1890er Jahren wurde zum Prototyp des optischen Resonators. Als Schawlow und Townes 1958 den optischen Laser vorschlugen, war der entscheidende Schritt über den Maser hinaus die Verwendung einer solchen offenen Spiegelkavität, um Rückkopplung zu liefern und Moden bei optischen Wellenlängen auszuwählen.

Key figures

• Charles Fabry
• Alfred Perot
• Arthur L. Schawlow

Seminal works

• siegman1986
• salehteich2019

Frequently asked questions

Was bestimmt den Abstand zwischen den longitudinalen Moden eines Lasers?

Der Frequenzabstand entspricht der Lichtgeschwindigkeit geteilt durch das Doppelte der optischen Kavitätenlänge, sodass längere Kavitäten enger beieinander liegende Moden aufweisen.

Warum muss eine Laserkavität stabil sein?

In einem stabilen Resonator prallt ein Strahl hin und her, ohne von den Spiegeln abzuweichen, sodass sich eine begrenzte Mode aufbauen kann; eine instabile Kavität lässt Licht nach wenigen Durchgängen entweichen, es sei denn, dieser Verlust wird bewusst für Hochleistungsdesigns genutzt.